[ENTREVISTA] Prof. Beni Cukurel: Motores a reacción impresos en 3D, una revolución de las microturbinas de gas y el futuro de la energía

En un gran paso hacia el futuro de la generación de energía y la propulsión, un equipo dirigido por el profesor asociado Beni Cukurel en Technion – Instituto de Tecnología de Israel, ha diseñado una microturbina de gas utilizando fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D. Este desarrollo revolucionario presenta un enfoque ingenioso hacia el principio de "Diseño para la fabricación aditiva", desafiando significativamente los paradigmas de fabricación convencionales.

A diferencia de las técnicas de fabricación convencionales, el equipo de Cukurel y el laboratorio de Turbomaquinaria y Transferencia de Calor aprovecharon el potencial de la AM en su forma más pura. En sus palabras, "cuando se utiliza [AM] simplemente como otra técnica de fabricación, en realidad no se están aprovechando plenamente los beneficios de la fabricación aditiva". En lugar de simplemente integrar la AM como una herramienta alternativa, el equipo la reinventó como un recurso central, creando diseños a priori para satisfacer las limitaciones y aprovechar los beneficios de la AM.

En el centro de su investigación se encuentran las microturbinas de gas, diseñadas para una generación de energía proporcional. Cukurel define las microturbinas de gas como sistemas capaces de generar electricidad por debajo de los 300 kilovatios y con un empuje inferior a los dos kilonewtons. Adoptando el enfoque AM, el equipo comenzó su primer proyecto, una microturbina de gas a escala de 5 cm que podría proporcionar 300 vatios para un dron. La microturbina ofrece un aumento significativo del tiempo de vuelo debido a su mayor densidad de energía en comparación con las baterías convencionales.

El equipo no se detuvo en la microturbina de gas; aprovecharon aún más sus conocimientos de AM durante la crisis de COVID-19. Innovaron en un diseño de turbomaquinaria autoportante y preensamblada para ventiladores médicos. "Hicimos la transición de este conocimiento que desarrollamos en arquitecturas de turbomáquinas autoportadas preensambladas a turbinas de gas", dijo Cukurel.

El gran avance que ofrecen estas microturbinas de gas autoportantes y preensambladas depende de su disponibilidad bajo demanda y su rentabilidad. El coste principal se limita al tiempo de la máquina y al consumo de energía, lo que reduce considerablemente los gastos de producción.

Cukurel reconoció que un trabajo tan innovador sólo fue posible gracias a una colaboración fructífera con el Instituto von Karman de Dinámica de Fluidos, la Universidad Izmir Katip Celebi y PTC. En el proyecto financiado por la OTAN, cada parte aportó su experiencia única. El Instituto Von Karman proporcionó simulación de alta fidelidad para la aerodinámica y la combustión, la Universidad Katip Celebi de Izmir prestó sus conocimientos de dinámica de fluidos computacional para evaluar la capacidad de carga de los cojinetes hidrostáticos y PTC ofreció su amplio conocimiento en tecnologías AM, en particular a través de su potente CAD. Framework de diseño y simulación, Creo.

Optimización del rendimiento con la fabricación aditiva

Al abordar las limitaciones del diseño para la fabricación aditiva, Cukurel explica que comenzaron desarrollando un modelo de pedido reducido. En términos simples, este es un modelo optimizado que mantiene los aspectos cruciales del sistema original, pero lo simplifica para facilitar su análisis y uso.

En el diseño de un motor a reacción, tradicionalmente la aerodinámica ocupa un lugar central. El objetivo es alcanzar el máximo rendimiento en términos de termodinámica, lo que se traduce en relación empuje-peso y consumo específico de combustible, o en otras palabras, potencia y densidad energética. Sin embargo, este enfoque falla cuando se trata de motores miniaturizados.

