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Ecológico y Eficiente: Cómo los Motores Stirling Termoacústicos están Cambiando el Juego Aeroespacial
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Los Motores Stirling Termoacústicos (TASE) pueden parecer mucho para asimilar de una sola vez. Pero, en principio, son equivalentes acústicos de los motores Stirling. Por lo tanto, antes de profundizar en los TASE, debemos comenzar con los motores Stirling.
¿Qué es un motor Stirling?
El nombre proviene de su inventor, el reverendo Robert Stirling, quien ideó un motor de calor externo muy diferente de los tradicionales motores de combustión interna usados en los automóviles. Se diferencia por su ciclo de agitación, que tiene tres características principales.
- Los gases utilizados dentro de un motor Stirling nunca abandonan el motor. A diferencia de los motores de gasolina o diésel, estos motores no tienen válvulas de escape para ventilar gases a alta presión. Tampoco se producen explosiones. Como resultado, los motores Stirling son muy silenciosos.
- Al no ser un motor de combustión interna, requiere una fuente de calor externa. Esa fuente de calor puede ser rayos solares, calor geotérmico, gasolina o energía solar. El calor incluso podría provenir de una planta en descomposición.
- Finalmente, solo se necesita una hélice de volante con un giro suave para iniciar el motor.
En esta tradición de construir motores Stirling aparecen los Motores Stirling Termoacústicos o TASE, los equivalentes acústicos de los motores Stirling.
TASE: Los equivalentes acústicos de los motores Stirling
Los Motores Stirling Termoacústicos han ganado impulso y tracción en el campo de la investigación científica debido a su bajo costo de fabricación, alta eficiencia, características sin mantenimiento y capacidad de autoarranque.
Una de las categorías más populares de Motores Stirling Termoacústicos son los Motores de Calor Stirling Termoacústicos o TASHE. Estos dispositivos pueden convertir calor en energía acústica a una tasa de eficiencia muy alta. Su potencial radica en el hecho de que no involucran partes móviles y los componentes son relativamente simples. Estos sistemas son menos costosos de fabricar y mantener. Es preferido por muchos como un medio para generar energía limpia y eficaz.
¿Cómo funcionan los TASHE?
El proceso de conversión de energía en estos motores ocurre en el regenerador. Un regenerador es un bloque metálico poroso entre un intercambiador de calor caliente (HHX) y un intercambiador de calor frío o ambiente. Estas ubicaciones en los dos extremos ayudan a mantener un gradiente de temperatura medio en la dirección axial. Las ondas acústicas que lo atraviesan —con la fase adecuada— pueden amplificarse mediante un proceso termodinámico que se asemeja al ciclo Stirling.
¿Por qué son beneficiosos los Motores Stirling Termoacústicos?
La escasez de combustibles fósiles es un desafío que la humanidad enfrenta a corto plazo. Los combustibles fósiles tampoco son beneficiosos para la salud del planeta y conllevan una serie de problemas de sostenibilidad.
Las comunidades científicas han estado considerando el uso de fuentes alternativas de combustible, incluyendo energía solar, energía geotérmica, biocombustibles/biomasa, radioisótopos y más.
En este escenario, los motores Stirling han mostrado buenos resultados gracias a su alta eficiencia, ciclo termodinámico cerrado, operación silenciosa, baja vibración, larga vida operativa y bajo mantenimiento.
Podrían existir dos tipos de motores Stirling: el convencional y el avanzado.
La evolución de los Motores Stirling Termoacústicos: Innovaciones y avances
Conocer la historia de los TASE es crucial para entender cómo cumplen su propósito y cuál ha sido la naturaleza de la tecnología.
Ya hemos hablado de ondas acústicas que atraviesan el gradiente entre intercambiadores de calor caliente y frío o ambiente en ambos lados.
Hasta la década de 1980, la eficiencia de la mayoría de los diseños en este campo típicamente no superaba el 5 %. Marcando un punto de inflexión en 1979, se logró un avance significativo gracias a Ceperley. Él demostró que las ondas viajeras pueden extraer energía acústica de manera más eficiente, lo que condujo al concepto de diseño de TASHE de ondas viajeras que se usa hoy.
Lo que ocurre en este esquema más eficiente es que parte de la energía acústica generada regresa al regenerador mediante algún tipo de bucle de retroalimentación y, en parte, se dirige a un resonador para la extracción de energía.
La primera década del milenio vio una mayor mejora en la tecnología detrás de los TASHE. En 2011, Tijani & Spolestra diseñaron un TASHE de onda viajera que alcanzó una notable eficiencia global del 49 % del límite de Carnot. Para añadir contexto, el Límite de Carnot establece un límite absoluto a la eficiencia con la que la energía térmica puede convertirse en trabajo útil.
En el último desarrollo en el campo de los TASE, China desarrolló recientemente un generador Stirling termoacústico de alta eficiencia, que puede entregar 140 hp o 102 kW de potencia a partir de una fuente de calor de 986 °F. El desarrollo provino de investigadores del Instituto Técnico de Física y Química de la Academia China de Ciencias. Fue la primera vez que un generador Stirling alcanzó más de 134 hp o 100 kW de potencia.
Esta innovación china es vista por muchos como un posible cambio de juego debido a su versatilidad. Puede funcionar con una variedad de fuentes de calor y podría cambiar la forma en que se genera energía, ofreciendo soluciones para diversas necesidades energéticas.
Según el equipo que la innovó, su fiabilidad, diseño simple y compatibilidad con diversas fuentes de calor pueden hacerla competir con la eficiencia de las turbinas de vapor. El diseño del motor elimina las vibraciones del sistema y ayuda a mantener un sello hermético. La innovación podría ayudar a crear submarinos chinos ultra silenciosos y no nucleares.
