Materiales compuestos avanzados impulsan una lancha rápida voladora revolucionaria

La electrificación global del transporte es una evolución desigual, simultáneamente habilitada e impedida por las innumerables fuerzas que gobiernan el desarrollo tecnológico y afectan a todo, desde automóviles y aeronaves no tripuladas hasta transporte ferroviario y embarcaciones marinas. Estas fuerzas habilitadoras/impedidoras incluyen baterías que maduran rápido pero son pesadas, supervisión gubernamental a veces lenta para adaptarse, principios de gravedad y fricción, estrictos requisitos de seguridad de pasajeros, aseguradoras ansiosas y desarrollo desigual de materiales ligeros.

Aun así, las innovaciones en materiales, procesos, hardware y software están haciendo posibles productos que hace solo unos años eran inconcebibles, y no puede haber mejor ejemplo de esto que el Seven, una nueva lancha rápida totalmente eléctrica, de gran autonomía y totalmente compuesta con foils, que está siendo fabricada por Candela Boats (Lidingö, Suecia) usando soluciones de matriz de resina proporcionadas por Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Francia).

         

Cómo llegamos aquí

Candela Boats fue fundada en 2014 por el CEO Gustav Hasselskog quien, aunque ingeniero de formación, había trabajado anteriormente como consultor y en el mercado de químicos de consumo. Por su propia admisión, Hasselskog «se había aburrido» con el mundo corporativo y decidió que quería encontrar un trabajo más significativo. Dejó su trabajo corporativo en 2014 y durante ese verano se retiró con su familia a una casa ubicada en uno de los archipiélagos que rodean Estocolmo, Suecia.

«Teníamos un barco de 25 pies con motor V-8», recuerda Hasselskog, añadiendo que ir a cualquier parte y conseguir cualquier cosa requería un viaje en barco a Estocolmo, que costaba al menos 50 dólares por viaje. «Se sentía un poco raro, gastar tanto dinero en un barco», dice. Hasselskog empezó a hacer cálculos, preguntándose qué se necesitaría para hacer la navegación recreativa más eficiente. «Lo que descubrí», dice, «es que el tema no se ha abordado para hacer los barcos más eficientes y hacerlos eléctricos».

Hasselskog comenzó a estudiar más el mercado náutico recreativo. Estudió tecnología de baterías y propulsión eléctrica, determinando lo que se requeriría para dar a una lancha planeadora una autonomía de al menos 50 millas náuticas —un objetivo que pensó razonable. Hasta ahora, la aplicación de propulsión totalmente eléctrica en embarcaciones planeadoras se ha visto plagada por falta de potencia y falta de autonomía, principalmente debido a la fricción de la superficie del agua que un barco debe superar. Además, para aumentar la autonomía o la potencia en una lancha planeadora se requiere la adición de baterías, lo que también añade peso y, por extensión, arrastre. En resumen, Hasselskog descubrió que no era posible hacer una lancha planeadora más eficiente. «Una lancha planeadora es un callejón sin salida. No puedes hacerla más eficiente», dice. «El foil es el único camino». Así que Hasselskog vendió la casa de verano de la familia en el archipiélago, y en 2014 nació Candela Boats.

El foil es inherentemente inestable debido a la termodinámica compleja involucrada. Candela Boats desarrolló un sofisticado sistema de sensores y controles para manipular los foils y asegurar una navegación suave y segura. Fuente | Candela Boats

El foil no es para débiles de corazón

El desafío principal del foil radica en la inestabilidad inherente de un barco que se mueve a través y sobre el agua, pero no sobre la superficie del agua. Un foil —o, más exactamente, un hidrofoil— es una estructura alar unida al fondo del casco de un barco. El foil pasa a través del agua perpendicular a la dirección de viaje y, usando los mismos principios del vuelo de aeronaves, a cierta velocidad proporciona suficiente sustentación para elevar el barco completamente fuera del agua. La fricción del casco se elimina así, dejando el arrastre del foil y el aire como únicas resistencias.

Los foils pueden tomar una variedad de formas, pero en todos los casos deben proporcionar una superficie plana que pase a través del agua de canto. Y, como un ala de aeronave, el ángulo de ataque del foil en el agua puede ajustarse para aumentar o disminuir la sustentación. Los foils también pueden desplegarse a diversas profundidades, pero la profundidad tiene un efecto en la eficiencia. Por ejemplo, el foil superficial relativamente poco profundo es más estable, pero menos eficiente. El foil más profundo es más eficiente pero menos estable.

