Natureza e tecnologia! Como as aves inspiram fabricantes de aviões a criar seus próprios “pássaros”

Olhar para o céu sempre foi muito inspirador – e intrigante – para a humanidade. Olhar para cima e imaginar o que há “lá fora” ou apenas observar os pássaros que vão e vêm com sua liberdade geográfica praticamente irrestrita ao redor do planeta. Foi mais ou menos por aí que surgiu a vontade humana de ser como os pássaros. E isso persiste até os dias atuais.

A natureza é um exemplo para a aviação desde os primórdios dessa indústria vital. Mas é apenas uma inspiração – os gigantes artificiais definitivamente não conseguem ser idênticos às aves, mas as evoluções tecnológicas permitem que a imaginação dos engenheiros alce voos cada vez mais altos para melhorar a eficiência dos aviões que já moldam o futuro do setor.

Para entender um pouco mais sobre essa inspiração nos pássaros – e que vai até o fundo do mar! -, conversamos com a Airbus, que contou alguns dos segredos que fazem parte da sua engenharia de aeronaves.

Quais espécies de pássaros mais inspiram a fabricação de aviões?

Engana-se quem pensa que qualquer pássaro serve para as fabricantes. Pomba de praça? Andorinha? Urubu? Pardal? Nada disso. Segundo a Airbus, a empresa procura espécies que tenham uma “vantagem competitiva” sobre suas presas.

Entre os pássaros que fazem brilhar os olhos da fabricante estão as águias (e todas as outras aves de rapina), as corujas – por sua característica silenciosa e cada vez mais importante na aviação dos dias de hoje – e os gansos – por sua resistência em formações migratórias em V.

Os albatrozes também são um pássaro bastante apreciado por conta do que a companhia classifica como “design de asa eficiente em termos de energia”. Essa característica tem relação direta com o consumo de combustível, algo que as companhias tentam poupar o tempo todo, e têm apostado em aviões mais modernos com uma queima menor.

Mas a Airbus vai do céu ao fundo do mar! Nas profundezas do oceano, a fabricante inspira-se nos… tubarões. De acordo com a empresa, a pele desses animais fantásticos e intimidadores (para muitas pessoas, aterrorizantes) é uma fonte de estudos por conta de seu tamanho e sua velocidade pelas profundezas dos oceanos.

Qual característica de voo é mais importante?

Avião não bate asa – e nem é algo vantajoso -, então o voo planado é a característica mais importante da trajetória das aves para as fabricantes, pois exige dos animais um mínimo de energia e proporciona uma minimização de arrasto. Esse fenômeno é bastante observado pelas empresas, pois impacta diretamente na eficiência das aeronaves e no consumo de combustível.

O voo com batimento de asas não é aplicável para produzir a sustentação necessária para aeronaves comerciais, por conta de dezenas de toneladas de peso em velocidade transônica.

O voo planado, segundo a Airbus, “é provavelmente onde podemos aprender mais com a natureza”. A minimização de energia para o movimento é uma conquista fundamental da evolução, e essa evolução está impulsionando a adaptação e o processo evolutivo das espécies em relação ao seu ambiente.

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Como a Airbus estuda o voo dos pássaros?

Engenharia não é biologia, mas, como já vimos, na aviação esses mundos se cruzam em alguns momentos. A Airbus – e demais fabricantes – usa as observações e os dados de cientistas e, em seguida, adapta a tecnologia aos produtos. Isso acontece por meio de “demonstradores experimentais” e exercícios de simulação para desenvolver a tecnologia.

A pesquisa acadêmica definitivamente cria a ponte entre a biomecânica e da engenharia aeronáutica. Um exemplo concreto é o desenvolvimento de compósitos de base biológica, testados em laboratórios da Airbus.

As surpresas ao estudar o voo dos pássaros

Questionada sobre quais são as maiores surpresas ao estudar o voo dos pássaros, a Airbus afirma que são “várias”. No entanto, é a resistência “extrema e extraordinária” de alguns pássaros o que mais chama a atenção dos engenheiros.

