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Sistema de Hidrogênio Escalável Permite Voo Sem Emissões
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A mobilidade é uma parte crucial da nossa vida cotidiana, e a aviação é um componente chave dessa capacidade de viajar de um lugar a outro rapidamente.
Ao permitir que pessoas e mercadorias percorram milhas em poucas horas, a indústria da aviação conecta as pessoas como nenhum outro modo de transporte pode. Isso a torna um contribuinte significativo para a economia global, representando 3,5% do Produto Interno Bruto (PIB) mundial.
A indústria também sustenta um total de 86,5 milhões de empregos globalmente, com um tamanho de mercado estimado da indústria aérea global ultrapassando US$ 760 bilhões.
Notavelmente, as companhias aéreas em todo o mundo devem transportar aproximadamente 9,5 bilhões de passageiros em 2024, representando um aumento de 104% em relação aos níveis de 2019 e um crescimento de 9% em relação a 2023, segundo a ACI World. Esse crescimento deve acelerar ainda mais, com o tráfego de passageiros global projetado para alcançar 19,5 bilhões até 2042.
A indústria da aviação está claramente em expansão, e seu futuro é realmente promissor. Dito isso, ela também está contribuindo significativamente para as emissões de gases de efeito estufa (GEE).
Embora a aviação represente uma parcela relativamente pequena das emissões globais, em 2,5%, ela cresceu mais rapidamente que o ferroviário, rodoviário ou marítimo entre 2000 e 2019. Essa demanda aumentada por viagens internacionais após a pandemia de Covid-19 realmente levou as emissões da aviação a quase 950 Mt de CO2.
Não apenas as emissões da aviação estão crescendo em ritmo acelerado, como também são um dos setores mais desafiadores de descarbonizar, representando um desafio ambiental crítico.
Como resultado, o foco da indústria atualmente está na descarbonização de suas operações e na conquista do objetivo Net Zero, que envolve reduzir as emissões de CO2 a um nível que a natureza possa absorver até 2050.
Desbloqueando o Potencial do Hidrogênio para Aviação Sem Emissões
Com a aviação contribuindo com uma parcela notável de dióxido de carbono e emissões de trilhas de condensação globais, torna-se extremamente importante desenvolver soluções avançadas e abrangentes para atender às metas climáticas da indústria.
Uma solução promissora é o hidrogênio, o elemento químico mais leve e abundante do universo, que constitui cerca de 75% de toda a matéria normal.
Este elemento químico emergiu como uma ferramenta popular e valiosa de descarbonização graças à sua combustão limpa. É um combustível de queima limpa, pois produz apenas vapor d’água como subproduto quando queimado.
Além disso, a densidade de energia gravimétrica, ou energia disponível por unidade de massa de uma substância, do hidrogênio é aproximadamente 2,8 vezes maior que a do combustível de aviação convencional, o querosene. O hidrogênio realmente tem a maior densidade de energia gravimétrica de todas as substâncias conhecidas, ou seja, ~120 kJ/g. Em contraste, o combustível de jato à base de querosene tem uma densidade de energia de 43 MJ/kg.
No entanto, o hidrogênio tem baixa densidade em condições ambientes, ou seja, 0,08 kg/m³. Isso apresenta grandes desafios de armazenamento, especialmente para voos de longa distância.
Uma alternativa prática a isso é armazenar o gás incolor, inodoro e insípido em forma líquida a 20 K. Essa forma aumenta a densidade do hidrogênio para 휌퐿퐇2 = 70,8 kg/m³, que se tornou uma solução para aplicações aeronáuticas.
As empresas também exploraram vários aspectos da integração de hidrogênio líquido (LH2) em aeronaves, incluindo gerenciamento térmico, mecanismos de controle de pressão, estratégias de isolamento e o design de tanques criogênicos.
No entanto, um sistema holístico que integra armazenamento de LH2, gerenciamento térmico e controle de transferência em uma forma escalável ao design de aeronaves ainda está subexplorado.
Assim, uma equipe de pesquisadores do FAMU-FSU College of Engineering, que é uma faculdade conjunta de engenharia da Florida A&M University e da Florida State University, projetou um sistema de armazenamento e entrega de hidrogênio líquido que pode ajudar a indústria da aviação a alcançar seu objetivo de zero emissões.
Com apoio da NASA, o estudo delineou um sistema integrado e escalável que aborda múltiplos desafios de engenharia ao possibilitar o uso do hidrogênio como combustível limpo. Também é usado como meio de resfriamento incorporado para sistemas críticos de energia a bordo de aeronaves elétricas.
A equipe demonstrou que o hidrogênio líquido pode ser armazenado de forma eficiente, transferido com segurança e usado para resfriar sistemas críticos a bordo, ao mesmo tempo em que suporta as demandas de energia da aeronave durante as fases de decolagem, cruzeiro e pouso.
