La solución que no resolvió nada. El Lockheed CL-1317 de hidrógeno líquido

Ilustración artística del CL-1317. El logo en la nariz de la aeronave es lo único que delata que se trata de una aeronave que utiliza hidrógeno como combustible. 
Créditos de la imagen a quien corresponda. Retocada digitalmente por No Barrel Rolls.

Hoy vivimos una época de incertidumbre. A medida que nos acercamos a un punto de inflexión sobre la dependencia de nuestra especie de los combustibles fósiles, especialmente el petróleo, todos nos preguntamos qué ocurrirá después de que el último barril de "oro negro" sea vendido y como esto afectará a la industria aeronáutica.

Aunque no lo parezca, no es la primera vez que esta pregunta se pone sobre la mesa, ni tampoco; en donde se le encuentra una, aunque parcial, respuesta. El blog de hoy está dedicado a los estudios conjuntos realizados entre la NASA y Lockheed para diseñar un avión de pasajeros que utilice hidrógeno líquido como carburante.

La década de los 70 fue un periodo de gran turbulencia económica, debido principalmente a la crisis del petróleo de 1973. Este evento fue desencadenado por un embargo petrolero impuesto por los países árabes miembros de la OPEP en respuesta al apoyo occidental a Israel durante la Guerra de Yom Kipur. 

Como resultado, el precio del petróleo se cuadruplicó, provocando una inflación galopante y una recesión económica en muchos países occidentales. Las economías de Estados Unidos y Europa se vieron especialmente afectadas, enfrentando altos niveles de desempleo y estancamiento económico, un fenómeno que se conoció como "estanflación". 

Esta crisis también impulsó a muchos países a buscar fuentes de energía alternativas y a implementar políticas de ahorro energético. Si hay una industria que prospera, o fracasa estrepitosamente, por la variación de unos centavos en el precio del combustible es la aviación comercial.

Buscar un combustible alternativo, que no dependiera del petróleo, se volvió una prioridad y a la vanguardia de esta búsqueda se encontraba la NASA, la cual comenzó un programa de investigación en enero de 1975, en conjunto con Lockheed-Martin. En su reporte final, la NASA define el objetivo de este estudio de la siguiente manera: "...La preocupación por la posible escasez de combustibles a base de petróleo ha llevado a una serie de estudios patrocinados por la NASA que han explorado los aspectos tecnológicos y establecido el potencial de usar hidrógeno líquido (LH2) como combustible en aviones de transporte comercial avanzados. Estudios previos han investigado los métodos más prometedores para producir hidrógeno, los procesos para licuar el gas, las configuraciones de las aeronaves y el diseño y las operaciones de las terminales aéreas, tal como se verían afectados por la introducción de aviones alimentados con LH2".

No era la primera vez que la agencia abordaba este tema. Su precursora la NACA, había colaborado con la USAF en el Project Bee de mediados de los 50 (que fue abordado aquí y en este otro posteo), que estudió la factibilidad de utilizar hidrógeno como combustible para permitirle a los aviones de reconocimiento volar por encima de los  65,000 ft (19,812 m). A estos estudios anteriores, debemos sumar los realizados por la Armada referidos al uso de sustancias más extrañas como como diborano, pentaborano, polvos de magnesio o aluminio y metano líquido.

Este gráfico muestra el cronograma propuesto por Lockheed y la NASA para el desarrollo e introducción al servicio de los aviones con LH2. Notar que se esperaba que la primera entrega a un cliente ocurriese en 1995, y siguiese más allá del 2000.
Fuente: LH2 Airport Requirements Study.

La elección del LH2 responde a varios factores. En primer lugar, su eficiencia energética es significativamente mayor por unidad de peso en comparación con el Jet A y otros combustibles de hidrocarburos, característica particularmente atractiva en el contexto de la crisis energética de los años 70, volviéndolo un candidato prometedor para mejorar la eficiencia del consumo de combustible en la aviación. 

