A partir del día de Año Nuevo, las aerolíneas europeas se enfrentarán a un nuevo requisito: como parte de la legislación del Sistema Europeo de Comercio de Emisiones, las compañías aéreas tendrán que realizar seguimiento, informes y verificación de los efectos de la aviación no relacionados con el CO 2 .
La política regulatoria europea es sólo un indicio de que los efectos de las estelas de condensación y otros efectos de la aviación no relacionados con el CO2 están cada vez más en el punto de mira. A medida que aumenta la conciencia sobre el impacto climático de las estelas de condensación, se espera que en el nuevo año se redoblen los esfuerzos en la investigación de posibles métodos de mitigación y en la física atmosférica fundamental del fenómeno.
- Un mejor modelado y pronóstico puede ayudar a los portaaviones a evitar la formación de estelas de condensación
- Los ecologistas quieren un progreso más rápido en la lucha contra las estelas de condensación
El ritmo de la investigación sobre estelas de condensación se está acelerando a medida que la aviación reconoce que mejorar la sostenibilidad depende tanto de abordar las emisiones no relacionadas con el CO2 que influyen en el clima como de reducir las emisiones de CO2 mediante la expansión del uso de combustible bajo en carbono y la mejora de la eficiencia de las aeronaves.
Pero los ambientalistas sostienen que, aunque se están logrando avances, no se están produciendo con la suficiente rapidez. Mientras se celebraba la conferencia sobre el clima COP29 en noviembre en Bakú, un grupo de científicos de la aviación y el clima escribió una carta abierta instando a que se tomen medidas más rápidas para combatir las estelas de condensación, y afirmó que se trata de una oportunidad para marcar una gran diferencia a un costo relativamente bajo para la industria.
Los efectos problemáticos de las estelas de condensación se conocen desde hace décadas, pero el asunto simplemente se ha ocultado, dice la organización no gubernamental ambientalista Transport & Environment (T&E), que publicó la carta.
“Es fundamental que, si se toman medidas decisivas, estos efectos se puedan mitigar en parte de una manera más rápida y rentable que otros problemas climáticos, gracias a un ligero desvío de una pequeña cantidad de vuelos específicos”, afirma la carta. “Esto implicaría un impacto mínimo en la industria de la aviación y los pasajeros y un riesgo insignificante de causar más daño que beneficio al clima”.
Las estelas de condensación son “la oportunidad climática de la década para la aviación”, afirmó Carlos López de la Osa, director técnico de aviación de T&E. “Hay muy pocas soluciones climáticas que se puedan implementar tan rápidamente y a tan bajo costo”.
Los recientes esfuerzos de investigación dirigidos a comprender mejor las estelas de condensación respaldan la posición de T&E. Las estelas de condensación se forman cuando los gases de escape calientes de los motores se mezclan con el aire más frío circundante y forman cristales de hielo. En las regiones de la atmósfera supersaturadas de hielo, estos cristales crecen y la estela de condensación puede persistir y expandirse hasta convertirse en una nube cirro inducida por la aviación.
Durante el día, esta fina capa de cirros refleja la luz del sol y enfría la Tierra; por la noche, sin embargo, la nube atrapa el calor y calienta el planeta. Se considera que este desequilibrio, o “forzamiento radiativo”, que surge de las estelas de condensación tiene un efecto general de calentamiento del clima.
Uno de los principales objetivos de los investigadores es perfeccionar las técnicas para medir y evaluar las estelas de condensación producidas por la generación actual de aeronaves y motores, estableciendo así una línea de base con la que se puedan medir las mejoras y lograr la mitigación.
En Estados Unidos, la NASA y GE Aerospace comenzaron a evaluar la tecnología de escaneo de la estela de los aviones en noviembre durante las pruebas de vuelo del Contrail Optical Depth Experiment (CODEX). Las pruebas, que se llevaron a cabo desde Norfolk, Virginia, involucraron el avión Gulfstream III del Centro de Investigación Langley de la NASA y el banco de pruebas de vuelo Boeing 747-400 de GE.
El Gulfstream, que operaba a altitudes superiores a los 30.000 pies en el espacio aéreo restringido frente a la costa este, siguió a varias distancias al 747 y lo superó, escaneando la estela del banco de pruebas de GE con sensores de detección de luz y medición de distancia (lidar) para generar imágenes en 3D de las estelas de condensación. Para el CODEX, el 747 se configuró con cuatro motores estándar GE CF6-80CB1F propulsados por combustible Jet A normal.
