La Marina dels Estats Units té previst actualitzar les centrals elèctriques de turbina de gas instal·lades actualment en els seus avions i vaixells en el futur, substituint els motors convencionals de cicle de Brighton per motors rotatius de detonació. A causa d’això, s’espera que l’estalvi de combustible pugi a uns 400 milions de dòlars anuals. No obstant això, l’ús en sèrie de les noves tecnologies és possible, segons els experts, no abans d’una dècada.
El desenvolupament de motors rotatius o giratoris a Amèrica es duu a terme pel Laboratori de Recerca de la Marina dels EUA. Segons les primeres estimacions, els nous motors seran més potents i, aproximadament, una quarta part més econòmics que els motors convencionals. Al mateix temps, els principis bàsics de funcionament de la central seguiran sent els mateixos: els gasos del combustible cremat entraran a la turbina de gas, fent girar les seves pales. Segons el laboratori de la Marina dels Estats Units, fins i tot en un futur relativament llunyà, quan tota la flota nord-americana estarà alimentada per electricitat, les turbines de gas seguiran sent les responsables de generar energia, fins a cert punt modificades.
Recordem que la invenció del motor de reacció polsant es remunta a finals del segle XIX. L’inventor va ser l’enginyer suec Martin Wiberg. Les noves centrals elèctriques es van generalitzar durant la Segona Guerra Mundial, tot i que eren significativament inferiors en les seves característiques tècniques als motors d’avions que hi havia en aquell moment.
Cal destacar que en aquest moment, la flota nord-americana compta amb 129 vaixells que utilitzen 430 motors de turbina de gas. Cada any, el cost de proporcionar-los combustible és d’uns 2.000 milions de dòlars. En el futur, quan els motors moderns se substitueixin per altres de nous, la quantitat de costos de combustible canviarà.
Els motors de combustió interna que s’utilitzen actualment funcionen al cicle de Brighton. Si definiu l’essència d’aquest concepte en poques paraules, tot es reduirà a la barreja successiva d’oxidant i combustible, a una compressió addicional de la mescla resultant, aleshores: incendi i combustió amb l’expansió dels productes de combustió. Aquesta expansió s’utilitza només per conduir, moure pistons, girar una turbina, és a dir, realitzar accions mecàniques, proporcionant pressió constant. El procés de combustió de la mescla de combustible es mou a una velocitat subsònica: aquest procés s’anomena dufflagration.
Pel que fa als nous motors, els científics tenen la intenció d’utilitzar-hi combustió explosiva, és a dir, la detonació, en què la combustió es produeix a velocitat supersònica. I tot i que actualment el fenomen de la detonació encara no s’ha estudiat del tot, se sap que amb aquest tipus de combustió sorgeix una ona de xoc que es propaga a través d’una barreja de combustible i aire, provocant una reacció química, el resultat de la qual és l’alliberament d’una quantitat d’energia tèrmica força gran. Quan l’ona de xoc travessa la barreja, s’escalfa, cosa que provoca la detonació.
En el desenvolupament d'un nou motor, està previst utilitzar certs desenvolupaments que es van obtenir en el procés de desenvolupament d'un motor polsant de detonació. El seu principi de funcionament és que una mescla de combustible precompressat s’alimenta a la cambra de combustió, on s’encén i es detona. Els productes de combustió s’expandeixen al broquet, realitzant accions mecàniques. Després es repeteix tot el cicle des del principi. Però l’inconvenient dels motors pulsatius és que la velocitat de repetició dels cicles és massa baixa. A més, el propi disseny d’aquests motors es fa més complex en cas d’augmentar el nombre de pulsacions. Això es deu a la necessitat de sincronitzar el funcionament de les vàlvules, que s’encarreguen de subministrar la mescla de combustible, així com directament pels propis cicles de detonació. Els motors impulsors també són molt sorollosos, requereixen una gran quantitat de combustible per funcionar i el treball només és possible amb una injecció mesurada constant de combustible.
Si comparem els motors rotatius de detonació amb els motors polsants, el principi del seu funcionament és lleugerament diferent. Així, en particular, els nous motors proporcionen una detonació contínua constant del combustible a la cambra de combustió. Aquest fenomen s’anomena spin o detonació rotativa. Va ser descrit per primera vegada el 1956 pel científic soviètic Bogdan Voitsekhovsky. I aquest fenomen es va descobrir molt abans, el 1926. Els pioners van ser els britànics, que van notar que en certs sistemes apareixia un "cap" brillant que brillava, que es movia en espiral, en lloc d'una ona de detonació plana.
Voitsekhovsky, amb un gravador de fotos que ell mateix va dissenyar, va fotografiar el front d'ona, que es movia en una cambra de combustió anular en una barreja de combustible. La detonació de l’espín difereix de la detonació plana, ja que sorgeix una sola ona transversal de xoc, seguida d’un gas escalfat que no ha reaccionat, i ja darrere d’aquesta capa hi ha una zona de reacció química. I és precisament aquesta ona que impedeix la combustió de la cambra mateixa, que Marlene Topchiyan va anomenar "un bunyol aplanat".
