El proyecto MAI-TAI sobre prevención de acumulación de hielo en los aviones, perteneciente al Plan Estatal de Investigación y desarrollado por un consorcio de cuatro centros coordinados por la Universidad Pública de Navarra (UPNA), ha conseguido desarrollar una serie de soluciones técnicas para este problema, que puede afectar a la seguridad de las aeronaves. Además de la UPNA, integran el consorcio el Centro Tecnológico del Plástico (AIMPLAS), la Asociación de la Industria Navarra (AIN) y el Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA). Para el desarrollo de la investigación, que se ha prolongado durante cuatro años, el consorcio ha contado con el asesoramiento de Airbus Defence & Space.
Tal y como se explica desde el equipo investigador, perteneciente al Instituto INAMAT2 de la UPNA y liderado por el catedrático Rafael Rodríguez Trías, la formación de hielo y su acumulación en aeronaves presenta problemas que afectan seriamente a la seguridad en el vuelo, con consecuencias catastróficas en algunos casos, como el cambio de las superficies aerodinámicas, la inutilización de sondas o los daños en los motores, además de dar lugar a un mayor consumo de energía.
Para combatirlo, hay dos tipos de sistemas de protección contra el hielo (IPS): los activos, que requieren algún tipo de calentamiento local o de impulsos mecánicos, y los pasivos, basados en las propiedades superficiales de los materiales y recubrimientos empleados. “En la actualidad, se emplean principalmente una variedad de sistemas activos, entre los que se encuentran los electrotérmicos, los electromecánicos o los electropulsivos”, explica el consorcio. “El inconveniente que presentan es que consumen demasiada energía, aportan peso y requieren de la instalación y mantenimiento de estructuras complejas en las aeronaves. Por otra parte, las soluciones basadas en el empleo y consumo de productos anticongelantes tampoco son ambientalmente recomendables”, indican.
En este contexto, dentro del proyecto MAI-TAI (Multidisciplinary Approach for the Implementation of new Technologies to prevent Accretion of Ice on aircrafts) se han explorado y desarrollado un conjunto de nuevas soluciones basadas en estrategias activas, pasivas e híbridas, así como también se han diseñado nuevas metodologías de validación y ensayo de dichas soluciones en túnel de hielo (IWT). Además, el consorcio ha puesto en marcha la Plataforma Española del Hielo, que ha organizado hasta la fecha tres talleres dirigidos a empresas de diversos sectores, más allá del aeronáutico, dado que muchos de los desarrollos realizados son de interés para aplicaciones en aerogeneradores, tendidos eléctricos o infraestructuras diversas.
Una imagen del equipo investigador MAI-TAI reunido en junio en el campus de Arrosadia de la UPNA.
Detalle de las soluciones propuestas a la acumulación de hielo
Como soluciones pasivas, el trabajo se ha centrado en aumentar la hidrofobicidad de las superficies, haciéndolas repelentes al agua, así como a reducir la nucleación y adhesión del hielo. De este modo, el consorcio ha desarrollado y ensayado recubrimientos hidrofóbicos depositados por procesos de proyección térmica, spray coating, spin coating, LbL, sol-gel y electrospinning, consiguiendo ángulos de contacto superhidrofóbicos que han llegado, en el caso de combinaciones basadas en baja energía superficial y rugosidad jerarquizada, hasta ángulos de contacto de 170º y de deslizamiento inferiores a 5º. Además, el empleo de soluciones tipo SLIPS basadas en recubrimientos por electrospinning infusionados ha conseguido adherencias del hielo cuatro veces inferiores a la de los recubrimientos teflonados de referencia.
Como soluciones activas, se han desarrollado recubrimientos basados en calentamiento por “efecto Joule” (gracias al empleo de cargas carbonosas o metálicas) y por inducción magnética (mediante el empleo de nanopartículas magnéticas basadas en el hierro y óxidos metálicos), consiguiéndose consumos de 16 kW/m2 para el modo anti-icing, que mejoran el objetivo planteado en el proyecto de bajar de 20kW/m2. Además, se ha conseguido el desprendimiento del hielo en modo de-icing en 4,4 segundos con un consumo de 45 kW/m2, por debajo de la referencia estándar (50 kW/m2).
La combinación de estas estrategias activas y pasivas ha dado lugar a soluciones híbridas que han mejorado los resultados anteriores, tanto limitando el crecimiento del hielo como facilitando su desprendimiento, en menor tiempo y con menor consumo de energía. “Por ejemplo, la combinación de recubrimientos pasivos con un activo termoeléctrico ha conseguido disminuir el consumo en modo de-icing hasta un 76% respecto a las pinturas comerciales de referencia que se emplean actualmente”, explica el equipo investigador.
El consorcio ha desarrollado, además, nuevos métodos de ensayo en túnel de hielo para la monitorización del crecimiento y desprendimiento de las capas de hielo en condiciones que simulan los distintos entornos climáticos y ha llevado a cabo un estudio completo de durabilidad de las distintas soluciones propuestas.