Además de mejorar el conocimiento sobre la formación y el comportamiento de las estelas de condensación a lo largo del tiempo, también se espera que los datos de CODEX ayuden a GE a allanar el camino para futuras pruebas de vuelo de cámaras de combustión de menores emisiones y otras tecnologías de propulsión avanzadas planificadas con el socio de CFM International, Safran, en el marco del programa Innovación Revolucionaria para Motores Sostenibles (RISE).
“Sabemos por recientes evaluaciones de modelos e informes de consenso que las estelas de condensación tienen un impacto climático significativo, y creemos que, a partir de las estimaciones de los modelos actuales, la magnitud de ese impacto de las estelas de condensación de las nubes cirros es similar a la de las emisiones acumuladas de CO2 de la aviación durante el siglo pasado”, dice Richard Moore, científico de investigación física en el Centro de Investigación Langley de la NASA.
“Si bien es muy incierto, sabemos que es un efecto potencialmente importante la forma en que la estela interactúa y evoluciona en la atmósfera y con la radiación y la luz solar que desciende y la radiación que sube desde la Tierra”, explica Moore. “Esto depende directamente de las propiedades ópticas de esa nube. Con el lidar, traemos nuestra propia fuente de luz. En lugar de tener que depender del Sol y de ángulos solares específicos, podemos disparar un láser a una longitud de onda verde, 532 nanómetros, y podemos medir la cantidad de luz que retrodispersan los cristales de hielo en la estela”.
El G-III se configuró con el Observatorio Lidar de Alta Altitud de Langley (HALO), un instrumento desarrollado para caracterizar las distribuciones de gases de efecto invernadero, nubes y pequeñas partículas en la atmósfera. HALO proporciona perfiles de observación del nadir de vapor de agua, columnas de metano y perfiles de propiedades ópticas de aerosoles y nubes. Hasta que la NASA realizó una prueba con Boeing en el marco del programa ecoDemonstrator a fines de 2023, HALO nunca se había aplicado al análisis de estelas de condensación.
“Obtenemos un perfil de la luz que se dispersa hacia el avión y luego podemos relacionarlo con la cantidad de luz que no solo se dispersa sino que también se absorbe y se extingue”, dice Moore. “Si tomamos ese perfil de extinción de la luz a través de la estela, podemos sumarlo y eso es lo que llamamos el espesor óptico de la nube o la estela. Ese es un parámetro importante para comprender los impactos radiativos”.
Junto con la información de los canales lidar de alta resolución espectral, el conjunto de sensores incluía un láser ajustado a bandas de absorción específicas para el vapor de agua. “Así que, además de arrastrar el rayo láser a lo largo de la trayectoria de la aeronave para darnos el perfil de las estelas de condensación, medimos continuamente a lo largo de la trayectoria la cortina del campo de vapor de agua debajo de la aeronave”, dice Moore. Para completar el conjunto de datos, la aeronave de la NASA también dejó caer radiosondas para medir las temperaturas.
Los datos atmosféricos obtenidos a partir de los estudios de las estelas de condensación ayudarán a validar los modelos que predicen las condiciones de formación de las estelas de condensación y pronostican las propiedades del espesor óptico que se utilizan para los cálculos de forzamiento radiativo. El trabajo tiene como objetivo no solo comprender la formación de las estelas de condensación, sino también, a largo plazo, proporcionar datos concretos a una industria que se muestra recelosa de fomentar políticas de mitigación de las estelas de condensación si resulta que los cirros que se calientan se habrían formado de forma natural de todos modos.
“Puede haber un 70% de incertidumbre en la fuerza radiativa efectiva de las estelas de condensación, pero eso no debería impedirnos empezar a reducirlas”, dijo Christiane Voigt, directora del departamento de física de nubes del centro aeroespacial alemán DLR, en el Simposio de la OACI sobre emisiones de la aviación distintas del CO2, celebrado en Montreal en septiembre. “En el punto más bajo de la barra de error, siguen siendo importantes”.
Si bien muchos expertos de la industria creen que es necesario tomar medidas inmediatas para abordar las estelas de condensación, algunos sostienen que una comprensión más profunda del fenómeno debería tener como primera prioridad.
