A aviação comercial cresceu a uma taxa média de 5% ao ano nos últimos 33 anos. Em 2012, contribuiu com US$ 3,8 trilhões anuais para a economia global, de acordo com números da Associação Internacional de Transporte Aéreo (IATA). Nos próximos 20 anos, a perspectiva é dobrar o número de aeronaves em operação, constituindo um mercado estimado de US$ 5 trilhões. Tendo alcançado níveis de eficiência e de segurança satisfatórios, o principal desafio do setor agora é reduzir as emissões de dióxido de carbono (CO2).
Apesar de o percentual de emissão do transporte aéreo representar, atualmente, 2% das emissões de CO2 de origem humana, as crescentes restrições dos órgãos reguladores têm estimulado o setor a buscar novas tecnologias que resultem num crescimento neutro em CO2 a partir de 2020 e na redução de 50% até 2050. “Metade dessas metas podem ser atingidas com o uso de novos biocombustíveis, mas, para alcança-las plenamente será preciso também, e principalmente, buscar avanços técnicos no que diz respeito a configuração das aeronaves, arrasto aerodinâmico, entre outros”, diz Carlos Cesnik, professor de Engenharia Aeroespacial da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, e diretor do Active Aeroelasticity and Structures Research Laboratory.
A tecnologia aeronáutica avançou muito desde o Comet, o primeiro avião comercial propulsionado por motores a jato, que começou a operar em 1952, e que foi literalmente abatido por um erro de projeto. “Desde então, além de substituir janelas quadradas por janelas ovais para evitar a concentração de tensão na estrutura, as aeronaves registraram uma redução do consumo combustível de 82%, sendo que quase a metade desse ganho decorreu da melhora nos motores”, afirma Cesnik.
Os níveis de avanço técnico de eficiência de motores, no entanto, atingiu um patamar de inovações que, como ele diz, é difícil de ultrapassar, considerando os materiais usuais e projetos atuais. Por outro lado, a configuração tradicional de asa/fuselagem/cauda atingiu um nível de otimizacao alto ao longo desses mais de meio século de desenvolvimento. “E, nesse aspecto, principalmente no avião metálico, não sobrou espaço para maiores ganhos. Novos ganhos só poderão ser atingidos por meio de uma aerodinâmica mais sofisticada e pelo uso de estruturas mais leves utilizando outros materiais, incluindo materiais compositos”, sublinha.
A indústria aeronáutica, portanto, precisa estar aberta a novas configurações e a integrações com novas tecnologias. “O advento de novas ferramentas computacionais e de novos materiais permite que a aviação comercial aposte no desenvolvimento de projetos de aeronaves com asas mais alongadas, menor arrasto induzido, escoamento laminar, redução de emissões acústicas, melhor integração da propulsão e airframe, entre outros”.
Nos Estados Unidos, por exemplo, os investimentos em novos conceitos aeronáuticos já se pautam por métricas de curto, médio e longo prazo, definidas em 2010 pela NASA, e que englobam sete linhas de pesquisa: além de combustíveis alternativos, investigam-se estruturas multifuncionais, novas concepções para asas, sistemas de propulsão integrado, novas turbinas, conceitos elétrico-híbridos e melhora no ruído das aeronaves. “Muitas dessas tecnologias ainda não estão disponíveis”, sublinha Cesnik.
O desafio de buscar soluções tecnológicas e novos conceitos aeronáuticos também se colocam para a indústria aeronáutica brasileira. “É preciso inovar e buscar soluções que não existem e capacitar pessoas de forma a permitir que o Brasil explore tópicos de pesquisa mais avançados”, ele afirma.
Quando ferramentas convencionais de projetos não se aplicam a projetos inovadores, a parceria entre a academia ou institutos de P&D e empresas tem tudo para criar um círculo virtuoso de inovação e formação de pessoas: a área acadêmica pesquisa e desenvolve novas técnicas de cálculo e projeto, e forma professionais capacitados nos conceitos fundamentais e nas novas técnicas; esses por sua vez irão implementar todo esse conhecimento e desenvolver novas ideias nas empresas. E, neste quesito, o ITA tem papel fundamental.
Cesnik, que desde o início de 2015 ocupa a Cátedra Embraer no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), tem participado ativamente do projeto de organização do Laboratório de Novos Conceitos em Aeronáutica (LNCA) em visitas periódicas a São José dos Campos. Concebido para buscar dar respostas às demandas futuras da indústria aeronáutica, num ambiente que associe conhecimento e ousadia, o LNCA está sendo concebido como uma espécie de think thank multidisciplinar envolvendo diversas Divisões do Instituto.
“Reunimos um grupo diferente do convencional, que trabalha com uma visão holística e um portfólio de pesquisa e desenvolvimento orientado para temas da indústria”, resume Roberto Gil Annes da Silva, chefe do Departamento de Aerodinâmica da Divisão de Engenharia Aeronáutica e coordenador do LNCA. “Os principais direcionadores e iniciativas de pesquisa e desenvolvimento estão sendo pautados por exigências ecológicas e temas econômicos, sociais e políticos relacionados”, sublinha Gil.
Na busca de novos conceitos em aeronáutica, o LNCA ocupa uma posição privilegiada: mobiliza a inteligência e a infraestrutura de pesquisa e desenvolvimento (P&D) do ITA e do Instituto de Aeronáutica e Espaço (IEA) – os dois institutos integram o Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) – e foi constituído já com a parceria da Embraer que investe no desenvolvimento de aeronaves verdes (green aircraft).