Otro estudio de 2017 propuso la generación de energía Stirling termoacústica a partir de energía fría de GNL y calor residual de baja temperatura. El estudio resultó en el diseño de un generador Stirling termoacústico operado con helio a 4 MPa capaz de generar 2,3 kW de energía eléctrica con la mayor eficiencia de exergía de 0,253 cuando los extremos frío y caliente se mantienen a 110 K y 500 K.
La evolución del Motor Stirling Termoacústico como solución para introducir niveles más altos de eficiencia energética ha sido estudiada de cerca por investigadores y tecnólogos de alto nivel alrededor del mundo. Y se ha realizado mucho trabajo en soluciones empresariales a gran escala.
Organizaciones que aprovechan los Motores Stirling Termoacústicos
1. NASA
NASA ha logrado avances significativos en el área de los Motores Stirling Termoacústicos. La solución, conocida como Convertidor de Potencia Termoacústica Stirling y Alternador Magnetoestrictivo, elimina todas las partes móviles para lograr la máxima eficiencia y fiabilidad.
Tecnología novedosa desarrollada por el Glenn Research Center de la NASA
Esta tecnología hace que los motores Stirling sean más eficientes y menos costosos. Aprovecha los convertidores de potencia termoacústica donde el sonido se utiliza para convertir el calor en energía eléctrica. El sistema usa presiones y oscilaciones de volumen impulsadas por calor provenientes de fuentes termoacústicas para alimentar alternadores piezoeléctricos u otras tecnologías de conversión de energía. Este dispositivo es capaz de generar electricidad con una eficiencia sin precedentes.
El impacto de la innovación de NASA ha sido amplio. El convertidor de potencia termoacústica ha ayudado a remodelar el motor Stirling convencional de una forma toroidal a una disposición colineal recta. Esta innovación asegura que futuros sistemas no dependan de tubos mecánicos propensos a fallas y de inercia. El objetivo puede alcanzarse usando resonancia acústica mediante componentes electrónicos.
La innovación ha dado como resultado algo eficiente, fiable, de bajo costo, compacto y versátil. Puede usarse en generación distribuida y sistemas de energía residencial, sistemas de cogeneración, generación de energía solar concentrada, vehículos eléctricos híbridos, sistemas de refrigeración, bombas de calor, sistemas de energía submarinos y marinos, y unidades de energía auxiliares.
2. SpaceX
Existe una alta probabilidad de que SpaceX (SPCX ), otro gigante de la tecnología espacial y de aviación, explore los TASE pronto. Podría ayudarles a lograr una mayor eficiencia en la conversión de calor a trabajo mecánico.
Los bajos costos de fabricación y mantenimiento podrían llevar a lanzar naves espaciales más ligeras a menores costos. También ayudaría a SpaceX a gestionar el calor de manera eficaz, con capacidades mejoradas de generación de energía en misiones de espacio profundo.
Según informes publicados a mediados de agosto de 2023, los ingresos crecientes de SpaceX la hicieron rentable en el primer trimestre de 2023 después de dos pérdidas anuales. La empresa propiedad de Elon Musk generó 55 millones de dólares de beneficio sobre 1,5 mil millones de dólares de ingresos durante el período de enero a marzo. Fue valorada en casi 150 mil millones de dólares en una reciente venta de acciones a empleados.
3. Sierra Lobo, Inc.
Con sede en Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc. ofrece servicios especializados de prueba, evaluación e ingeniería espacial y aeroespacial a nivel mundial. Ha desarrollado motores de calor Stirling termoacústicos completos que pueden operar con una variedad de fuentes de energía/calor, con alta eficiencia y fiabilidad, sin partes móviles. Es compacto, escalable y puede usarse en aplicaciones espaciales por su operación independiente de la gravedad.
Se espera que estos motores de calor encuentren aplicaciones en muchas áreas, incluyendo generación de potencia acústica y ondas de presión, y generación eléctrica para aplicaciones terrestres, submarinas y espaciales. Puede producir simultáneamente energía eléctrica y de refrigeración, impulsar un alternador lineal para generación eléctrica, y refrigerador y criocooler para generación de frío.
Desafíos y oportunidades en el camino por delante
Los Motores de Calor Stirling Termoacústicos (TASE), una categoría específica de motores Stirling, han demostrado un gran potencial para desarrollar fuentes de energía adecuadas para viajes espaciales de larga distancia. NASA, particularmente a través de su Glenn Research Center, ha estado a la vanguardia de aprovechar la eficiencia y los atributos de bajo mantenimiento de la tecnología. Se espera que esta tecnología avance aún más, apoyando sistemas de energía que podrían ser fundamentales en numerosos proyectos de exploración espacial, potencialmente incluyendo la alimentación de bases en la Luna y Marte.
Estos motores son preferidos por su capacidad de ofrecer una eficiencia térmica‑eléctrica muy alta en comparación con otros motores de calor. La ausencia de sistemas de rodamientos y partes móviles en los TASE reduce significativamente el riesgo de fallas y los costos de fabricación.
Sin embargo, para convertirse en la opción más preferida, aún queda mucho trabajo por hacer en la refinación de esta tecnología. Actualmente, los TASE enfrentan desafíos de volumen y peso, principalmente porque su diseño, que incluye intercambiadores de calor en los puntos caliente y frío, resulta en una formación más voluminosa y pesada que los motores de combustión interna tradicionales con potencia equivalente.
Además, los TASE a menudo presentan un arranque más lento debido a la inercia térmica inherente. Su aplicación está limitada en escenarios que requieren arranques rápidos o cambios de velocidad veloces. No obstante, las innovaciones tecnológicas en curso buscan superar estos retos, posicionando a los TASE como un componente crucial para operaciones espaciales de alta tecnología y más allá.