Un estudio de investigación reciente realizado por científicos del Imperial College de Londres destacó la complejidad de comprender cómo la reducción de las estelas de condensación se integra con esfuerzos más amplios para limitar el impacto climático de la aviación.
El estudio, basado en un análisis de aprendizaje automático de datos satelitales sobre estelas de condensación en el Atlántico Norte, mostró que los aviones comerciales modernos crean estelas de condensación más duraderas a grandes altitudes que los aviones más antiguos. Aunque los aviones modernos emiten menos carbono que los aviones más antiguos, es posible que contribuyan más al cambio climático a través de las estelas de condensación, dijeron los investigadores en agosto.
imagen lidar del experimento CODEX. Crédito: NASA
“Este estudio supone un obstáculo para la industria de la aviación”, dijo en su momento el autor principal del estudio, Edward Gryspeerdt, investigador universitario de la Royal Society en el Instituto Grantham de Cambio Climático y Medio Ambiente del Imperial College de Londres. “Los aviones más nuevos vuelan cada vez más alto en la atmósfera para aumentar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de carbono. La consecuencia no deseada de esto es que estos aviones que vuelan sobre el Atlántico Norte ahora están creando más estelas de condensación de mayor duración, atrapando calor adicional en la atmósfera y aumentando el impacto climático de la aviación.
“Esto no significa que los aviones más eficientes sean algo malo”, añadió. “Todo lo contrario, ya que tienen menos emisiones de carbono por kilómetro y pasajero. Sin embargo, nuestro hallazgo refleja los desafíos que enfrenta la industria de la aviación para reducir su impacto climático”.
El estudio descubrió que una medida simple (reducir la cantidad de hollín emitido por los motores de los aviones) podría acortar la vida de las estelas de condensación.
“Nuestro estudio proporciona la primera evidencia de que emitir menos partículas de hollín da como resultado estelas de condensación que caen del cielo más rápido en comparación con las estelas de condensación formadas por partículas de hollín más numerosas de motores más viejos y sucios”, dijo el coautor del estudio Marc Stettler, profesor de transporte y medio ambiente en el departamento de ingeniería civil y ambiental del Imperial College de Londres.
Las estrategias de mitigación de la formación de estelas de condensación se centran principalmente en evitar condiciones de sobresaturación de hielo en la atmósfera y reducir las partículas en los gases de escape de los motores en las que se pueden formar cristales de hielo. Evitar las zonas propensas a la formación de estelas de condensación requeriría desviar sólo una pequeña fracción de los vuelos, dijo Voigt.
Las aeronaves pueden evitar las regiones donde se forman estelas de condensación volando más alto o más bajo, pero eso requerirá mejoras en el modelado y el pronóstico para permitir que los centros de operaciones de las aerolíneas predigan los puntos críticos atmosféricos donde podrían formarse estelas de condensación y redirijan los vuelos con un impacto mínimo en el consumo de combustible y las emisiones.
También será necesaria la colaboración del control del tráfico aéreo, que debe aprobar los cambios. Se están realizando pruebas operativas para determinar la viabilidad y eficacia de los ajustes de altitud. “Desde el punto de vista operativo, es un gran desafío y los modelos meteorológicos y de estelas de condensación deben mejorarse y probarse”, dijo Voigt.
Un estudio de T&E publicado en noviembre concluyó que, modificando ligeramente la ruta de unos pocos vuelos, se podría reducir a la mitad el calentamiento por estelas de condensación para 2040 a un coste de menos de 4 euros (4,20 dólares) por vuelo. El informe afirma que el 80% del calentamiento por estelas de condensación se genera en tan solo el 3% de los vuelos; la geografía, la latitud del vuelo, la hora del día y la estacionalidad son factores que influyen en sus efectos sobre el calentamiento climático. El estudio señaló que el combustible adicional que se gastaría para evitar las estelas de condensación sería inferior al 0,5% en toda la flota a lo largo de un año.
En general, el estudio de T&E mostró que los beneficios climáticos derivados de evitar las estelas de condensación serían entre 15 y 40 veces mayores que la penalización por CO2 . Cambiar las trayectorias de vuelo de los peores culpables tendría un impacto desproporcionadamente grande.
