Tecnología inspirada en la naturaleza para llevar el transporte hacia cero neto
Alcanzar el cero neto solo se logrará en parte al cambiar a otras formas de energía. También significará tener una eficiencia mucho mayor en las aplicaciones que emiten carbono. Esto es especialmente cierto en el sector del transporte, que busca inspiración en la naturaleza.
Desde que comenzó la primera vida en la Tierra hace aproximadamente 3.800 millones de años, la naturaleza ha creado ecosistemas capaces de sustentar miles de millones de formas de vida en escalas de tiempo geológicas para poblar efectivamente cada parte del planeta.
Pero nuestra especie, relativamente nueva, está empujando estos sistemas al punto de ruptura después de unos pocos siglos de desarrollo industrial. Para salvar nuestro planeta, debemos deshacernos de los combustibles fósiles y hacer un cambio rápido hacia el cero neto, por lo que la cantidad de gases de efecto invernadero producidos es igual a la cantidad eliminada de la atmósfera, y aprender de la naturaleza en lugar de destruirla.
La Agencia Internacional de Energía (AIE) dice que el transporte tiene la mayor dependencia de los combustibles fósiles de cualquier sector, lo que representa el 15 por ciento de las emisiones antropogénicas netas totales de gases de efecto invernadero, según un informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático.
Para reducir las emisiones nocivas, los ingenieros se están inspirando en la naturaleza para idear tecnologías más ecológicas, lo que incluye ayudar a las formas de transporte actuales, desde automóviles hasta aviones, a evolucionar y avanzar hacia el cero neto.
Las ventas de coches eléctricos se están acelerando. De hecho, se vendieron tantos eléctricos cada semana en 2021 como la cantidad total vendida en todo 2012 (120.000), informa la AIE.
Para 2030, los vehículos eléctricos (EV) representarán casi un tercio (32 por ciento) de la cuota de mercado total para las ventas de automóviles nuevos, según un informe. Deloitte pronostica que su número aumentará de 2,5 millones en 2020 a 11,2 millones en 2025 y 31,1 millones en 2030. Sin embargo, todos necesitarán baterías que requieran minerales e infraestructura para cargarlas, o celdas de combustible si funcionan con hidrógeno.
Los ingenieros se están inspirando en la naturaleza en un intento por satisfacer la demanda futura. Una empresa emergente llamada SolarBotanic ha diseñado «árboles» fotovoltaicos que algún día cargarán vehículos eléctricos. Su objetivo era idear una alternativa estéticamente atractiva, funcional y asequible a los paneles solares convencionales que se vería (casi) tan agradable como un árbol natural en un estacionamiento o jardín delantero, e imitaría a la naturaleza para revertir cientos de años de daño ambiental. .
Las células fotovoltaicas necesarias para un árbol han sido probadas en laboratorio y se está desarrollando un prototipo funcional. La startup ya llegó a un acuerdo con RAW Charging, uno de los mayores proveedores de soluciones de carga de vehículos eléctricos del Reino Unido, para suministrar inicialmente 200 árboles solares de marca compartida como parte de su red de sitios comerciales de carga de vehículos eléctricos que se están implementando actualmente en todo el Reino Unido y Europa. Las entregas comenzarán a mediados de 2023 y se completarán en 2024.
La empresa se dirige principalmente a aparcamientos comerciales que requieren puntos de recarga de vehículos eléctricos en lugares donde la apariencia importa, como parques empresariales premium, sedes corporativas, hoteles, aeropuertos y zonas residenciales. SolarBotanic dice que tiene más de 25 millones de libras esterlinas en su cartera de ventas desde su lanzamiento hace seis meses. “Es poco probable que nuestro desafío sea el mercado, pero más nuestra capacidad de crecer lo suficientemente rápido para satisfacer una demanda claramente incipiente”, dice Chris Shelley, director ejecutivo de SolarBotanic.
Si bien la energía fotovoltaica en forma de árbol podría hacer que cargar su automóvil eléctrico sea conveniente y estéticamente agradable para fines de la década, la carrera está en marcha para lograr que los consumidores adopten los automóviles impulsados por hidrógeno. Los vehículos eléctricos de pila de combustible de hidrógeno, que no emiten más que agua por el tubo de escape, tienen el potencial de revolucionar la forma en que conducimos, pero requieren una infraestructura diferente a la de los vehículos eléctricos, en forma de estaciones de servicio de hidrógeno. Actualmente, solo hay dos modelos de automóviles propulsados por hidrógeno ampliamente disponibles, pero BMW sigue apostando por la tecnología. Es posible que algún día estos vehículos superen a los autos eléctricos, porque recargar un auto de hidrógeno es similar a llenarlo con gasolina: solo lleva cinco minutos en lugar de esperar a que se recargue la batería.