Además, la combustión del LH2 produce principalmente vapor de agua, lo que lo convierte en un combustible más limpio en comparación con los combustibles de hidrocarburos que emiten dióxido de carbono y otros contaminantes. No se debe olvidar que durante esta época, las preocupaciones ambientales estaban ganando prominencia, lo que pudo haber influido en el enfoque en el LH2 como una opción más amigable con el medio ambiente. 

Por último, el uso del LH2 no era tan "nuevo" en aviación ya que durante años fue usado como combustible en el programa espacial lo que daba una cierto basamento técnico sobre el cual desarrollar nuevos procedimientos para el manejo, almacenamiento y utilización del LH2 en la aviación comercial.

Sin olvidar que el LH2 es menos tóxico y más estable que otras alternativas, como el pentaborano el cual afecta gravemente el sistema nervioso central, es pirofórico (tiene la mala costumbre de encenderse espontáneamente en contacto con el aire) y reacciona violentamente con algunos supresores de incendios, especialmente con halocarbonos y agua.

La promesa de dos átomos

Tanto la NASA como Lockheed concluyeron que el LH2 sería la opción para un futuro avión de comercial. Como mencionamos antes, al tener un contenido energético por unidad de peso 2.8 veces mayor que el combustible Jet A convencional, permite diseñar significativamente más ligeros. Esto se debe a que se necesita una cantidad de combustible menor para la misma misión, lo que redunda en una célula más ligera debido a que se reducen las cargas dinámicas a la que los componentes estructurales están sometidos. El menor peso también conduce a costos operativos potencialmente más bajos debido al menor desgaste de componentes como ruedas, neumáticos y frenos.

Otra ventaja de la densidad energética del LH2 es que se pueden instalar tanques de combustible más pequeños, lo que a su vez permite el uso de alas y motores más pequeños. Esta reducción de tamaño contribuye a un menor peso al despegue de la aeronave y a una mejor eficiencia del combustible. El menor peso general de las aeronaves que utilizan LH2 como carburante, junto con el uso de motores más pequeños, se traduce en carreras de despegue más cortas. 

Si bien efectivamente la combustión del LH2 produce principalmente vapor de agua, eliminando las emisiones de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y humo no es 100% limpia. Los ingenieros estimaron que algunas cantidades de NOx (Óxido de nitrógeno, uno de los principales gases de efecto invernadero) serían emitidas al ambiente, probablemente en cantidades sean significativamente menores que las de los motores alimentados con Jet A.

Diseño conceptual para el reabastecimiento de LH2 en el aeropuerto. El camión cuenta con un brazo que bombea el LH2 desde tomas en la plataforma. Notar que hay una tubería que bombea helio para expulsar el Hidrógeno gaseoso del tanque (GH2) antes de iniciar la carga del LH2.
Fuente: LH2 Airport Requirements Study.

Para sus estudios comparativos, los ingenieros de Lockheed tomaron al L-1011 como punto de referencia. Por ejemplo, se utilizaron datos de esta aeronave para el análisis de estabilidad aerodinámica y consideraciones del factor de carga estructural. Asimismo, se hizo el ejercicio teórico de convertir un L-1011 a LH2 buscando definir cuales podrían ser los principales desafíos técnicos. Pronto, quedó claro para los ingenieros de Lockheed que esto resultaría un dolor de cabeza. 

La baja densidad del LH2 requiere un volumen de almacenamiento mayor que el del Jet A; sin contar que para mantenerlo en forma líquida es necesario presurizarlo y enfriarlo a una temperatura de 20.28 K​ (-252.87 °C o -423.17 °F). La integración de grandes tanques criogénicos en la célula del L-1011 sería compleja, comprometiendo la capacidad de carga útil. Adicionalmente, la diferente distribución del peso del LH2 en comparación con el Jet A podría requerir modificaciones estructurales importantes para mantener el centro de gravedad y la estabilidad de la aeronave.