La segunda clave para la formación de estelas de condensación, el hollín en las columnas de humo, ya se está abordando mediante mejoras en la tecnología de los motores y cambios en el combustible. Se ha demostrado que los motores de combustión más limpia y el combustible de aviación sostenible (SAF, por sus siglas en inglés) generan menos hollín y estelas de condensación, pero los resultados incluyen algunas sorpresas.
La última generación de turbofán comerciales con combustión pobre, como el GEnx 1 de GE y el Leap 1 de CFM, generan significativamente menos hollín, también conocido como material particulado no volátil (NvPM). La reducción del hollín debería reducir los cristales de hielo y, por lo tanto, la formación de estelas de condensación, pero las pruebas de vuelo recientes muestran que existe un límite.
A medida que las emisiones de nvPM disminuyen, algunos modelos predicen que la formación de cristales de hielo disminuirá hasta alcanzar un límite inferior establecido por los aerosoles naturales presentes en la atmósfera. Otros modelos predicen que la formación de hielo se reducirá al principio, pero luego aumentará a medida que las partículas volátiles de la columna sustituyan al hollín como lugares de nucleación.
Este último efecto fue confirmado por pruebas de vuelo de un Airbus A320neo con motor Leap 1A en Francia, en el marco del proyecto Volcan, y de un 737-10 con motor Leap 1B en los EE. UU., en el marco del programa ecoDemonstrator de la NASA- Boeing . Los vuelos de Volcan indicaron que las partículas volátiles se convierten en sitios de nucleación a medida que se reduce el hollín. Los vuelos ecoDemonstrator mostraron que el 100% de SAF reduce la formación de cristales de hielo, pero las estelas de condensación aún se forman debido a las partículas volátiles.
A diferencia de las emisiones de partículas volátiles no volátiles (nvPM), las partículas volátiles volátiles (vPM) son gases condensables en el penacho de escape que pueden formar nuevas partículas o recubrir las partículas de hollín existentes, lo que las hace más propensas a formar cristales de hielo. Dependen tanto del proceso de combustión como de la composición del combustible, explicó Richard Miake-Lye, científico principal y vicepresidente de Aerodyne Research, en el simposio de la OACI.
Entre los ejemplos de VPM se incluyen el combustible no quemado y parcialmente quemado, el ácido sulfúrico del combustible y el aceite lubricante que sale del motor. Actualmente, el aceite no se considera una emisión y se emite de forma diferente entre los fabricantes de motores. Existen normas de certificación para las emisiones de nvPM, que se miden en el suelo a la salida del escape, pero no para las VPM, que se desarrollan después de la emisión.
La composición del combustible también es un factor importante. El SAF tiene un contenido más bajo de azufre y más alto de hidrógeno que el combustible fósil para aviones, lo que reduce la formación de hollín y hielo. Cuando hay menos cristales de hielo en la columna, estos crecen y se sedimentan más rápidamente, lo que reduce la vida útil y la fuerza radiativa de la estela, explicó Stettler en el simposio.
Todas estas pruebas, incluidas las realizadas para los experimentos de la UE sobre emisiones e impacto climático de los combustibles alternativos (ECLIF), indicaron la necesidad de que en el futuro se realicen campañas para cartografiar una amplia gama de composiciones de combustibles, tipos de motores y tecnologías de cámaras de combustión. En particular, el descubrimiento sorprendente de la formación de estelas de condensación incluso en motores de combustión pobre que utilizan combustibles alternativos ha dado lugar a peticiones de estudios de otras especies de partículas volátiles, incluido el aceite de motor. Programas como el CODEX han contribuido a ampliar la base de datos para evaluar las estelas de condensación de los motores más antiguos y han ampliado el conocimiento sobre sus propiedades a lo largo del tiempo.
Los planes para recopilar más datos para mejorar los modelos climáticos y de estelas de condensación incluyen el lanzamiento de sondas infrarrojas atmosféricas por satélite y el despliegue de sensores de vapor de agua en aeronaves en servicio. “Disponemos de datos limitados en vuelo de crucero con diferentes aeronaves, motores y combustibles”, afirma Moore. “Va a haber algunas sorpresas, al igual que el petróleo ha subido a la superficie con los motores de combustión pobre”.
Fuente: https://aviationweek.com/aerospace/emerging-technologies/industry-steps-efforts-understand-non-co2-effects-better