En cualquier caso, «volar» sobre el agua presenta un entorno hidrodinámico muy diferente al que enfrenta una lancha planeadora en la superficie del agua. Fuera del agua y navegando sobre foils, un barco se comporta muy diferente —distribución de peso, giros, resistencia al viento y aguas turbulentas deben gestionarse cuidadosamente.

La tecnología de foil, aunque tiene más de 100 años, hasta ahora se ha usado principalmente en grandes yates de regata y algunos ferris de pasajeros. Los yates de regata con foil suelen ser tripulados por grandes tripulaciones bien entrenadas para gestionar una estructura de foil dinámica y de movimiento rápido. Los ferris con foil dependen del foil superficial, que, como se señaló, es más estable.

Hasselskog decidió hacer su lancha rápida lo más eficiente posible y optó por foils profundos. El desafío sería hacer que un barco de foil profundo operara de forma fácil, fluida y segura, independientemente de quién esté al timón. Hacerlo requeriría el desarrollo de un sistema de control de foil sin precedentes, y una estructura de barco que no solo sea ligera, sino diseñada específicamente para foil.

Construyendo el foil perfecto

El Seven mide 7,7 metros de largo, 2,4 metros de ancho, pesa 1.300 kilogramos y tiene capacidad para seis personas. Usa dos foils, el mayor de los cuales se despliega a unos 2 metros de la proa del barco. El diseño del foil principal es relativamente simple: Dos puntales pasan a través del casco hacia el agua y se unen en ángulo recto a un foil que mide 2,35 metros de largo, 200 milímetros de ancho y 25 milímetros de grosor. El foil —también llamado foil Π invertido— está orientado perpendicular a la dirección de viaje. Los puntales del foil son accionados por motor para moverse arriba y abajo para bajar y subir el foil. Cuando el barco no está en modo foil, el foil está completamente retraído al ras con el casco del barco. A velocidades de foil, el foil se despliega en el agua a una profundidad máxima de 550 milímetros.

Cuando el Seven no está en modo foil, los dos puntales naranjas que se conectan y accionan el foil lo mantienen al ras con el casco. El foil blanco y naranja es visible aquí justo debajo del casco y justo por encima del nivel del agua. Fuente | Candela Boats

En la popa del barco hay un segundo foil en T más pequeño que también actúa como timón. Está unido a un motor eléctrico de 55 kilovatios que acciona un eje de transmisión en el timón que gira una hélice al final del timón. El motor es alimentado por baterías recargables, ubicadas en la sección más adelantada del casco, para proporcionar equilibrio cuando el barco está en modo foil. El Seven comienza a foil a 14-15 nudos, navega a 22 nudos, tiene una velocidad máxima de 30 nudos y una autonomía de 50 millas náuticas.

Teodor Hällestrand, gerente de producto en Candela Boats, dice que los puntales y foils son compuestos de fibra de carbono/epoxi y plantearon un importante desafío de ingeniería de diseño. Para proporcionar el control requerido para una navegación suave, Candela necesitaba poder ajustar el foil a las condiciones cambiantes del barco. Esto requiere un sistema de sensor/control altamente dinámico emparejado con un foil altamente responsivo. «El foil es recto, pero queríamos poder torcerlo en el agua, dependiendo de la velocidad, ángulo de balanceo, ángulo de cabeceo y ángulo de guiñada», dice Hällestrand. «Podemos entender cómo está posicionado el barco y luego ajustar la orientación para hacer la navegación lo más suave posible». Esto lo logra el sistema de control, que ajusta dinámicamente los puntales para cambiar el ángulo de ataque del foil o torcer el foil, particularmente para virar.

Hasselskog dice: «Necesitamos poder torcer el foil frontal o proporcionar un ángulo de ataque diferente». Todas estas acciones ocurren bajo carga, dice, «así que necesitamos un material con baja rigidez torsional, pero con alta rigidez a flexión». El resultado es un «plan de estratificado bastante elaborado» que usa cintas de fibra de carbono unidireccional (UD) (principalmente ±45 grados) para proporcionar la rigidez y capacidades de flexión requeridas. El foil usa fibra de carbono de módulo estándar de una variedad de proveedores e infundida con resina epoxi SR1710 suministrada por Sicomin Epoxy Systems. El foil se cura a temperatura ambiente, seguido de un post-curado a 40 °C.

