¿Cómo lograr vuelos sostenibles? El dilema que enfrentan los ingenieros al crear aviones sin emisión de CO2

Volar largas distancias es una actividad habitual para millones de personas en todo el mundo. Lamentablemente, impulsar un avión por el aire a una velocidad cercana a la del sonido requiere una enorme cantidad de energía y, en la actualidad, solo los combustibles fósiles tienen la potencia necesaria. Por supuesto, eso hace que volar sea un factor importante del cambio climático.

Los viajes aéreos generan alrededor del 2.5 % de las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2), y dan lugar a nubes de gran altitud y a otros gases de efecto invernadero que aumentan su impacto climático. El costo ambiental de volar aumentará en las próximas décadas, y se prevé que el total de kilómetros recorridos por pasajeros aumente alrededor del 3 % al año, más del doble en 25 años (o sea entre ahora y el 2050).

Lamentablemente, reemplazar los combustibles fósiles en los aviones por una alternativa verdaderamente sostenible resulta extremadamente difícil. Las baterías no son de mucha utilidad para los viajes aéreos; contienen relativamente poca energía para su peso. Incluso con proyecciones optimistas de mejora del rendimiento, es poco probable que los aviones propulsados por baterías puedan volar más de unos pocos cientos de kilómetros.

Por lo tanto, algunos ingenieros están explorando formas de fabricar sustancias similares al combustible para aviones actual, sintetizándolas desde cero o elaborándolas a partir de desechos o cultivos. Otros están rediseñando aviones para que quemen hidrógeno como combustible.

Aun así, estos enfoques enfrentan serios desafíos, ya sea que requieran una revisión drástica de la infraestructura aeroportuaria o que compitan por los recursos con otros esfuerzos de descarbonización.

El desafío de la aviación sostenible está atrayendo una gran cantidad de inversiones y de capacidad intelectual, así como de políticas gubernamentales destinadas a incentivar el desarrollo. Pero las innovaciones que surgen de estos esfuerzos enfrentan algunas disyuntivas espinosas, y no está nada claro cuándo nos proporcionarán vuelos respetuosos con el medio ambiente.

Energía fósil "falsa": combustibles de aviación sostenibles (SAF)

La mayor parte del combustible para aviones se basa en una forma de queroseno (kerosene), una mezcla de hidrocarburos derivados del petróleo crudo que es un poco más ligero que el diésel pero más pesado que la gasolina.

El combustible para aviones tiene una alta densidad energética y funciona bien en el amplio rango de temperaturas que se necesitan en la aviación, pero claro, daña profundamente al ambiente.

Los combustibles de aviación sostenibles (SAF, por sus siglas en inglés) tienen como objetivo igualar estas propiedades pero con menores emisiones de CO2. Los SAF se producen a partir de biomasa o se sintetizan químicamente mediante la reacción del hidrógeno con CO2. Su composición es similar a la del querosene, por lo que no es necesario rediseñar sustancialmente los aviones o la infraestructura.

Los planes de negocios de los fabricantes y las aerolíneas parten del supuesto de que los SAF dominarán la aviación en las próximas décadas. En Europa, se examinan escenarios en los que los SAF representarán el 90 % del uso total de combustible en 2050.

Los SAF de origen biológico se generan mediante una variedad de procesos a partir de diferentes de materias primas. Los aceites vegetales, por ejemplo, se pueden tratar con hidrógeno, o los cultivos se pueden fermentar para producir etanol. Luego, este se combina en moléculas más grandes y se enriquece con un poco más de hidrógeno mediante el uso de catalizadores.

El uso de alimentos o cultivos en buenas tierras agrícolas probablemente limitará los suministros de alimentos y causará indirectamente la deforestación en otras partes, ya que los agricultores luchan por obtener más tierras. Las algas marinas y otras algas podrían permitir ampliar el suministro de biomasa, pero en este momento no está claro si podría satisfacer la demanda de la aviación.

Otra opción son los residuos de la silvicultura y la agricultura. El tejido vegetal resistente y rico en lignocelulosa se puede convertir en combustible mediante procesos como la pirólisis (calentamiento en ausencia de oxígeno), pero los métodos existentes son costosos.

Los residuos son relativamente abundantes, se estima que, junto con otros desechos, estos residuos podrían proporcionar hasta 100 trillones de julios de energía al año, suficiente para satisfacer las necesidades de la aviación y otros sectores difíciles de reducir en 2050.

Sin embargo, se trata de una táctica arriesgada, porque aunque los residuos pueden parecer desechos, los estudios sugieren que en realidad pueden ser vitales para flujos saludables de nutrientes, agua y carbono. La creación de un nuevo gran mercado para los residuos también podría expandir la silvicultura comercial, lo que podría aumentar las emisiones y dañar la biodiversidad.