“Nosso objetivo foi criar um único sistema que lida com múltiplas tarefas críticas: armazenamento de combustível, resfriamento e controle de entrega. Este design estabelece a base para sistemas de aviação a hidrogênio do mundo real.”
Aeronave Híbrido-Elétrica a Hidrogênio: Solução de Propulsão Escalável
Publicado em Applied Energy1, o estudo assume a tarefa de reduzir as emissões de carbono e trilhas de condensação da indústria da aviação, que são contribuintes chave para a mudança climática, propondo um design inovador para um sistema de armazenamento de hidrogênio líquido, gerenciamento térmico e controle de sua transferência, customizado para a Aviação Integrada de Emissão Zero (IZEA).
O IZEA é uma colaboração acadêmico-industrial destinada a alcançar emissões zero de gases de efeito estufa na aviação comercial. Parceiros industriais incluem Raytheon Technologies, Boeing e Advanced Magnet Laboratories.
Em particular, essa colaboração examina a produção híbrida de energia através de uma combinação de células de combustível e geradores turboelétricos, utilizando hidrogênio com oxigênio concentrado ou ar ambiente.
O objetivo do IZEA é descobrir como usar o hidrogênio líquido como combustível e também aumentar a eficiência e potência sem aumentar o peso.
Eles selecionaram o FAMU-FSU College of Engineering para ajudar a desenvolver o sistema de aviação sustentável no final de 2022, como parte de um projeto de cinco anos e US$ 10 milhões.
Para cumprir a agenda nacional de sistemas de energia e propulsão de aeronaves comerciais para reduzir as emissões nocivas da indústria da aviação, a equipe do FAMU-FSU trabalhará com pesquisadores da University of Kentucky, da University at Buffalo, da Georgia Tech e parceiros industriais, conforme anunciado pelo IZEA há dois anos e meio.
Agora, a colaboração abordou a falta de um sistema holístico ao construir um sistema de propulsão baseado em hidrogênio, escalável e abrangente, para futuras aeronaves.
O projeto começa com voos regionais de curta distância para avaliar a viabilidade a curto prazo da aviação alimentada por hidrogênio líquido. O foco aqui está em um protótipo de aeronave com configuração de corpo de asa mesclada, que pode transportar 100 passageiros.
A aeronave híbrido-elétrica obtém energia tanto de células de combustível de hidrogênio quanto de geradores elétricos supercondutores de alta temperatura (HTS), que são acionados por turbinas de combustão alimentadas por hidrogênio.
As células de combustível oferecem uma solução para evitar emissões de NOx e trilhas de condensação, razão pela qual organizações como Airbus e CHEETA também estão investigando aeronaves alimentadas por células de combustível. No entanto, o problema com as pilhas atuais de células de combustível é que elas são extremamente volumosas, dificultando o fornecimento de energia a uma grande aeronave em todas as suas fases, particularmente durante a decolagem. Como solução para esse problema, a equipe introduziu a fonte de energia dupla.
As células de combustível são utilizadas em condições de baixa carga, como taxiamento e cruzeiro, com potência máxima de aproximadamente 6,8 MW. Enquanto isso, geradores supercondutores acionados por turbinas de hidrogênio fornecem a energia adicional (9,4 MW) necessária durante a decolagem. Essa combinação eleva a potência total para um pico de 16,2 MW e aumenta a resiliência ao proporcionar redundância de energia.
Para enfrentar o desafio da densidade, o hidrogênio sendo menos denso e ocupando muito espaço a menos que seja armazenado a -253°C como líquido superfrio, os pesquisadores projetaram tanques criogênicos e seus subsistemas associados usando um novo índice gravimétrico.
O índice é a razão entre a massa do combustível e o sistema completo de combustível, mas o índice da equipe inclui a massa do combustível de hidrogênio, estrutura do tanque, trocadores de calor, isolamento, fluidos de trabalho e dispositivos circulatórios.
Para encontrar a configuração que oferece a maior massa de combustível em relação à massa total do sistema, os pesquisadores continuaram ajustando parâmetros chave como pressão de ventilação e dimensões dos trocadores de calor até encontrarem a configuração ótima.
O layout ideal alcançou um índice gravimétrico de 0,62. Isso significa que 62% do peso total do sistema é combustível de hidrogênio utilizável, representando uma melhoria significativa em relação aos designs convencionais.
Para o gerenciamento térmico, outra função chave do sistema, os pesquisadores não instalaram um sistema de resfriamento separado, mas sim conduziram o hidrogênio extremamente frio através de trocadores de calor. Esses trocadores, organizados em sequência escalonada, removem o calor desperdiçado de componentes como cabos, motores, geradores supercondutores e eletrônica de potência. A absorção desse calor aumenta gradualmente a temperatura do hidrogênio.