Las pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) convierten la energía química en energía eléctrica de forma continua y pueden utilizar hidrógeno producido potencialmente a partir de recursos renovables, lo que las convierte en una solución atractiva para la energía sostenible en nuestra carrera hacia el cero neto. Sin embargo, para que estas pilas de combustible se comercialicen, los expertos deben superar los desafíos relacionados con la eficiencia y la robustez, incluida la garantía de una distribución uniforme del gas en la capa del catalizador.
Un equipo del Centro de Ingeniería Inspirada en la Naturaleza (CNIE) de la UCL, dirigido por Marc-Olivier Coppens en colaboración con el Laboratorio de Innovación Electroquímica de la UCL, se ha inspirado en la arquitectura eficiente de los pulmones humanos para crear una celda de combustible.
“La naturaleza y la tecnología a menudo difieren, por lo que las adaptaciones son esenciales. Adoptamos y adaptamos las lecciones de la naturaleza para ayudarnos a descubrir soluciones disruptivas para abordar los Grandes Desafíos, como nuestros apremiantes objetivos de cero emisiones netas”, dice el profesor Coppens.
La distribución uniforme del gas en los pulmones se logra mediante una estructura fractal que une los bronquios con los alvéolos con una pérdida mínima de energía. La celda de diseño inspirada en la naturaleza del equipo toma prestadas ideas de estos atributos para que el electrocatalizador se utilice de manera óptima homogeneizando el transporte y minimizando las limitaciones de difusión. Esto no solo reduce la necesidad de costosos metales nobles, como el platino, sino que aumenta la potencia que puede entregar la celda de combustible.
El equipo también se inspiró en los lagartos del desierto como los diablos espinosos, que usan la acción capilar para el transporte pasivo de agua a lo largo de su piel texturizada, por lo que no tienen que bajar sus cabezas puntiagudas para extraer agua de la arena fangosa.
Implementaron este mecanismo inspirado en los lagartos para controlar la humedad de la celda de combustible, gestionando el agua que se produce en el cátodo para un rendimiento óptimo sin inundaciones, que es un problema que dificulta otros diseños. Su celda de combustible PEM se puede imprimir en 3D o ensamblar a partir de placas de circuito impreso baratas, lo que permitiría escalar fácilmente la fabricación.
“Muchos de los socios industriales de la CNIE han mostrado interés en el diseño de celdas de combustible, pero también en la metodología de solución inspirada en la naturaleza que ejemplifica, lo que ha estimulado colaboraciones en otros temas relacionados con la intensificación de procesos, la energía y la tecnología ambiental”, dice Coppens.
John McCall, director del Centro Nacional Submarino, está involucrado en el modelado del transporte como un sistema natural. Él y su equipo utilizan la computación inspirada en la naturaleza, una forma de inteligencia artificial que se basa en cómo se organiza el mundo natural en lugar de recrear el razonamiento humano, para desarrollar soluciones que minimicen la necesidad de vehículos, reduzcan las distancias de viaje y carguen y enruten de manera eficiente las cargas a reducir la huella de carbono del transporte.
El equipo utiliza tres tipos principales de computación inspirada en la naturaleza:
Algoritmos genéticos, que imitan la evolución natural para «evolucionar» los diseños para encontrar las mejores soluciones para un problema en particular.
Algoritmos de enjambre, que usan partes móviles pequeñas y simples pero interconectadas para construir soluciones a problemas complejos, como bandadas de pájaros que encuentran rutas eficientes o enjambres de insectos que trabajan juntos para realizar tareas. Este es un enfoque ideal, porque el transporte es como un sistema de enjambre natural, con muchas partes móviles individuales que juntas tienen un gran impacto, como la congestión y la contaminación.
Optimización de colonias de hormigas, donde los algoritmos encuentran caminos óptimos de manera similar a como las hormigas buscan comida. Los algoritmos siguen rastros digitales y recompensan los rastros valiosos mediante el establecimiento de feromonas artificiales para que las sigan las ‘hormigas’ artificiales. Poco a poco van encontrando buenas soluciones siguiendo los mejores caminos.
El equipo utiliza una batería de algoritmos para encontrar las soluciones más eficientes a problemas como dónde ubicar mejor un parque eólico o programar embarcaciones en una cadena de suministro compleja. «Para un planificador humano, estas son tareas muy difíciles», explica el profesor McCall, «pero si utiliza un enjambre de partículas, un algoritmo genético o un enfoque de colonia de hormigas, puede explorar muchas opciones y estos procesos iterativos descubrirán buenas soluciones».
El equipo exploró cómo crear un ecosistema resistente y más eficiente de 24 pequeños productores de alimentos y bebidas y sus proveedores de logística en las Tierras Altas de Escocia, donde las dificultades logísticas y las difíciles condiciones geográficas pueden dificultar y hacer menos rentable la comercialización de productos. Las rutas elaboradas también crean más contaminación. Se recopiló información sobre la frecuencia de la logística, así como los requisitos de los productores. Luego, los investigadores aplicaron algoritmos de enjambre a los datos anónimos para agrupar cargas de manera eficiente. Los resultados del piloto de tres meses indicaron que dicho enfoque podría generar reducciones de emisiones de carbono del 20-40 por ciento, así como una mayor resiliencia en la cadena de suministro.