Una vez que el hidrógeno estaba a bordo, había que bombearlo a los motores y esto era otro problema ya que los Rolls-Royce RB211 del L-1011 fueron diseñados para Jet A, no para LH2. Adaptarlos o reemplazarlos con motores compatibles sería una tarea monumental, quizás más compleja que la adaptación del avión en si.

También hubo que discutir condiciones de seguridad. Si bien es inflamable, el LH2 se evapora muy rápidamente a temperatura ambiente por lo que la ventana de riesgo en la que el combustible permanecía líquido tras un derrame era muy limitada. A pesar de esto, todos los involucrados en el estudio acordaron que se debían implementar estrictos protocolos de seguridad para manejar la carga del LH2 en una aeronave diseñada originalmente para Jet A, redundando en modificaciones adicionales las cuales tendrían el potencial de afectar los procedimientos operativos.

Esto llevó a la conclusión que los de rediseño e ingeniería requeridos, sumados a la viabilidad económica de convertir un L-1011 a LH2 era, en el mejor de los casos, cuestionable. Por lo que Lockheed decidió que la mejor manera de aprovechar las ventajas de este nuevo combustible era diseñar una aeronave especialmente concebida para su uso.

Un nuevo tipo de avión para un nuevo combustible

Bajo la denominación común, CL-1317, Lockheed una serie de diseños que podrían dar lugar a una nueva línea de aviones comerciales impulsados por LH2. Los ingenieros evaluaron diferentes configuraciones alares con varias combinaciones de relación de aspecto y ángulo de barrido; cantidad de motores, configuraciones de fuselaje y si la aeronave era exclusivamente para el transporte de carga o de pasajeros. 

Uno de los principales problemas era la ubicación del hidrógeno en la aeronave. Llevarlo dentro del fuselaje, como el Jet A tradicional ocuparía mucho espacio, por lo que los ingenieros sugirieron como alternativa llevarlo en dos tanques exteriores ubicados en los extrados alares.

De esta manera quedaron definidos, a grandes rasgos cinco tipo de aeronaves.

• Bimotor, corto alcance (1,500 nm o 2,780 km) y capacidad para 130 pasajeros.
• Cuatrimotor, mediano alcance (3,000 nm o 5,559 km) y capacidad para 200 pasajeros.

El quinto diseño, se consideró el que tenía mayor potencial de mercado y de implementación más rápida y fácil para las aerolíneas. Se trataba de un cuatrimotor con una capacidad de carga de 88,000 lb (36,300 kg) equivalente a 400 pasajeros, más equipaje o carga general;  un alcance máximo de 5,500 nmi (10,190 km) y una velocidad crucero de Mach 0.85.

Se consideró que el diseño de largo radio de acción podía aprovechar mejor las ventajas del hidrógeno, ya que el mayor valor calorífico de este comparado con el Jet A, necesitaba menos cantidad de combustible para vuelos largos; reduciendo los costos directos. 

Por su tamaño, la ubicación de los tanques de LH2 fue uno de los principales problemas que tuvieron que resolver los ingenieros. Una posible solución, fue ubicarlos en los extrados alares como se ve en este estudio para un avión de corto alcance. Sería interesante saber que opinarían los posibles pasajeros de esta configuración.
Fuente: Study of LH2 Subsonic Passenger Transport Aircraft.

En cuanto a su configuración general, el CL-1317 no se diferencia mucho de un avión comercial común. Según los esquemas presentado en los informes, la aeronave parece estar muy influenciada por el L-1011. La principal diferencia resulta en la ubicación de los tanques de LH2, instalados por delante y detrás de la cabina de pasajeros. 

