Produir combustibles sintètics.

Si bé l'energia renovable està ajudant a descarbonitzar el sector elèctric, avui dia el transport  encara depèn dels combustibles fòssils. Segons l' Agència Internacional de l'Energia, més d'un terç de les emissions mundials de diòxid de carboni el 2021 provenien del transport de persones i càrrega .

Els combustibles sintètics podrien reduir de manera significativa la petjada de carboni del transport si es fan a partir de les emissions de diòxid de carboni capturades i hidrogen mitjançant una font lliure d'emissions. El problema és que la producció de combustibles d'hidrocarburs líquids requereix una gran quantitat d'energia que ha de ser "neta".

L'energia nuclear podria ser una de les maneres ja que possiblement els combustibles sintètics podrien ser crucials en la transició per al transport elèctric donat que  el combustible sintètic actua com un combustible normal, però es pot fer a partir de diòxid de carboni capturat, no de carboni fòssil extret del sòl. Si es fa una analogia amb la fotosíntesi, on les plantes capturen el diòxid de carbonia que generem els humans. Llavors, els combustibles sintètics són semblants però molt el procés és més ràpid que un arbre o una planta.

Si be és cert que actualment hi ha  un debat sobre els costos i els beneficis dels combustibles sintètics, ja hi han països que l'han començat a implantar ja que si es compara amb els vehicles elèctrics, també presenten un impacte ambiental durant tot el cicle de vida pel fet que cal una bateria que acostuma a ser gran i un subministrament d'energia renovable. Al febrer del 2023 es va veure com Alemanya estva prenent el lideratge a la UE en aquest tipus de combustible i va aconseguir incloure aquests combustibles a la UE.

La transició al transport elèctric no pot anar més enllà del 2035 però es probable que no s'aconesgeuixi. Per exemple, el sector de l'aviació és un dels més difícils de descarbonitzar. Els avions volen perquè utilitzen combustibles d'alta densitat energètica. Amb el combustible sintètic per a avions es te la mateixa eficiència però menys petjada ambiental.

Per fer aquest combustible, hi han diferents processos, però normalment calen de temperatures i pressions altes a més d'un catalitzador. Tot i que hi ha molta recerca per aconseguir trobar més baixes pressions i temperatures amb un catalitzador més eficient. 

Encara costa quantificar l'energia necessària donat què hi han molts processos diferents que no tenen un valor estàndard. Cal energia per capturar el diòxid de carboni i per assolir les altes temperatures i pressions necessàries per a la conversió catalítica. El problema més important és com obtenir hidrogen a un baix cost. La font més neta d'hidrogen és l'aigua, i l'electròlisi per dividir l'aigua per obtenir hidrogen consumeix molta electricitat i cal gestionar l'aigua.

Una opció es aconseguir més consum en el llocs que hi ha previst un creixement elevat de generació renovable i també,  les centrals  nuclears poden ser una opció per a la utilització del diòxid de carboni per fabricar combustibles sintètics pel transport ja que aquesta energia nuclear és pot considerar neta i constant. 

Si be és cert que hi han opinions contraria amb la nuclear com un energia neta, però sense dubte és una energia baixa en carboni i també, es pot utilitzar tant la calor com l'electricitat dels reactors nuclears per fabricar combustibles sintètics.

Actualment, les tecnologies de captura de carboni requereixen calor i electricitat. Per tant, la nuclear seria un molt bon candidat a la tecnologia de captura.

Per tant, hi ha un gran mercat per a la interfície entre els combustibles sintètics i l'energia nuclear, tant si es tracta d'un reactor estàndard com dels petits reactors modulars (SMR) a més, aquests tenen la capacitat de col·locar-se estratègicament com punts de producció de combustible sintètic a qualsvoll lloc del món.

Alemanya en aquests moments és el líder amb diferència  en combustibles sintètics, però van prohibir els reactors nuclears després de l'accident nuclear de Fukushima.

Al Regne Unit, tot just comencen a construir nous reactors. El 2015, es va anunciar el programa SMR. Això va ser fa vuit anys i no s'ha avançat gaire. 

Ramon Gallart

Torna la vela per vaixells de càrrega.