Cal tenir en compte que els motors de detonació ja s’han utilitzat en el passat. En particular, estem parlant del motor de reacció aeri que va ser utilitzat pels alemanys al final de la Segona Guerra Mundial amb els míssils de creuer V-1. La seva producció era bastant senzilla, el seu ús era prou fàcil, però al mateix temps aquest motor no era molt fiable per resoldre problemes importants.
A més, el 2008 va sortir a l'aire el Rutang Long-EZ, un avió experimental equipat amb un motor de detonació polsant. El vol va durar només deu segons a una altitud de trenta metres. Durant aquest temps, la central elèctrica va desenvolupar un impuls de l'ordre de 890 Newtons.
El prototip experimental del motor, presentat pel laboratori nord-americà de la Marina dels Estats Units, és una càmera de combustió en forma de con anular que té un diàmetre de 14 centímetres al costat del subministrament de combustible i 16 centímetres al costat del broquet. La distància entre les parets de la cambra és d'1 centímetre, mentre que el "tub" fa 17,7 centímetres de llarg.
Com a mescla de combustible s’utilitza una mescla d’aire i hidrogen, que s’abasteix a la cambra de combustió a una pressió de 10 atmosferes. La temperatura de la barreja és de 27,9 graus. Tingueu en compte que aquesta barreja és reconeguda com la més convenient per estudiar el fenomen de la detonació de spin. Però, segons els científics, en els nous motors serà possible utilitzar una mescla de combustible no només d’hidrogen, sinó també d’altres components combustibles i aire.
Els estudis experimentals d’un motor rotatiu han demostrat la seva major eficiència i potència en comparació amb els motors de combustió interna. Un altre avantatge és un important consum de combustible. Al mateix temps, durant l'experiment es va revelar que la combustió de la barreja de combustible al motor rotatiu de "prova" no és uniforme, per tant, és necessari optimitzar el disseny del motor.
Els productes de combustió que s’expandeixen al broquet es poden recollir en un raig de gas mitjançant un con (aquest és l’anomenat efecte Coanda), i després aquest raig es pot enviar a la turbina. La turbina girarà sota la influència d’aquests gasos. Per tant, una part del treball de la turbina es pot utilitzar per propulsar els vaixells i, en part, per generar energia, necessària per a equips de vaixells i diversos sistemes.
Els propis motors es poden produir sense peces mòbils, cosa que simplificarà enormement el seu disseny, cosa que, al seu torn, reduirà el cost de la central elèctrica en general. Però això només és en perspectiva. Abans de llançar nous motors a la producció en sèrie, cal resoldre molts problemes difícils, un dels quals és la selecció de materials resistents a la calor.
Tingueu en compte que, de moment, els motors de detonació rotatius es consideren un dels motors més prometedors. També els desenvolupen científics de la Universitat de Texas a Arlington. La central elèctrica que van crear es va anomenar "motor de detonació contínua". A la mateixa universitat, s’està investigant sobre la selecció de diversos diàmetres de cambres anulars i diverses mescles de combustible, que inclouen hidrogen i aire o oxigen en diferents proporcions.
El desenvolupament en aquesta direcció també està en marxa a Rússia. Així, el 2011, segons el director gerent de l’associació de recerca i producció de Saturn I. Fedorov, científics del Centre Científic i Tècnic de Lyulka estan desenvolupant un motor de reacció d’aire polsant. El treball s'està duent a terme en paral·lel al desenvolupament d'un prometedor motor anomenat "Producte 129" per al T-50. A més, Fedorov també va dir que l'associació està duent a terme investigacions sobre la creació d'avions prometedors de la següent etapa, que se suposa que no seran tripulats.
Al mateix temps, el cap no va especificar quin tipus de motor polsador es tractava. De moment, es coneixen tres tipus d’aquests motors: sense vàlvula, vàlvula i detonació. Mentrestant, s’accepta generalment que els motors polsants són els més senzills i barats de fabricar.
Avui dia, diverses grans empreses de defensa estan duent a terme investigacions sobre motors de reacció polsants d’alt rendiment. Entre aquestes empreses hi ha la nord-americana Pratt & Whitney i General Electric i la francesa SNECMA.
Així, es poden extreure certes conclusions: la creació d’un nou motor prometedor té certes dificultats. El principal problema actualment és en teoria: què passa exactament quan l’ona de xoc de detonació es mou en un cercle només es coneix en termes generals i això complica enormement el procés d’optimització dels dissenys. Per tant, la nova tecnologia, tot i que és molt atractiva, difícilment és factible a escala de producció industrial.
No obstant això, si els investigadors aconsegueixen resoldre els problemes teòrics, serà possible parlar d’un avenç real. Al cap i a la fi, les turbines no només s’utilitzen en el transport, sinó també en el sector energètic, en què un augment de l’eficiència pot tenir un efecte encara més fort.