Además, el uso de residuos aceleraría su liberación de CO2. Si se dejan donde caen, los residuos pueden tardar décadas en descomponerse; su uso para biocombustibles acelera la emisión de CO2. Por querer solucionar este enorme problema ambiental de esta forma podríamos estar creándonos uno peor. Dado que, lógicamente, los residuos tampoco son en nuestro planeta un “recurso” ilimitado inofensivo.

En búsqueda de combustibles sintéticos “e-fuels”

Si el biocombustible no satisface la demanda, una alternativa sintética podría ser la solución. Algunos investigadores ven potencial en el combustible de hidrocarburos elaborado a partir de hidrógeno y CO2, sobre todo porque depende de un recurso (el CO2) que es lamentablemente abundante.

Para que sea respetuoso con el clima, el CO2 debe extraerse de la atmósfera y el hidrógeno debe ser “verde”, es decir, generado mediante el uso de electricidad renovable para dividir el agua (razón por la cual estas formas de SAF se conocen como electrocombustibles o e-fuels). En principio, esto podría ampliarse para suministrar tanto combustible de aviación como necesitemos, aparenta ser una muy buena alternativa.

Desafortunadamente, producir hidrógeno verde y capturar CO2 requiere el uso de mucha electricidad renovable, energía que podría usarse directamente para reemplazar la electricidad generada a partir de combustibles fósiles, y todo pierde sentido, pues los e-fuels son muy ineficientes, se pierde la mayor parte de la energía que se utiliza.

Enterrando CO2

Otra opción que surge es la de seguir usando el combustible fósil queroseno y equilibrar las emisiones con eliminaciones de carbono a largo plazo, como por ejemplo enterrar el CO2 capturado en un almacenamiento geológico.

Claramente esto también podría ser riesgoso, puede que sea la opción más barata, pero se necesita poder verificar las eliminaciones y estar seguros de que no se apagarán si hay una crisis financiera transitoria, dice. Es más, las eliminaciones duraderas pueden no aumentar lo suficientemente rápido para satisfacer la demanda.

Vuelos ligeros: ¿podría usarse el hidrógeno puro como combustible?

El elemento más ligero de la naturaleza es el hidrógeno, y tiene más energía por kilo que cualquier otro combustible químico, sería ideal para viajes aéreos, donde el peso es un factor importante, y la quema de hidrógeno no libera CO2.

Un desafío mayor es que la baja densidad del hidrógeno hace que sea extremadamente difícil llevar suficiente a bordo. El elemento se puede meter en recipientes de alta presión, pero estos tanques son pesados. Un avión necesitaría llevar alrededor de 9 toneladas de tanque por cada tonelada de combustible, demasiado para viajes de larga distancia.

Los aviones de pasajeros podrían usar hidrógeno licuado, enfriado a 20 K (-253 °C). Los tanques para hidrógeno líquido no necesitan ser ultrarresistentes, pero sí necesitan estar bien aislados, ser duraderos y herméticos, todo con un peso mínimo. Se puede tener un avión más ligero, con motores más pequeños.

Con el tiempo, podría tener más sentido rediseñar radicalmente los aviones para acomodar los tanques más grandes. Una posibilidad es el cuerpo de ala combinada de aspecto futurista, una forma triangular que también sería más eficiente aerodinámicamente que el diseño convencional de ala tubular.

Otro punto es que la industria de la aviación necesitaría producir enormes cantidades de hidrógeno verde y transportarlo a los aeropuertos. Camiones cisterna podrían transportar el material a los aeropuertos pequeños, pero los grandes necesitarían tuberías presurizadas enormes.

También se necesitan plantas de licuefacción masivas en los aeropuertos, y eso requieren mucha energía, además de tanques de almacenamiento y nuevos sistemas de reabastecimiento de combustible, todo esto requeriría una gran inversión.

La seguridad es otro factor decisivo porque el hidrógeno es excepcionalmente peligroso. Sólo se utiliza en el sector industrial bajo regulaciones onerosas que mantienen las cosas seguras. Es invisible y difícil de detectar si hay fugas. Si bien el peligro se puede mitigar, pero los procedimientos de seguridad tendrían que cambiar.

Dado que el mundo tiene cantidades limitadas de producción de energía renovable, por el momento tiene más sentido utilizar esa energía para descarbonizar la electricidad, la calefacción y el transporte terrestre. “La aviación con hidrógeno es lo que se hace después de haber descarbonizado esas otras cosas”, concuerdan la mayoría de los especialistas a los que se consulta.

Por el cuidado ambiental, y otras razones…

Existe otra otra razón por la que las aerolíneas quieren reemplazar el queroseno, y es porque cuando se destila petróleo crudo, solo alrededor del 10 % del producto es queroseno. Cuando otras industrias se descarbonicen, reduciendo la demanda general de petróleo, es probable que eso reduzca la disponibilidad de queroseno.

Referencia de la noticia:

Stephen Battersby. Greener skies? The quest for sustainable flying. PNAS. 20 de febrero de 2025.