Con solo 34 metros para acomodar a 400 pasajeros, los ingenieros de Lockheed propusieron utilizar dos cubiertas con los asientos dispuestos en 2+4+2. Seguramente, la empresa aspiraba a ganarle cuotas de mercado al Boeing 747. Las medidas finales de la aeronave eran 66.75 m de largo, 53 m de envergadura y 18.59 m de alto. El peso bruto se estimaba en 587,365 lb (266,429 kg). 
(Nota del autor: Resulta curioso saber que la "Gran B" estudió brevemente la posibilidad de modificar al Jumbo para que utilizara LH2 como combustible).

Sin embargo no todo era bueno. Como dijimos antes, el LH2 tenía mayor contenido energético por unidad de peso, pero no por unidad de volumen; que el Jet A. Esto quiere decir que a un mismo peso de combustible y un mismo volumen para su almacenamiento, el avión con LH2 llevaría mucho menos carburante en comparación de uno con Jet A, reduciendo su radio de acción.

Para poner un ejemplo, un Boeing 747-200B tenía una capacidad de combustible de entre 52,035 a 52,410 US gal (196,970 a 198,390 L), si tenemos en cuenta que el peso del Jet A es de 6,75 lb/Us gal el peso total de dicha carga oscila entre las 351,236 y 353,767 lb (159,318 a 160,466 kg). Mientras que el CL-1317 llevaría 587,365 lb (266,429 kg) de LH2. Con 400 pasajeros a bordo, el avión de Lockheed sería capaz de recorrer las 5,000 nmi mencionadas anteriormente, mientras que un 747-200B era capaz de recorrer 6,560 nmi (12,150 km).

Una solución a medias

En la serie de informes finales, tanto Lockheed como la NASA concluyen que si bien el uso del LH2 era técnicamente factible, su implementación iba a ser un problema. A las limitaciones operativas, se deben sumar limitaciones técnicas como el diseño y fabricación de nuevos tipos de tanques criogénicos, nuevas tuberías, bombas y motores especialmente adaptados que elevarían sus costos de producción y adquisición con respecto a las aeronaves existentes. 

Además hay dos fenómenos físicos que son inherentes al uso del hidrógeno. El primero es la evaporación del hidrógeno dentro del tanque producto del intercambio de calor del mismo con la atmósfera. Esto puede ser mitigado con mejores materiales aislantes, pero no eliminado del todo; por lo que el contenido de LH2 dentro de los tanques de la aeronave comenzaría a evaporarse progresiva e inevitablemente.

A esto debemos sumar otro fenómeno conocido en inglés como Hydrogen embrittlement (HE) o Hydrogen-induced cracking (HIC), el cual se podría traducir como Fragilización por hidrógeno. Debido a que los átomos de hidrógeno son pequeños y pueden permear metales sólidos con el tiempo producen una reducción en la ductilidad del metal. Una vez absorbido, el hidrógeno reduce la tensión necesaria para que se generen grietas en el metal, dando por resultado la fragilización. Los aceros, así como el hierro, níquel, titanio, cobalto y sus aleaciones son particularmente susceptibles al HE.
Y donde hay una grieta, hay una potencial filtración de LH2; que por su baja densidad puede ser difícil  de detectar, generando un potencial riesgo de incendio.

Tres vistas de una propuesta para una aeronave de mediano alcance con capacidad para 200 pasajeros. La sección B-B muestra como se vería uno de los tanques de LH2, notar la existencia de una zona para amortiguar impactos la parte inferior.
Fuente: Study of LH2 Subsonic Passenger Transport Aircraft.

Por supuesto que todo esto se debe multiplicar por dos, ya que los problemas técnicos asociados para usar LH2 en el aire serían los mismo en tierra, requiriendo una profunda adaptación de la infraestructura aeroportuaria y de los procedimientos de mantenimiento; requiriendo que el personal de tierra recibiese una formación especializada.