Quando solicitados a projetar um objeto voador de cerca de 1 kg capaz de um voo contínuo por mais de 10.000 km em menos de 10 dias, muitos engenheiros responderiam que esses requisitos não podem ser atendidos com as tecnologias atuais. Outros podem até demonstrar que isso é fisicamente impossível, por exemplo, para transportar a energia necessária.

Ao levantar os olhos para o céu, porém, os pesquisadores observaram que um pássaro chamado maçarico-de-cauda-barrada (bar-tailed godwit, em inglês) está alcançando esse desempenho notável, ao atravessar o Pacífico central do Alasca à Nova Zelândia. Este pequeno, mas elegante, pássaro marinho migratório é capaz de um voo muito eficiente.

As tecnologias desenvolvidas a partir dos pássaros

Décadas de observação já trazem resultados concretos no desenvolvimento de novas tecnologias para os aviões – e um deles é bem conhecido de todos nós: as pontas das asas do Airbus A320, chamadas de sharklets.

Na visão da Airbus, a natureza tem sido “extremamente inventiva” na minimização do arrasto induzido para uma determinada envergadura. Por exemplo, grandes pássaros como águias estendem penas verticais nas pontas de suas asas para minimizar os vórtices de ponta responsáveis pelo arrasto.

Ao imitar essa estrutura para obter a sustentação de uma asa maior, a Airbus aplicou essa tecnologia de “retrofit” ao A320. O resultado? Redução no consumo de combustível e nas emissões de pelo menos 3,5% nas operações, uma solução agora implementada em todas as aeronaves. Outras fabricantes, como Boeing e Embraer, também apostam em um formato parecido.

Outra característica muito bacana vem das corujas, como já mencionamos anteriormente. A Airbus explica que o “incrível silêncio” do voo de uma coruja se deve às suas penas, que suprimem as grandes estruturas de fluxo turbulento de ar que causam ruído.

A empresa afirma que ainda está aprendendo sobre esse fenômeno. Hoje em dia, porém, já é possível embarcar em aviões que claramente são menos barulhentos, como o Airbus A350 e o Boeing 787, da concorrente norte-americana.

Mas não fica só nisso, embora seja um dos elementos mais conhecidos pelos viajantes – além da criação dos próprios aviões, certo? A Airbus destaca outros componentes de aeronaves que se originaram da observação da natureza:

• Asas de grande envergadura
• Estratégias de alívio de carga
• Pele de tubarão
• Bioestruturas (possibilitadas pela impressão 3D)
• Tecnologias de “morfismo”
• Sistemas de sensoriamento avançado (vento, mapa de pressão, campo magnético, rajadas de vento etc.)

O projeto Bird of Prey

Embora não tenha a intenção de ser uma aeronave comercial de fato, vale mencionar o Bird of Prey. O projeto da Airbus serve de inspiração para gerações futuras de aviões de alcance regional, e é um exemplo dado pela fabricante sobre iniciativas com base na natureza – neste caso, mais especificamente ao observar águias e falcões.

De acordo com a empresa, quatro grandes elementos identificados em pássaros integram o equipamento:

• As “penas”: no lugar de flaps tradicionais, as pontas das asas e a cauda apresentam “penas” controladas individualmente. Na natureza, um pássaro “torce” essas penas para se manter estável em rajadas de vento. Na aeronave, fornecem controle de voo ativo, reduzindo a necessidade de atuadores mecânicos pesados.
• O design “sem cauda”: ao usar uma cauda de “penas divididas” para estabilidade, o design elimina o estabilizador vertical (a “barbatana” na parte traseira de um avião), o que reduz significativamente o arrasto.
• Metas de eficiência: o conceito tenta alcançar uma redução de 30% a 50% no consumo de combustível em comparação às aeronaves regionais atuais, combinando essa aerodinâmica com um sistema de propulsão híbrido-elétrico.