No es un casco promedio

En ningún lado la salida del Seven de los estándares de diseño de lanchas planeadoras es más aparente que en el casco —tanto en diseño como en ingeniería. Lo más notable es el hecho de que, aunque presenta un casco en V estándar, rompeolas en la proa, el casco es plano desde los foils frontales hasta la popa. Hasselskog señala varias razones para esto.

El interior del casco del Seven muestra los largueros y costillas cortados de laminados compuestos de fibra de carbono/epoxi y luego unidos en su lugar con adhesivo y fijaciones mecánicas. Esta arquitectura permite a Candela Boats ensamblar cascos rápidamente, y proporciona flexibilidad para adaptarse a cambios de diseño. Fuente | Candela Boats

Primero, dice, «solo necesitamos la forma en V para atravesar las olas». También protege los foils cuando el barco no está en foil. Segundo, aplanar la mitad del casco simplifica la fabricación y ahorra mucho peso. Tercero, dice, el fondo plano hace que el barco sea increíblemente estable en el muelle para embarque/desembarque. «Es como una barcaza», señala.

Dentro del casco, sin embargo, es donde Candela ha trabajado para hacer el Seven no solo estructuralmente sólido, sino adaptable a una fabricación eficiente y de cadencia relativamente alta. Hällestrand dice que el casco es comparable en diseño a un fuselaje de aeronave —una piel que rodea una red de largueros y costillas. Como el foil, el casco se infunde, usando la misma fibra de carbono UD y epoxi SR1710, fabricado sobre utillaje compuesto también hecho con SR1710. El grosor del casco por debajo de la línea de flotación es de 3 milímetros; el grosor por encima de la línea de flotación es de 2 milímetros.

Marc Denjean, gerente de exportación en Sicomin, dice que el SR1710 es un sistema epoxi de alto rendimiento que proporciona «propiedades mecánicas muy por encima del promedio». Sicomin también proporciona una imprimación epoxi de alto espesor en molde, lo que significa que el casco se desmoldea listo para pintar.

Para construir los largueros y costillas, Candela comienza con paneles infundidos de laminado sólido de fibra de carbono/epoxi de 3 milímetros de grosor y luego los mecaniza CNC a la forma, dependiendo de dónde en el casco se coloca el laminado. Para construir la estructura del casco —largueros y costillas— estas formas cortadas se ensamblan y unen entre sí y al casco con adhesivo y fijaciones mecánicas.

El paquete de baterías del Seven está ubicado en la sección delantera del casco, para proporcionar el equilibrio necesario cuando el barco está en modo foil.

Fuente | Candela Boats

Este proceso de diseño/fabricación de corte y ensamblaje de laminados, dice Hasselskog, ha resultado altamente eficiente y permite a Candela Boats construir la estructura del casco en solo 40 horas. También permite a la empresa ajustar fácilmente las estructuras internas a cambios de diseño sin el gasto y tiempo requeridos para modificar moldes. «Es fácil escalar, hacer cambios o construir nueva estructura simplemente cambiando el código de mecanizado», dice.

La conclusión

En línea con la visión original de Hasselskog, la eficiencia del Seven es difícil de superar —es 4-5 veces más eficiente energéticamente que una lancha planeadora comparable propulsada a gas y convierte el 90% de su energía química en energía mecánica. Además, el coste de propiedad del Seven, según Candela, es un 95% menor que una lancha planeadora a gas.

La empresa tiene 190 pedidos para el Seven, y espera ensamblar 40 barcos en 2020. Hasselskog dice que actualmente Candela es solo un diseñador y ensamblador de barcos. La fabricación de estructuras compuestas la realizan terceros, pero Hasselskog dice que Candela puede traer ese trabajo internamente mientras busca optimizar procesos de fabricación y, en última instancia, reducir la huella de carbono de la empresa. «Tenemos que bajar nuestros costes, y eso significa fabricar de forma más eficiente», dice Hasselskog. «Aún no estamos ahí, pero vamos en la dirección correcta».