A lo largo de los años, el equipo ha trabajado con empresas de transporte, operadores en alta mar, especialistas en logística y autoridades portuarias para crear sistemas de software que ayuden a planificar y gestionar redes logísticas de carga complejas. McCall analizó las operaciones de siete operadores en el Mar del Norte durante un año, incluida la información histórica de posicionamiento de embarcaciones. Utilizaron una variedad de algoritmos para mostrar que las empresas podrían haber completado su trabajo con un 40 % menos de embarcaciones, lo que ahorraría aproximadamente un 40 % de las emisiones. Dado que el funcionamiento de una embarcación marina grande cuesta aproximadamente $ 12,000 por día, el uso de algoritmos podría ahorrar millones, si no miles de millones de dólares si se usa ampliamente.
“La tecnología tiene el potencial de lograr reducciones significativas a nivel mundial en las emisiones y, debido a que está basada en software, puede implementarse rápidamente con efecto inmediato”, agrega McCall.
Los ingenieros aeronáuticos también se están inspirando en la naturaleza para hacer que los aviones sean más eficientes. Por ejemplo, a principios de este año, Airbus completó las pruebas en túnel de viento de su demostrador eXtra Performance Wing, que se inspira en las aves para mejorar la aerodinámica y el rendimiento de las alas. El diseño pretende ser compatible con cualquier futura configuración de aeronave y sistema de propulsión para reducir las emisiones de carbono.
«El modelo de túnel de viento parcialmente impreso en 3D… es una versión reducida del jet Cessna, que incorpora el diseño liviano y de gran envergadura del ala de rendimiento eXtra que brindará los beneficios de emisiones por los que nos esforzamos», dice Oliver Family, jefe de eXtra Performance Wing UK.
El proyecto se basa en otro, AlbatrossONE, que probó alas articuladas semiaeroelásticas que, al igual que las aves marinas, se desbloquean durante el vuelo cuando experimentan ráfagas de viento o turbulencias. Las puntas de las alas que aletean libremente, que son capaces de reaccionar y flexionarse a las ráfagas de viento, tienen el potencial de aliviar las cargas de las alas y evitar la entrada en pérdida de las puntas para mejorar el rendimiento de la aeronave. Además, eXtra Performance Wing también examinará las tecnologías a bordo, como sensores de ráfagas, spoilers emergentes y bordes de fuga multifuncionales, para permitir el control activo del ala.
No es la primera vez que Airbus se inspira en los animales. En 2019, la compañía presentó un diseño teórico para un avión turbohélice híbrido-eléctrico para el transporte aéreo regional. Inspirado en la mecánica eficiente de un ave, tiene estructuras de alas y cola que imitan las de un ave de rapiña, mientras que cuenta con plumas controladas individualmente que brindan un control de vuelo activo.
Airbus también está investigando una técnica de vuelo en «forma de V» utilizada por los gansos migratorios cuando vuelan largas distancias, lo que podría generar un ahorro de combustible de entre el 5 y el 10 por ciento por viaje de avión comercial. La técnica de migración se conoce como recuperación de energía de estela, cuando las aves en formación surfean el aire ascendente de un pájaro líder. De manera similar, el aire ascendente permite que un avión seguidor se beneficie de la sustentación libre, lo que resulta en un menor empuje del motor y, como resultado, un menor consumo de combustible. De manera crucial, una solución técnica desarrollada por Airbus garantiza que las aeronaves permanezcan posicionadas de manera segura a una altitud constante durante todo el vuelo «emparejado». El impulso de la estela ha demostrado que puede generar al menos una reducción del 5 por ciento en las emisiones de CO2 por viaje. Airbus está colaborando con varias autoridades para seguir demostrando la viabilidad del proyecto. Tal vez algún día podamos ver «bandadas» de aviones eficientes volando por encima de las nubes.
Los próximos años son críticos si queremos mitigar de manera significativa los efectos de la emergencia climática a escala global, y las innovaciones por y para la industria del transporte desempeñarán un papel clave en la reducción de las emisiones de carbono. Si bien el futuro no está claro, es probable que despeguen aviones más eficientes hasta que los aviones propulsados por electricidad renovable se conviertan en la norma, mientras que las flotas optimizadas de barcos reducirán las emisiones hasta que los barcos neutrales en carbono los reemplacen.
Lo cierto es que la naturaleza proporciona una fuente ilimitada de inspiración para ingenieros y científicos que buscan resolver el desafío más apremiante de la Tierra. En nuestra lucha por preservar la naturaleza en todo su diverso esplendor, una de nuestras mejores estrategias de supervivencia es aprender de su ingenio.