“Lo que hemos creado son modelos de orden reducido que capturan todas las disciplinas presentes en el motor. Estos incluyen aerodinámica, transferencia de calor, dinámica de rotores y combustión, entre otros”, explica Cukurel. Piense en ello como condensar una sinfonía en una interpretación en solitario: es necesario mantener la esencia de la pieza y al mismo tiempo adaptarse a las capacidades del intérprete solitario.

Continúa detallando cómo han creado un entorno de optimización multidisciplinario que a priori conoce todas las limitaciones de la fabricación aditiva. Básicamente, esto significa que han diseñado un sistema que, desde el principio, comprende los límites de lo que puede crear. Es como un arquitecto experimentado que sabe que no debe diseñar un techo con ángulos demasiado pronunciados para que los materiales de construcción lo soporten.

Se han asegurado de que cada capa construida durante el proceso de fabricación sea autoportante y al mismo tiempo obedezca las limitaciones de la fabricación aditiva, que incluye consideraciones sobre ángulos de voladizo, espesores mínimos y porosidad, entre otros.

Cuando se le pregunta sobre el material utilizado en el componente del que estamos hablando, Cukurel confirma que es una pieza metálica impresa con una EOS M 290. "También utilizamos Lithoz para toda nuestra fabricación de cerámica", añade. Lithoz es una empresa de fabricación de cerámica de la que Cukurel habla muy bien y afirma que han brindado "un gran apoyo y entusiasmo con esta aplicación única de la tecnología".

Los componentes cerámicos, si bien son más difíciles de fabricar, ofrecen ventajas como tamaños de defectos más pequeños y acabados más suaves, lo que conduce a un mejor rendimiento aerodinámico. Este rendimiento se traduce en importantes ahorros en el consumo de combustible, de ahí el potencial atractivo de utilizar cerámica para componentes específicos.

Cukurel concluye enfatizando la importancia de alcanzar el objetivo de diseño conceptual, señalando que una desviación de tan solo el 5% puede afectar el ahorro de combustible o el empuje casi en el mismo margen. En el mundo del diseño de motores a reacción, incluso los puntos porcentuales más pequeños pueden generar cambios importantes. El rendimiento del compresor de las piezas cerámicas fue aerodinámicamente entre tres y cuatro puntos porcentuales mayor. "Sé que suena pequeño, pero sabes que la gente sacrifica a su primogénito por una diferencia del 1% en el rendimiento", dijo Cukurel.

¿El futuro de la energía se imprime en 3D?

El futuro de la energía podría ser reinventado por investigadores israelíes y su trabajo en motores preensamblados utilizando tecnología de impresión 3D. Su proyecto, centrado en la aplicación de microturbinas de gas en la generación de energía distribuida, está revolucionando los conocimientos convencionales sobre eficiencia energética y creando nuevas posibilidades para la sostenibilidad.

Cukurel ofreció dos aplicaciones distintas para la tecnología. En primer lugar, destacó el uso militar, en concreto los sistemas aéreos no tripulados. En este ámbito, la interrupción de la cadena de suministro es una preocupación importante, que podría dejar operaciones cruciales sin componentes esenciales como rodamientos durante seis a nueve meses. La tecnología de motores preensamblados evita este problema al eliminar por completo la necesidad de dicha cadena de suministro.

La segunda aplicación, y posiblemente más convincente, es la generación distribuida de energía. Las centrales eléctricas centralizadas convencionales tienen un límite de eficiencia energética de alrededor del 65%, lo que significa que el 35% de la energía generada simplemente se desperdicia. Cukurel propuso una solución que utiliza calor y energía combinados con microturbinas de gas distribuidas en las localidades.

Explicó además: “Las energías renovables son fuentes interrumpidas. No querrás confiar en si habrá viento hoy, ¿verdad? O habrá sol hoy. Quieres administrar tu fábrica pase lo que pase. Entonces, ¿cómo se puede tener una red ágil y robusta incluso cuando las energías renovables pueden estar produciendo o no?