Per assolir els objectius internacionals climàtics, les emissions de carboni derivades del transport marítim s'han de reduir en més d'un 50% l'any 2050 en comparació amb els nivells de 2008. Fins al 99% del transport mundial marítim, actualment depèn dels combustibles fòssils. Tot i que l'electricitat pot transportar ferris més petits a distàncies més curtes, l'electrificació de vaixells grans i de llarg recorregut es veu obstaculitzada per les limitacions d'abast.

Investigadors de la Universitat Tecnològica de Chalmers, Suècia, han estat els primers en demostrar amb èxit un nou mètode que podria obrir el camí per reduir significativament l'impacte climàtic del transport marítim. Inspirats en una tecnologia aerodinàmica utilitzada a l'aviació, s'ha trobat una manera de reduir la resistència aerodinàmica d'un vaixell en un 7,5%. El resultat és una major eficiència energètica i un consum de combustible molt més baix.

Per a un petrolier que va des de l'Aràbia Saudita al Japó, significaria una reducció del consum de combustible d'unes deu tones mètriques. El innovador mètode, és especialment rellevant per al futur transport eòlic. La propulsió eòlica no és una tecnologia nova per se.

Un vaixell amb propulsió eòlica requereix un disseny aerodinàmic més eficient, ja que no té la potència d'un vaixell de combustible fòssil. Abans, tampoc es tenia en compte l'efecte aerodinàmic en comparació amb la resistència total d'un vaixell a l'aigua. Però quan es tracta d'una propulsió eòlica, l'efecte aerodinàmic podria obrir noves possibilitats.

Probablemetn, en els propers anys es veuran vaixells que combinen propulsió eòlica i propulsió amb combustibles. Però l'objectiu a llarg termini és fer que l'energia eòlica sigui l'única font d'energia per als vaixells de càrrega i similars.

L'efecte Coanda com a part fonmental, fa que el flux d'aire s'adhereixi a superfícies corbes donat què es basa en la tendència d'un fluid, com l'aigua, a fluir per la part posterior d'una cullera, al llarg d'una superfície corba convexa.

En el transport marítim, una de les principals fonts d'arrossegament aerodinàmic és la part posterior de forma quadrada de la superestructura del vaixell; la part que surt de la coberta. El nou disseny indueix l'efecte Coanda al voltant d'aquesta zona gràcies a crear un disseny amb vores convexes a la superestructura del vaixell i permetre que l'aire comprimit flueixi a través de les ranures. L'efecte Coanda permet que la pressió de l'aire al casc del vaixell s'equilibri fet que considerablement redueix la resistència aerodinàmica, fent el vaixell més eficient energèticament.

El mètode, que es pot utilitzar tant en vaixells existents com en vaixells de disseny moderns i recents, demostra que el mètode pot reduir la resistència aerodinàmica en un 7,5%.

Aqeusta idea permetria augmentar la seguretat dels helicòpters enels enlairaments i aterratgesen en aquests vaixells. Les turbulències solen sorgir quan l'aire baixa des de la superestructura del vaixell, desestabilitzant l'helicòpter. Com que els pilots han d'aterrar o enlairar en un lloc molt precís del vaixell, això comporta grans riscos.

Actualment, s'utilitzen tanques o una forma adaptada a la nau per minimitzar els riscos, però no són gaire efectives. Com aquesta solució esmorteeix les turbulències gràcies a que afecta el vent que baixa darrere de la superestructura. 

L'efecte Coanda rep el nom de l'inventor romanès Henri Coanda que, cap al 1910, va ser el primer a reconèixer les aplicacions pràctiques del fenomen en el disseny d'avions. Avui en dia, l'efecte s'utilitza en avions a reacció, on la sustentació aerodinàmica augmenta a mesura que el corrent laminar circula en contacte amb el ala. L'efecte Coanda afecta els fluxos d'aire i líquids en molts contextos diferents, com ara la climatització. Les proves teòrques es van dur a terme en un model de dinamica de fluid computacional per vaixells.

Font: Kewei Xu et al, Gran simulació de remolí del control del flux d'aire del vaixell amb efecte Coanda constant, Physics of Fluids (2023). DOI: 10.1063/5.0127560

Proves de coets nuclears.