Otimização da Entrega de Hidrogênio & Gerenciamento Térmico em Voo
Quando se trata de entregar hidrogênio líquido por toda a aeronave, isso apresenta seus próprios desafios. Por exemplo, bombas trazem não apenas peso extra, mas também complexidade ao sistema e podem gerar calor indesejado sob condições criogênicas.
Para superar esses desafios, a equipe desenvolveu um sistema sem bombas que utiliza a pressão do tanque para controlar o fluxo de combustível de hidrogênio.
A pressão é aumentada injetando gás de hidrogênio de um cilindro de alta pressão regular e diminuída ventilando vapor de hidrogênio. Para ajuste em tempo real da pressão, um loop de feedback conecta sensores de pressão às demandas de energia da aeronave, garantindo a taxa precisa de fluxo de hidrogênio em todas as fases de voo.
O sistema, segundo as simulações, é capaz de entregar hidrogênio a taxas de até 0,25 quilogramas por segundo. Essa taxa de entrega é suficiente para atender à demanda elétrica de 16,2 megawatts durante a decolagem ou em caso de emergência, quando a aeronave deve fazer um go‑around.
Com trocadores de calor organizados em ordem sequencial, à medida que o hidrogênio se move pelo sistema, o gás primeiro resfria componentes que operam em temperaturas criogênicas, como cabos e geradores HTS. Em seguida, absorve calor de componentes de temperatura mais alta, como motores e eletrônica de potência. Por fim, antes de chegar às células de combustível, o hidrogênio é pré‑aquecido para corresponder às condições ótimas de entrada das células de combustível.
É essa integração térmica escalonada que permite que o hidrogênio líquido seja usado tanto como combustível quanto como refrigerante, maximizando a eficiência do sistema enquanto minimiza a complexidade do hardware.
“Anteriormente, as pessoas não tinham certeza de como mover hidrogênio líquido de forma eficaz em uma aeronave e se também poderia ser usado para resfriar o componente do sistema de energia. Não apenas demonstramos que é viável, mas também mostramos que era necessário fazer uma otimização em nível de sistema para esse tipo de design.”
– Guo
O foco do estudo aqui foi a otimização de design e simulação de sistema. No próximo passo, os pesquisadores farão validação experimental. Para isso, a equipe construirá um sistema protótipo e então realizará testes no Center for Advanced Power Systems da FSU.
Em seu trabalho futuro, os pesquisadores também focarão no design dos trocadores de calor, presentes em cada loop de circulação, que transferem calor dos componentes para o fluido de trabalho. O estudo atual carece de especificações detalhadas para o material, tamanho e propriedades térmicas desses componentes.
Estratégias inovadoras de gerenciamento térmico também serão foco para resfriar as pilhas de células de combustível e lidar com a geração significativa de calor durante a operação. Esses avanços, segundo o estudo, são cruciais para refinar a arquitetura geral de gerenciamento térmico e garantir a implementação prática de tecnologias de aviação zero emissões.
Investindo em Tecnologias de Aviação Alimentadas por Hidrogênio
Quando se trata de investir no setor de aviação, RTX (RTX ) oferece uma oportunidade de alto potencial. A maior empresa de aeroespacial e defesa do mundo é um parceiro central da indústria na colaboração IZEA. Também possui extensos programas de P&D voltados para tecnologias de aviação sustentável, incluindo sistemas de células de combustível e alimentados por hidrogênio.
RTX Corp. (RTX )
RTX opera através de três principais segmentos:
- Collins Aerospace fornece produtos aeroespaciais e de defesa tecnologicamente avançados para companhias aéreas comerciais, fabricantes de aeronaves civis e militares, e operações espaciais.
- Pratt & Whitney fornece motores de aeronaves para clientes militares, gerais e comerciais.
- Raytheon desenvolve mísseis, armas inteligentes e capacidades avançadas de defesa aérea e antimíssil.
Através das divisões Collins Aerospace e Pratt & Whitney, a RTX está ativamente envolvida no desenvolvimento e teste de aeronaves alimentadas por hidrogênio e tecnologias relacionadas.
Isso inclui o programa HySIITE, que trabalha para permitir que a indústria da aviação use hidrogênio em escala. Patrocinado pela Advanced Research Projects Agency‑Energy do DOE, o projeto é otimizado para hidrogênio líquido e será concluído em dezembro de 2024. Os testes do equipamento HySIITE mostraram uma redução de 99,3% nas emissões de NOx em comparação com um motor GTF e até 35% de melhoria na eficiência energética.