Ágil en este contexto no significa correr por una pista. Se refiere a la capacidad de adaptarse y responder rápidamente a los cambios en la demanda de energía. En este caso, esos cambios son resultados impredecibles de las fuentes de energía renovables. Las plantas de energía centralizadas tradicionales no son exactamente Usain Bolt en esta carrera: no están diseñadas para cambios rápidos. Las pequeñas microturbinas de gas, sin embargo, sí lo son.

Si bien el potencial transformador de esta tecnología es evidente, un obstáculo importante reside en el retorno de la inversión. Tal como están las cosas, el costo de estas microturbinas de gas es demasiado alto para generar un retorno de la inversión satisfactorio en un plazo razonable. Sin embargo, la tecnología analizada aquí ofrece un avance potencial al reducir drásticamente los costos asociados.

Además, estos investigadores tienen planes de comercializar su trabajo. Se está preparando una escisión de Technion y se prevén asociaciones con actores de la industria e inversores estratégicos. Cukurel expresó su entusiasmo por el posible impacto social de su trabajo, particularmente al permitir que las microturbinas de gas quemen amoníaco, lo que podría actuar como un combustible renovable, ecológico y libre de carbono. Explicó apasionadamente: “Olvídate de todo este trabajo que te he mencionado. Bien, el solo hecho de poder tener una microturbina de gas que quema amoníaco, en términos de sostenibilidad, es un gran avance”.

El amoníaco se ha utilizado como combustible antes, especialmente durante la Segunda Guerra Mundial en Bélgica, pero los diseños de las cámaras de combustión de las turbinas de gas han cambiado significativamente desde entonces. La tecnología que Cukurel y su equipo han desarrollado (una cámara de combustión de medios porosos) es particularmente adecuada para quemar amoníaco. Si bien no inventaron la cámara de combustión de medios porosos, son los primeros en aplicarla a este paisaje.

Con mi curiosidad suficientemente picada, profundicé en la mecánica de la combustión de amoníaco.

Energía sostenible mediante motores de amoniaco

Los motores propulsados ​​por amoníaco en tiempos de guerra presentaban una serie de desafíos, principalmente su sensibilidad al combustible y una falta general de flexibilidad. Por eso Cukurel y su equipo encontraron en las turbinas de gas una tecnología más apropiada para su proyecto.

“En las turbinas de gas”, explicó Cukurel, “la mayoría de los diseños de cámaras de combustión utilizan una tecnología completamente diferente. Optimizan la vaporización, luego tienen estos tubos de dilución para medir el combustible e introducen los gases calientes en la turbina”. Lo que distingue al equipo de Technion es su aplicación única de una tecnología específica: la cámara de combustión de medios porosos. Esta es la primera vez que se aplica a microturbinas de gas que queman amoníaco, lo que hace que su trabajo sea innovador.

Desmitifiquemos el término "combustión de medios porosos". Es un tipo especial de cámara de combustión en la que la mezcla de combustible y aire se quema dentro de un medio poroso, creando una combustión altamente eficiente y con bajas emisiones. Esto no es algo nuevo; existe desde hace al menos 50 años, con métodos de fabricación tradicionales que implican sumergir espumas en una suspensión cerámica y luego sinterizarlas. Sin embargo, como señala Cukurel, esto “no da control sobre la porosidad y cómo se distribuye en la dirección del flujo”.

El gran avance radica en la aplicación de la fabricación aditiva. Tuve la suerte de observar una de estas cámaras de combustión y lo que me llamó la atención fue su forma de rosquilla con una estructura reticular orgánica en forma de burbuja en su interior. La porosidad de esta estructura cambia en la dirección del flujo, que en este caso es radialmente hacia dentro. Aquí es donde entra en juego la utilidad de la impresión 3D, ya que permite controlar el gradiente de porosidad que es imposible de lograr con las técnicas de fabricación tradicionales.