Quais projetos ainda não chegaram às aeronaves comerciais?

Nos bastidores, a Airbus tem algumas novas ideias que estão sendo desenvolvidas com base no que a natureza dá. Projetos assim costumam ser rodeados de segredos, até mesmo para evitar a chamada “espionagem industrial”.

Mesmo assim, a companhia compartilhou alguns poucos detalhes acerca de algumas dessas iniciativas. Confira a seguir:

• eXtra Performance Wing (Asa de Desempenho Extra): inspirado em asas de pássaros com morfismo. Apresenta um bordo de fuga (trailing edge) com “morfismo” que muda de forma em tempo real para otimizar a sustentação. Está passando por testes de voo neste ano.
• AlbatrossONE: inspirada na articulação do ombro de um albatroz. Elas “batem” livremente durante a turbulência para aliviar a carga estrutural, permitindo asas mais longas e eficientes. O status mais recente é o de conclusão da prova de conceito para pontas de asa articuladas.

• Projeto Fello’fly: o projeto imita a formação em V de gansos migratórios, em que uma aeronave surfa no fluxo de ar ascendente criado por uma “líder”. Dentro do Fello’fly existe um projeto chamado Geese (gansos, em inglês) para demonstrar como a iniciativa funciona nas operações. Os testes resultaram em uma redução no consumo de combustível de cerca de 5% para a aeronave seguinte em voos de longo curso. Está avançando para viabilidade comercial.

Aviões do futuro podem ter asas mais flexíveis?

As asas tradicionais são construídas para serem rígidas, para evitar o chamado flutter (vibrações violentas e destrutivas). No entanto, a flexibilidade inspirada em pássaros pode ajudar a resolver três grandes problemas:

• Redução de ‘arrasto’: asas mais longas criam menos “arrasto induzido”, o que ajuda a poupar combustível. Ao tornar as asas flexíveis e leves, a Airbus pode aumentar a envergadura sem adicionar o peso que geralmente a acompanha. A eXtra Performance Wing, que mencionamos acima, tem como meta uma redução no consumo de combustível de 5% a 10% apenas com isso.
• Alívio de carga: o projeto AlbatrossONE provou que as pontas das asas articuladas “semi-aeroelásticas” podem bater livremente durante uma rajada de vento. Em vez de o avião inteiro sacudir, as pontas das asas simplesmente “oscilam” para cima, absorvendo a energia.
• Geometria adaptativa: aviões atuais usam flaps hidráulicos pesados que se movem em “degraus”. As asas futuras terão bordos de fuga com morfismo que se curvam suavemente, como a asa de um pássaro. Isso garante que a asa esteja sempre na forma perfeita para qualquer velocidade ou altitude do avião.

A natureza que ainda intriga (e desafia) a engenharia

Finitude é uma palavra que raramente está no vocabulário da pesquisa científica, e isso transborda para a aviação quando se fala na inspiração na natureza para o desenvolvimento de aeronaves. Ainda há muitos elementos a serem “absorvidos” dos animais: agilidade, flexibilidade, estruturas leves, sensoriamento (usando os campos magnéticos da Terra) e tantos outros.

Muitos pássaros são resultado de três bilhões de anos de evolução na Terra. E na visão da Airbus, “muitas soluções ainda não são alcançáveis por meio de nossos atuais sistemas industriais”. Alguns desses elementos são:

• Voo com batimento de asas

Embora pequenos drones semelhantes a pássaros possam “bater” as asas, fazer isso com um avião comercial é o maior objetivo “impossível”, de acordo com a Airbus. E há uma explicação na Física.

À medida que um objeto aumenta de tamanho, a energia necessária para mover sua massa cresce exponencialmente. Os músculos de um pássaro são altamente eficientes para o seu peso, mas o esforço mecânico de “bater” uma asa capaz de levantar 300 pessoas quebraria as estruturas atuais de fibra de carbono ou titânio.