Si  es vol viatjar cap a Mart, cal escollir la data de sortida. Les finestres ideals de llançament només apareixen cada 26 mesos, i aquestes  són estretes en temps ja que cal què els planetes estiguin alineats.

Un coet que fos més ràpid, podria fer més gran la temporalitat d'aquestes finestres i també, escurçar la durada del viatge. També minvar la càrrega a portar i el nombres d'autronautes. El problema és que la velocitat dels coets actuals amb combustible químic, està limitada pel propi combustible conjutmanent amb  l'oxigen que poden transportar.

En canvi, l'energia nuclear, no com una mera font de calor radioactiva, del tipus que podria alimentar la propulsió d'ions febles d'una sonda espacial a llarg termini, sinó un reactor de fissió real,  podria  fer possible disposar d'hidrogen líquid a 20 K en un entorn de gas a 2.700 K i això, permetria que una quantitat de propulsió permeti la seva gestió per obtenir empenta a mig camí de Mart i després invertir l'empenta per desaccelerar-se.

Això és precisament el que la NASA i la DARPA volen construir, primer com a prototip, després com a coet lunar i, finalment, com a vehicle interplanetari. 

La primera fase de desenvolupament, sobre el disseny del nou reactor, ja s'ha completat amb un cost el qual,  no s'ha revelat. Les dues fases següents tenen un pressupost conjunt de 499 MUS$.

Si el prototip funciona, el següent pas serà construir un coet lunar, la velocitat del qual facilitaria la construcció i el subministrament d'una base a la Lluna. Però el veritable benefici vindria quan es vagi a Mart.

DARPA finança tecnologies experimentals que algun dia poden ser útils sense especificar necessàriament quin ús podria ser. Potser un coet nuclear podria llançar satèl·lits d'una part del món a una altra.

La idea d'un coet de propulsió nuclear es va investigar per primera vegada com a Projecte Orion a la dècada de 1950, que van donar lloc a proves dels motors a terra. Això no és ideal: certs problemes s'examinen millor en el buit, en condicions de gravetat zero. Segons els actuals requisits de seguretat, els investigadors haurien de capturar l'escapament, eliminar qualsevol material radioactiu. Per tant, el pla és col·locar el prototip en una òrbita de 700 km d'alçada, des de la qual no tornaria a caure a la terra durant uns 300 anys.

Mentre el coet és a la plataforma de llançament, la reacció en cadena de fissió i la consegüent radioactivitat es veurien ofegada per tambors giratoris absorbent de neutrons. Aleshores, quan el motor està en òrbita de manera segura, els tambors girarien farien rebotar els neutrons cap al nucli. Aquesta reflexió augmentaria la densitat de neutrons, estimulant la fissió. Altres mesures de seguretat inclouen cables absorbents de neutrons dins del nucli que "enverinen" la reacció en cadena fins que es retrauen.

La prova de vol mesurarà una sèrie de característiques, en particular l'empenta del motor, mesurada en milers de lliures, i el seu impuls específic. Això és simplement el temps que triguen el motor i el seu propulsor a accelerar la seva pròpia massa a una velocitat d'1 gravetat estàndard (9,8 metres per segon quadrat). 

Els coets químics que operen al buit tenen uns 400 segons d'impuls específic, però el nuclear pot arribar fins a 900 segons, que és del que la NASA ha estat pensant per portar els humans a Mart.

El prototip també provarà quant de temps es pot emmagatzemar en òrbita l'hidrogen líquid, en aquest cas uns 2.000 kg. La idea és que duri uns quants mesos, la qual cosa és dos ordres de magnitud més del que s'ha aconseguit fins ara. Encara seria millor que es pogués trobar una manera de repostar un motor nuclear en òrbita perquè es pogués utilitzar durant anys. Els coets d'avui a l'etapa superior duren unes 12 hores abans de convertir-se en brossa espacial.

Font: Philip E. Ross is a senior editor at IEEE Spectrum. His interests include transportation, energy storage, AI, and the economic aspects of technology. He has a master's degree in international affairs from Columbia University and another, in journalism, from the University of Michigan.