Cukurel también es coautor de un artículo reciente que proporciona un análisis exhaustivo del diseño, la producción, el ensamblaje y las pruebas de alta velocidad de rotores monolíticos utilizando técnicas de fabricación cerámica basada en litografía (LCM) y fusión selectiva por láser (SLM). Titulado Fabricación aditiva de cerámica y metal de rotores monolíticos de sialon e Inconel y comparación del rendimiento aerodinámico para microturbinas a escala de 300 W, este es el primer estudio que compara directamente componentes de microturbomaquinaria fabricados con estos métodos utilizando diagnósticos de control de calidad aerodinámico y de fabricación. El artículo examina las implicaciones aerodinámicas del diseño de turbinas y compresores sin soporte, formula consideraciones detalladas de fabricación y parámetros de proceso tanto para LCM como para SLM, y realiza análisis de calidad de las piezas mediante exploraciones de superficie y CT, así como micrografía SEM. Los resultados revelan que los rotores LCM exhiben mayor detalle geométrico, mejor acabado superficial, menos artefactos superficiales relacionados con la fabricación y menor porosidad en comparación con los rotores SLM.

Estos conceptos innovadores y aplicaciones futuras podrían cambiar el mundo tal como lo conocemos. Mientras enfrentamos la amenaza existencial del cambio climático, innovaciones como éstas no sólo son intrigantes; pueden ser cruciales para nuestra supervivencia.

Lea más en nuestra serie de entrevistas aquí:

Peter Hansford, CRO de Wayland Additive, resolviendo un problema de 20 años

Ali Forsyth, director ejecutivo de Alloy Enterprises, fabricación aditiva de metales y disrupción

Katie Snediker, directora ejecutiva de Jett3D, encuentra un nicho rentable en la impresión 3D

Paul Powers, fundador de Thangs y Physna, sobre la transformación del mercado de intercambio de archivos de diseño 3D

Nadav Goshen, director ejecutivo de UltiMaker sobre Thingiverse, herramientas de inteligencia artificial y un mensaje a la comunidad de impresión 3D

¿Qué depara el futuro de la impresión 3D?

¿Qué desafíos de ingeniería deben abordarse en el sector de la fabricación aditiva en la próxima década?

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Los proyectos mencionados anteriormente fueron apoyados de la siguiente manera:

Ultra micro turbina de gas (UMGT) a escala de 5 cmLa actividad ha sido financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU.Motor microturborreactor (APE) preensamblado fabricado con aditivos

El Laboratorio de Turbomaquinaria y Transferencia de Calor del Instituto de Tecnología Technion-Israel ha estado liderando el proceso multidisciplinario de diseño de turbomaquinaria en colaboración con PTC, el Instituto von Karman de Dinámica de Fluidos y la Universidad Izmir Katip Celebi. La actividad ha sido financiada en parte por el Programa OTAN-Ciencia para la Paz y la Seguridad.

Las ideas de la investigación se materializaron en el modelado digital y el diseño basado en simulación de toda la topología del motor en Creo, un software CAD de tecnología PTC. Además, EOS Systems ayudó a completar el hilo digital mediante la implementación del proceso eficiente de fabricación aditiva. Utilizando polvo de Inconel 718, la prueba geométrica final de los demostradores de concepto fue impresa por el Instituto Israelí de Tecnologías de Fabricación de Materiales, afiliado a la Fundación de Investigación y Desarrollo de Technion, en la EOS M290 y por EOS Systems en las impresoras EOS M300.

Combustión de amoníaco en medios porosos

Colaboración con Asst. Prof. Joe Lefkowitz

La actividad ha sido financiada por el Ministerio de Energía de Israel

La imagen destacada muestra un demostrador de tecnología geométrica de un motor microturborreactor preensamblado fabricado aditivamente. Foto vía laboratorio Technion Turbomachinery y Heat Transfer.

Michael Petch es el editor jefe de 3DPI y autor de varios libros sobre impresión 3D. Es un orador principal habitual en conferencias de tecnología donde ha realizado presentaciones como la impresión 3D con grafeno y cerámica y el uso de la tecnología para mejorar la seguridad alimentaria. Michael está más interesado en la ciencia detrás de la tecnología emergente y las implicaciones económicas y sociales que la acompañan.