O Laboratório já desenvolve três grandes projetos inovadores, apoiados pela Embraer e pela Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), no âmbito do Edital Inova Aerodefesa – Estudos Avançados em Física de Voo, Aplicação de Compósitos em Asas Alongadas e Aeroacústica de Motores a Jato Instalados – que somam investimentos totais de R$ 4 milhões, incluindo a contrapartida da empresa, por um período de três anos.
Esses projetos coincidem e expandem com o cardápio de pesquisas sugerido pela NASA e, segundo Cesnik, estão alinhados aos interesses de pesquisa e à capacitação de pesquisadores do Instituto nessas áreas. Mas as linhas de investigação poderão ampliar. “As pesquisas vão gerar conhecimento para o desenvolvimento de novas tecnologias”.
O projeto Estudos Avançados em Física de Voo, por exemplo, trabalha com uma plataforma X-HALE, desenvolvida por Cesnik, em Michigan, para avaliação de fenômenos aeroelásticos não lineares, concebido com asa extremamente flexível, fabricada em compósito. “O X-HALE permitirá ao ITA validar ferramentas computacionais e desenvolver soluções de controles que podem ser usadas em aeronaves flexíveis no futuro. É um ambiente experimental que exercita o limite dos controladores”, afirma Cesnik.
No projeto Aplicação de Compósitos em Asas Alongadas, os pesquisadores do ITA desenvolvem ambiente de ensaios virtuais de novos conceitos aeronáuticos em compósitos, com foco nas tecnologias de junção dos reforçadores, utilizando compósito de alto desempenho – fibra de carbono pré-impregnado em matriz de resina epóxi.
Já o projeto Aeroacústica de Motores a Jato Instalados envolve a proposição de novos conceitos para mitigar a irradiação do ruído por meio, por exemplo, de novos parâmetros geométricos de configuração das asas, como formas com planta benéficas para a geração de ruído, ou bordos de fuga elásticos ou porosos.
A seguir, alguns trechos da entrevista de Cesnik, em julho de 2015.
O desafio de construir uma aeronave verde está restrito a alguns países?
Não. Trata-se de um desafio global, dos Estados Unidos, Europa e Ásia. A Europa tem liderado a parte de regulamentação na área de redução de emissão de gases de efeito estufa porque lá o movimento verde é forte. Os Estados Unidos estão começando a aceitar isso. Houve resistência porque o custo é alto, mas a legislação aponta na direção de eficiência energética, de energia alternativa. Nos Estados Unidos, no entanto, é preciso levar em conta a escala: o uso de energia eólica, por exemplo, é baixo em relação ao consumo total de energia, mas o país tem um dos maiores parques eólicos do mundo em termos de megawatt hora.
Quem financia essas pesquisas?
Estamos falando em horizontes de longo prazo. A pesquisa, nos Estados Unidos, tem sido financiada com recursos de órgãos governamentais. Mas isso tem mudado, com a indústria investindo bastante para se manter competitiva. Na Europa e na China, onde a indústria aeronáutica está se desenvolvendo, o maior investimento é governamental.
Por que o LNCA escolheu começar com essas três linhas de pesquisa?
A escolha tem a ver com a atual capacitação do ITA: já há profissionais especializados e muito interesse nessas áreas. São tecnologias que vão contribuir para os grandes desafios propostos pela NASA e outros órgãos de pesquisa internacionais. O dificuldade é por onde começar e como escolher algumas ao invés de outras — e a existência de capacitação interna crítica em alguma dessas áreas nos permite continuarmos construindo no que o ITA tem investido ao longo dos anos: formação de seu corpo discente. Sublinho que o LNCA ainda está em fase de estruturação e de definição de como irá se consolidar e crescer. Nossa visão é que ele se constitua um laboratório com recorte horizontal em todas as áreas de atuação do ITA, reunindo assim especialistas nas mais diversas áreas que apoiam o desenvolvimento aeronáutico e aeroespacial com ideias para desenvolver o futuro da aviação.
O ITA tem recursos humanos e de pesquisa para cobrir todos os sete pontos elencados pela NASA?
A expectativa é que, quando o ITA ampliar o número de alunos e de professores, o conceito subjacente ao LNCA poderia ajudar na contratação de novos talentos para popular os blocos de conhecimento necessários para que o Instituto possa cobrir todas as áreas. A pergunta é: será que precisamos cobrir todas?
Quais são os grandes desafios nas escolhas das áreas de pesquisa em desenvolvimento pelo LNCA?
A escolha da área de materiais compósito é essencial. Trata-se de uma tecnologia com futuro imediato e que vai se expandir. Para tanto, é preciso ter manufatura, metodologia de inspeção de danos, qualidade de analise e projetos etc. E o fato das aeronaves apresentarem asas de maior alongamento resultará em maiores deflexões estáticas (de trimagem) e dinâmica (de resposta a rajada e manobra). Não se trata de uma extensão trivial, afinal, quando se sai dos modelos lineares para modelos não lineares, as ferramentas disponíveis podem servir ou não. Há ainda muito o que se desenvolver nessa área, criando conhecimento especifico e tecnologia que suportará a indústria aeronáutica a se posicionar na comercialização de aeronaves “ecologicamente conscientes” que cruzarão os nossos céus no século XXI.