Люди использовали силу полета более века назад, что позволило нам связываться друг с другом на больших расстояниях быстрее, чем когда-либо прежде. Однако такое расширение возможностей обходится дорого. Современные полеты полностью зависят от ископаемого топлива, которое ужасно для нашей планеты . Помимо крайних мер, таких как полный запрет на авиаперелеты, у нас есть варианты для более экологически чистых авиаперелетов. Во-первых, мы могли бы обеспечить наш полет водородом или электричеством.
С самого начала в полете с двигателем использовалось ископаемое топливо для достижения желаемой тяги. Даже двигатель Райта 1903 года был газовым. Это связано с тем, что ископаемое топливо относительно легко добывать и оно содержит много полезной энергии. Эта энергия, называемая «удельной энергией», является мерой того, сколько энергии содержится в каждой единице массы топлива, и является одной из главных причин, по которой ископаемое топливо приводит в действие наши летательные аппараты. Что потребуется, чтобы самолеты с электрическими батареями или водородные топливные элементы вытеснили ископаемое топливо?
Насколько плотно у вас топливо?
Чтобы заставить машину лететь по небу, нужно много математики и инженерии. Самолет должен быть достаточно легким, чтобы летать, но достаточно тяжелым, чтобы безопасно выполнять требуемые нам функции — например, перевозить людей или товары. Прежде чем вы сможете спроектировать топливную систему, вам нужно знать, насколько тяжелым будет транспортное средство, как далеко вы планируете зайти и как быстро вы хотите туда добраться.
Узнав эти значения, вы начинаете добавлять топливо: реактивное топливо, аккумуляторы или водород. Для каждой из этих систем требуются разные механические компоненты, которые имеют разный вес, не говоря уже о массе самого топлива. Затем, чем больше топлива вы добавляете, тем тяжелее транспорт, а значит, вам нужно еще больше топлива. Хитрость заключается в том, чтобы найти точку равновесия.
В идеале, чтобы самолет размером с 737 пролетел до 600 морских миль (1111,2 км), вам необходимо топливо с удельной энергией около 800 ватт-часов на килограмм (Втч / кг). Такой баланс энергии и веса может обеспечить около половины всех полетов в мире. Для сравнения: реактивное топливо имеет удельную энергию около 12 000 Втч / кг. Водород имеет удельную энергию около 39 500 Втч / кг, что в три раза более эффективно, чем реактивное топливо. Фактически, водород имеет самую высокую удельную энергию для любого практического топлива. Единственное топливо с более высоким отношением энергии к массе — это радиоактивное топливо. Лучшие литий-ионные батареи, которые мы можем сделать сегодня, имеют удельную энергию 250 Втч / кг, хотя в последние годы они стали более эффективными.
Таблица литий-ионных конденсаторов.
Источник: веб-сайт JM Energy / Wikimedia Commons.
Аналогичную проблему имеют водородные топливные элементы и литий-ионные батареи. Топливная система становится непрактично тяжелой и большой, когда вы масштабируете системы до более 200+ пассажирских самолетов, путешествующих на расстояние более 1000 миль (1600 км). В обеих системах технологические достижения сделают их более эффективными, поскольку мы продолжаем развивать технологию. Вероятно, нам также придется переосмыслить то, как мы используем воздушные путешествия в нашей повседневной жизни, поскольку мы изменим дизайн топлива, которое мы используем для полета.
Летающий электрический
В последние годы все больше внимания уделяется достижениям в области электрических самолетов. Например, Solar Impulse II успешно облетел Землю, став первым электрическим самолетом, сделавшим это. Поскольку электрические полеты становятся все более доступными , десятки компаний разрабатывают электрические малые и средние самолеты, планируя испытать их до конца десятилетия.
Инженеры Массачусетского технологического института разработали электрический гибридный двигатель, который может помочь снизить выбросы оксидов азота в результате авиаперелетов на 95 процентов. Эта технология может оказаться очень важной, поскольку мы обезуглероживаем нашу авиацию. В настоящее время большинство электрических самолетов, представленных сегодня на рынке, являются небольшими, от одного до четырехместных, которые могут летать от 15 минут до двух часов и имеют дальность полета не более 300 миль (483 км).
Самолеты с литий-ионным двигателем теоретически очень хорошо подходят для региональных рейсов, перевозящих 30-200 пассажиров и путешествующих на расстояние около 500 км. Если предположить, что мы сможем разработать достаточно легкие аккумуляторные системы, некоторые эксперты считают, что это верхний предел того, на что способны литий-ионные аккумуляторы. Хотя литий-ионные аккумуляторы являются стабильной технологией 30-летней давности, есть некоторые опасения по поводу наращивания этой технологии в эпоху электроники. Они склонны к перегреву, что может привести к опасным пожарам, а добыча необходимых редких металлов имеет тяжелые финансовые и экологические последствия. Новый тип батареи может быть лучшим шагом вперед, и некоторые эксперты положили глаз на литий-серные батареи.