• Controle individual de “penas”

O conceito Bird of Prey apresenta pontas de asa feitas de “penas” controladas individualmente. O principal desafio para a Airbus: um pássaro tem milhares de penas, e uma grande ave de rapina pode mover dezenas de penas de voo primárias de forma independente.

Por que é “impossível” hoje para o setor: para replicar isso em um avião, seriam necessários centenas de minúsculos atuadores mecânicos (motores) e milhares de sensores. Isso não só seria incrivelmente pesado, mas o software necessário para gerenciar múltiplas “penas” simultaneamente em tempo real está além da capacidade dos computadores de controle de voo atuais.

• “Pele morfológica” viva

A asa de um pássaro não tem lacunas ou dobradiças – é uma superfície contínua e flexível de músculo e pele. Os aviões modernos, por sua vez, usam flaps que deixam lacunas quando se estendem, criando ruído e arrasto.

A barreira de materiais: a Airbus ainda está procurando uma “pele” que seja tão forte quanto o alumínio e tão flexível quanto o elastano. Ela deve ser capaz de suportar -50°C a 35.000 pés, resistir à radiação ultravioleta e esticar milhares de vezes sem enrugar ou rasgar.

As atuais “ligas com memória de forma” estão se aproximando dessa realidade, mas ainda não são duráveis o suficiente para 20 anos de serviço comercial de uma aeronave.

• Estabilidade “sem cauda” verdadeira

Os pássaros não têm uma “barbatana” vertical como um avião. Eles se mantêm estáveis, torcendo sutilmente suas asas e usando as penas da cauda como um leque. A cauda vertical é o principal recurso de segurança de um avião para estabilidade. Removê-la (como visto no conceito Bird of Prey) torna o avião “aerodinamicamente instável”.

Qual é o limite atual: embora os bombardeiros militares furtivos (imagem abaixo) não tenham a “barbatana” vertical, exigem computadores redundantes muito caros para evitar que o avião “capote”. Para um voo comercial com centenas de vidas a bordo, a parte impossível não é o design: é provar aos reguladores que o avião é 100% seguro se um computador falhar por apenas um milissegundo.

• Estruturas internas semelhantes a ossos

A Airbus está usando impressão 3D para criar peças que se pareçam com ossos de pássaros (ocos, mas reforçados com hastes internas).

Embora a empresa consiga imprimir um suporte “inspirado em osso” para uma porta, ainda não pode imprimir em 3D uma asa ou fuselagem inteira com esse nível de complexidade biológica.

Segundo a Airbus, este limite de escala é um grande desafio e exigiria uma revolução no processo de fabricação. No entanto, com a rápida evolução das técnicas de produção, a empresa considera que grandes bioestruturas serão alcançáveis um dia.

Como a inteligência artificial apoia as fabricantes?

Algo tão complexo quanto a estrutura das aves, sua evolução e as técnicas de voo inevitavelmente exigiria um empurrãozinho da inteligência artificial (IA). As fabricantes já estão de olho nas novas tecnologias para conseguirem avançar um pouco mais rápido nas tentativas de “imitar” a natureza.

Na Airbus, o “design generativo orientado por IA” é capaz de copiar a lógica interna dos pássaros para aplicação em novos projetos. Um dos exemplos são as estruturas semelhantes a ossos: os engenheiros agora usam IA para “desenvolver” as nervuras de uma asa.

O resultado, segundo a fabricante, é uma treliça que se parece com os ossos ocos e reforçados de um pássaro – colocando força apenas onde é necessário e removendo cada grama de peso inútil.

Neste contexto, a IA ainda parece engatinhar no apoio às fabricantes, mas deve ganhar muito espaço nos próximos anos. Considerando que as espécies de pássaros continuam evoluindo – e que esse é um processo que pode não ser finito, embora muito longo e muito demorado -, o desafio e o fascínio deverão ser permanentes.

E cabe a pergunta: como será a aviação daqui a muitos milhões de anos? Até que ponto a natureza será capaz de influenciar a engenharia aeronáutica?