A esto debemos sumar el costo de modificar la infraestructura aeroportuaria existente. En el informe titulado: "LH2 Airport Requirements Study" (disponible en la bibliografía más abajo) se encuentra una explicación detallada de como se podría implementar el LH2 en el aeropuerto Internacional de San Francisco (código IATA: SFO), donde se estimaba que solo la planta para la producción y abastecimiento de LH2 costaría unos U$S 340 millones (casi U$S 2 billones actualmente), sin incluir los costos relacionados con la provisión de energía eléctrica, ni el hidrógeno gaseoso que sería usado como materia prima.

Finalmente, hay un obstáculo que ni los ingenieros de la NASA y Lockheed juntos pudieron resolver y es la percepción del público. El hidrógeno es altamente inflamable, y tratar de convencer a los pasajeros que van contentos a sus vacaciones en familia o a visitar parientes durante las fiestas de que aborden una aeronave que lo utiliza como carburante iba ser algo muy difícil de vender.

(Nota del autor: Si bien el informe no lo dice, vale la pena recordar que el uso del hidrógeno en la aviación quedará, en la mente de la opinión pública, para siempre ligado a la tragedia del zeppelin LZ 129 Hindenburg).

Una vez finalizado el contrato, las conclusiones del informe fueron prontamente compartidas y presentadas, para luego ser adecuadamente archivado, junto con la idea del LH2 como combustible aeronáutico. La industria en su conjunto decidió ir en una dirección distinta, en lugar de buscar combustibles alternativos al LH2, prefirió buscar la manera de consumirlo menos y de manera más eficiente; dando lugar a los turbofans de alta eficiencia que tenemos hoy en día.

50 años han pasado desde que Lockheed y la NASA abordaran el estudio que dio origen al CL-1317, y nuevamente, el mundo se encuentra en una situación que tiene matices muy parecidos con factores como el petróleo y el impacto ambiental que vuelven a entrar en escena. 

Mientras se discuten nuevas tecnologías como el SAF (combustible sintético de aeronáutico) hacen su entrada en escena, el hidrógeno vuelve a ser propuesto como una alternativa para una aviación más verde. Si bien el hidrógeno sigue siendo hidrógeno, la tecnología no es la misma que en los años 70 y quizás los problemas asociados a su uso puedan ser fácilmente solucionados. Quizás, el siglo XXI si sea el tiempo del hidrógeno. 

Tres vistas del CL-1317. Notar la disposición de la cabina de pasajeros en el sección A-A, junto con la ubicación de los tanques de LH2 indicados en azul.
Créditos de la imagen a quien corresponda. Retocada digitalmente por No Barrel Rolls.

Fuentes

• Brewer,G. D; Morris, R. E. y otros. (Enero 1975). Volume I: Summary Report. Study of the Application of Hidrogen Fuel to Long-Range Subsonic Transport Aircraft. (CR-132559). Langley Research Center, National Aeronautics And Space Administration.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19790025036/downloads/19790025036.pdf
• Brewer,G. D; Morris, R. E. y otros. (Enero 1975). Volume II: Final Report. Study of the Application of Hidrogen Fuel to Long-Range Subsonic Transport Aircraft. (CR-132559). Langley Research Center, National Aeronautics And Space Administration.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19750022090/downloads/19750022090.pdf
• Brewer,G. D y Morris, R. E. (Enero 1976). Study of LH2 Subsonic Passenger Transport Aircraft. (CR-144395). Langley Research Center, National Aeronautics And Space Administration.
  Disponible en: https://web.archive.org/web/20100512200136/http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19760012056_1976012056.pdf
• Brewer,G. D. (Octubre 1976). LH2 Airport Requirements Study. (CR-2700). Langley Research Center, National Aeronautics And Space Administration.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19770003090/downloads/19770003090.pdf
• Brewer,G. D; Morris, R. E. y otros. (Julio 1978). Final Report - Volume I. Study of Fuel Systems for LH2-Fueled Subsonic Transport Aircraft. (CR-145369). Langley Research Center, National Aeronautics And Space Administration.
  Disponible en: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19750022090/downloads/19750022090.pdf