Seus dois outros projetos, entretanto, continuam em andamento para impulsionar o futuro do hidrogênio na aviação. O Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), apoiado pela iniciativa conjunta indústria‑governo do Canadá, INSAT, está avançando o uso de hidrogênio para aeronaves turboélice. O COCOLIH2T, por sua vez, é apoiado pela Joint Undertaking de Hidrogênio Limpo da UE e está desenvolvendo uma forma de armazenar combustível.
Quanto ao desempenho de mercado da Raytheon, suas ações têm voado alto. As ações da empresa, com capitalização de mercado de US$ 183,64 bilhões na data deste texto, têm sido negociadas acima de US$ 137,50, um novo recorde histórico (ATH) e representando ganhos de 18,7% no ano até a data (YTD).
RTX Gráfico de preços
Tem havido crescimento constante nas ações da RTX nas últimas três décadas. As ações também subiram cerca de 21% desde as mínimas de abril. Com isso, seu EPS (TTM) é 3,41 e o P/E (TTM) é 40,31. A Raytheon também oferece um rendimento de dividendos atraente de 1,98%.
Quanto às finanças da empresa, ela relatou um desempenho forte no primeiro trimestre de 2025, com vendas aumentando 5% em relação ao ano anterior para US$ 20,3 bilhões e EPS ajustado de US$ 1,47. O fluxo de caixa operacional da Raytheon nesse período foi de US$ 1,3 bilhão, e o fluxo de caixa livre foi de US$ 0,8 bilhão, enquanto o backlog é de US$ 217 bilhões, incluindo US$ 92 bilhões em defesa e US$ 125 bilhões em comercial.
“Estamos começando 2025 com força. O ambiente atual é claramente muito dinâmico, mas nossa empresa está bem posicionada para operar e nossas equipes permanecem focadas em cumprir nossos compromissos e entregar nosso robusto backlog.”
– Presidente e CEO da RTX, Chris Calio
Para todo o ano de 2025, a empresa projeta vendas ajustadas entre US$ 83‑84 bilhões, EPS ajustado entre US$ 6,00 e US$ 6,15, e fluxo de caixa livre de US$ 7‑7,5 bilhões, observando que essas estimativas não cobrem o impacto das tarifas recentemente implementadas.
Em meio a tudo isso, a empresa recebeu um contrato de US$ 536 milhões da Marinha dos EUA nesta semana para a família de radares SPY‑6, que agora está instalada em dois de seus navios, com mais três prontas para instalação. Na próxima década, os radares serão implantados em mais de 60 navios da Marinha dos EUA.
Como parte do contrato, a Raytheon fornecerá suporte contínuo por meio de treinamento, instalação, integração e testes, além de atualizações de software para melhorar as capacidades do radar.
“O SPY‑6 é o radar mais avançado da frota naval dos EUA, proporcionando às embarcações um novo nível de defesa contra ameaças em evolução.”
– Barbara Borgonovi, presidente da Naval Power na Raytheon.
O 13º radar de defesa de mísseis AN/TPY‑2 também foi entregue à U.S. Missile Defense Agency, marcando a primeira unidade a apresentar um arranjo totalmente baseado em GaN, que melhora significativamente a sensibilidade e o desempenho do sistema.
Um contrato de US$ 1,1 bilhão também foi assegurado pela empresa para a fabricação e entrega de mísseis AIM‑9X Sidewinder. Com essa concessão, a Raytheon continua seu apoio de longo prazo ao programa Sidewinder, um sistema de mísseis de curto alcance amplamente usado globalmente.
Clique aqui para uma lista das principais ações de aeroespacial & defesa.
Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da RTX Corp. (RTX)
Considerações Finais: O Papel do Hidrogênio na Aviação Sustentável
O setor de aviação está crescendo rapidamente e contribuindo para o desenvolvimento econômico e social global, mas ao mesmo tempo está criando uma necessidade premente de enfrentar o problema das emissões de carbono e trilhas de condensação. Aqui, o hidrogênio, com sua alta energia química específica, emergiu como uma alternativa promissora de combustível limpo.
Com isso em mente, o estudo mais recente apresenta uma estrutura abrangente para projetar e otimizar um sistema de armazenamento de hidrogênio líquido, gerenciamento térmico e controle de transferência, demonstrando seu potencial para avançar tecnologias de aviação eficientes e sustentáveis.
Ao aproveitar o impacto positivo do hidrogênio nas mudanças climáticas e na qualidade do ar, a indústria da aviação agora tem um caminho viável para reduzir sua pegada de carbono, abrindo caminho para um futuro onde viagens de longa distância não custam ao planeta.
Estudos Referenciados:
1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Armazenamento de hidrogênio líquido, gerenciamento térmico e sistema de controle de transferência para aviação integrada de emissão zero (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054
