Desde principios hasta mediados del siglo XX, los fabricantes de locomotoras de vapor también construyeron locomotoras de aire comprimido para el sector minero. Si bien la propulsión eléctrica por batería ha reemplazado a las locomotoras de aire comprimido, el sector de la afición ha desarrollado avances en la propulsión de aire comprimido que implican el funcionamiento de aire sobre agua. Existe una aplicación potencial para la propulsión de aire comprimido sobre agua en la propulsión marítima moderna de corta distancia.

Introducción

El almacenamiento de energía clásico incluía locomotoras propulsadas por aire comprimido para el sector minero, la última de las cuales se construyó durante la década de 1950 e implicaba el uso de tanques de alta presión bombeados a 3500 psi (libras de fuerza por pulgada cuadrada) y una densidad del aire de 14 libras por pie cúbico. Operar los tanques entre 1000 psi y 3500 psi habría elevado la temperatura del aire a más de 300 grados F o 155 grados C, permitiendo el almacenamiento de calor al rodear los tanques de aire con un aislamiento pesado. La tecnología de alta presión era muy adecuada para operaciones de corta distancia.

Los constructores de modelos de cohetes desarrollan propulsión de aire comprimido sobre agua para acelerar modelos de cohetes a escala hechos con botellas de plástico de refrescos, enviándolos hacia el cielo. En un experimento relacionado se utilizó aire comprimido sobre tecnología de propulsión hidráulica para acelerar repetidamente un autobús de transporte urbano desde parado. La escala física de algunos buques marítimos combina una enorme capacidad de carga de peso con un generoso espacio volumétrico, lo que permite la instalación de tecnologías de propulsión y almacenamiento de energía que serían inadecuadas para la operación de vehículos ferroviarios o de carretera. Este aire comprimido modificado tiene potencial en operaciones de transbordadores de corta distancia y remolcadores en astilleros.

Propulsión de aire comprimido

La propulsión por aire comprimido está bien probada en locomotoras de minería, y la potencia de salida depende de la combinación de presión de aire y caudal másico de aire a través de los cilindros. El aire comprimido a una presión de 1000 psi a temperatura ambiente tiene una densidad de 5 libras por pie cúbico. Mientras que los cohetes de botella que utilizan propulsión de aire sobre agua comprimen la densidad del aire a menos de 1 libra por pie cúbico, el aire ejerce presión sobre el agua con una densidad de 62,4 libras por pie cúbico, lo que aumenta considerablemente el caudal másico a través de la boquilla del cohete y potencialmente a través de un motor que funciona con propulsión de aire comprimido sobre agua.

Bombear aire a alta presión produce calor y especialmente si hay una gran diferencia entre la presión inferior y superior. Minimizar la diferencia entre la temperatura inferior y superior reduce la acumulación de calor, lo que reduce el estrés térmico en los tanques de almacenamiento de energía. Para cargar el sistema, inicialmente se bombearía aire desde la presión atmosférica a 500 psi (34 atm), luego se enfriaría a temperatura ambiente de alrededor de 80 def F o 25 grados C. La carga posterior aumentaría la presión del aire almacenado a 1000 psi o 68 a 70 atm, con una acumulación de calor de hasta 200 grados F o 96 grados C, minimizando las tensiones térmicas.

Plano de efecto suelo

Los cohetes de botella han alcanzado elevaciones de más de 2700 pies y, más recientemente, más de 5300 pies en 2024 con un cohete de botella de 2 etapas. Un modelo de avión de efecto suelo a gran escala que transporta tanques de agua y opera con tanques de presión de aire entre 1.000 psi y 500 psi, teóricamente viajaría varias millas sobre el agua, entre islas o entre un continente y una isla costera. La recarga implicaría bombas de agua de alta presión accionadas eléctricamente o por gravedad que funcionen entre 500 psi y 1000 psi, para transferir agua filtrada a tanques de agua de alta presión a bordo. Un sistema de catapulta terrestre lanzaría el avión al modo de vuelo de efecto suelo, y posteriormente un chorro de agua proporcionaría propulsión a lo largo de varios kilómetros.

El avión de efecto suelo podría funcionar como un dron controlado por radio o por computadora que transporta pequeños paquetes entre islas, entre un continente y una isla costera, a través de la entrada de una gran bahía o a través de un lago estrecho. Un cable de cabrestante accionado eléctricamente sería capaz de acelerar un plano de efecto suelo de mayor escala a través de una superficie lisa y sólida para aumentar la velocidad, cuando la propulsión por chorro de agua se combinaría para mantener la propulsión. Al final del viaje, el aterrizaje podría ocurrir en el agua o, si hubiera una pista costera adecuada disponible, aterrizar en tierra.

Transbordador

Un barco que utiliza propulsión de aire sobre agua operaría en el mismo rango de presión que el concepto de plano de efecto suelo, excepto que un caudal másico de bajo volumen de agua a alta presión impulsaría una hélice de paso variable a través de un motor hidráulico. Convertir el chorro de agua de alta velocidad con un caudal de volumen bajo en un volumen masivo de agua que se bombea hacia atrás a una velocidad mucho menor aumenta en gran medida la eficiencia de propulsión. El flujo de agua a alta presión que ingresa inicialmente al motor hidráulico podría acelerar la embarcación a una velocidad lo suficientemente alta como para subir a hidroalas, reduciendo la resistencia y ampliando el rango de recorrido.

Un ferry comparativamente pequeño que operara con aire comprimido sobre almacenamiento de agua operaría con hidroalas, en servicio de pasajeros. En un servicio de carga lento, el casco de una embarcación construida con 450 pies de largo por 50 pies de ancho albergaría múltiples tanques de aire a alta presión junto con múltiples tanques de agua a alta presión. Se necesitaría disponer de grandes volúmenes de agua filtrada en ambos extremos del viaje, para asegurar una recarga rápida a alta presión durante las escalas. Un buque de este tipo operaría servicios de ferry de corta distancia para transportar pasajeros, o sería asignado al transporte marítimo de corta distancia para transferir carga entre terminales portuarias cercanas.

Remolcador

La propulsión de aire comprimido sobre agua ofrece una aplicación potencial en la operación de remolcadores en astilleros, donde se requeriría una ráfaga rápida de potencia propulsora de corta duración para acelerar barcos grandes en distancias cortas. Un remolcador de doble potencia combinaría un sistema de propulsión de menor potencia para navegar alrededor de un astillero y un área terminal, con la tecnología de propulsión de aire comprimido sobre agua que se usaría exclusivamente cuando fuera necesario para acelerar y mover embarcaciones grandes y pesadas en un período corto de tiempo.

Conclusiones

Si bien la propulsión por aire comprimido está bien probada en aplicaciones ferroviarias de corta distancia, la propulsión por aire comprimido sobre agua se ha desarrollado para aplicaciones aeronáuticas, donde ha demostrado su eficacia. Las turbinas hidráulicas impulsadas por agua a alta presión están bien probadas en presas eléctricas de sitios pequeños y de gran escala. Los fundamentos de la tecnología están bien probados, lo que permite una posible aplicación futura en servicios de ferry de corta distancia, servicio de buques de carga de corta distancia, servicio de remolcador y transporte de efecto suelo de corta distancia. Hay margen para emprender futuras investigaciones sobre el desarrollo y refinamiento de la tecnología de aire comprimido sobre agua para diversas aplicaciones de propulsión.