«Аккумуляторы, которые выходят за рамки фундаментальных ограничений литий-ионной (Li-ion) технологии, необходимы для перехода от ископаемого топлива», — описывают Стивен Гриффорд и доктор Джеймс Робинсон из Института Фарадея . «Литий-серная технология может предложить более дешевые и легкие батареи, которые также обладают преимуществами безопасности».
Среди этих преимуществ — теоретическая плотность энергии литий-серной батареи около 2700 Втч / кг. Уже сейчас используемые литий-серные батареи достигают удельной энергии 100-265 Втч / кг. Oxis Energy утверждает, что они разработали литий-серную батарею, которая обеспечивает удельную энергию 450 Втч / кг, а к 2025 году планируется достичь 600 Втч / кг.
Переход на электромобиль также открывает двери для возрождения электромобилей с вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL) . Равномерно распределить электрическую силовую установку легче, чем для традиционных двигателей внутреннего сгорания, что исторически было основным фактором, сдерживающим технологию eVTOL. Технология eVTOL может открыть будущее летающих такси и автомобилей, подобное Jetsons, которые помогут оживленному городу оставаться на связи. Хотя несколько прототипов этих небольших аппаратов eVTOL уже существует, по мере того, как компании разрабатывают технологию и ищут разрешения регулирующих органов, вероятно, пройдет десятилетие или больше, прежде чем технология станет более распространенной.
У электрических самолетов есть значительное преимущество перед другими способами полета: электромобили в целом требуют меньшего обслуживания, потому что у них меньше движущихся частей, электричество дешево и его легко производить. Электрический полет стоит от четырех до шести долларов за час работы, тогда как самолеты, сжигающие реактивное топливо, обходятся в 1000-2000 долларов за час работы. Помимо того, что летать на электрических самолетах гораздо экономичнее, они намного тише, чем их аналоги, сжигающие углерод, что делает их более удобными для пассажиров и персонала.
Сила водорода
Водород — отличное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он бесцветен, не имеет запаха, нетоксичен и наполнен экологически чистой энергией. На нашей планете водород в изобилии, хотя он связан с такими химическими веществами, как вода и метан. По мнению некоторых экспертов, многие свойства водорода делают его более безопасным в использовании, чем бензин . Итак, почему мы не летаем на самолетах, работающих на водороде? В основном из-за текущих ограничений в возможностях нашей инфраструктуры и конструкции самолетов.
Хотя водород имеет самую высокую удельную энергию из любого нерадиоактивного топлива, жидкий водород имеет только четверть объема энергии по сравнению с реактивным топливом . Чтобы самолет мог получать такую же энергию от водорода, что и от реактивного топлива, ему нужен резервуар примерно в четыре раза больше. Как правило, чтобы освободить место для дополнительного хранилища, производители жертвуют общим количеством сидений или делают планер немного больше.
Такие компании, как ZeroAvia, начали с разработки внешних резервуаров для хранения для небольших самолетов, перевозящих 20 человек на 500 миль или меньше, что, вероятно, является верхним пределом того, на что способно это решение. Airbus представил три концептуальных самолета разных размеров, которые могут поступить на коммерческую эксплуатацию к 2030-м годам, в том числе ближнемагистральный и дальнемагистральный.
Инфраструктура, в основном в том, как мы производим водород, является одной из основных проблем, сдерживающих авиацию, использующую водород. Паровая конверсия метана — широко распространенный метод производства водорода, в Соединенных Штатах на его долю приходится 95 процентов всего производимого водорода. Этот метод основан на использовании природного газа и работает путем смешивания углеводородов с водой с образованием окиси углерода и водорода в качестве побочного продукта. Однако этот метод добычи водорода не является безуглеродным и просто сдвинет углеродное загрязнение авиации в другое место.
К счастью, водород можно получить с помощью процесса, называемого электролизом . Это позволяет производить водород из возобновляемых источников; все, что вам нужно, это вода и электричество. Электролизеры должны получать электричество из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, чтобы производить водород экологически безопасным способом. Когда водород производится безуглеродным способом, водородный топливный элемент выделяет воду и тепло только в качестве побочного продукта при его сгорании. Поскольку у нас нет инфраструктуры для чистого производства водорода, его производство в настоящее время является дорогостоящим. Мы производим водород в больших количествах для различных промышленных целей в течение столетия, поэтому мы знаем, что это возможно. Теперь его нужно расширять без выбросов углерода.
Полеты в 2040 году и далее
То, как мы путешествуем, сильно изменится в течение следующего столетия. Современный мир работает на ископаемом топливе, но электричество и водород будут питать мир завтрашнего дня. Мы меняем наши города, оживляем общественный транспорт, расширяем возможности высокоскоростных поездов, модернизируем наши корабли и переосмысливаем наши самолеты. Еще слишком рано говорить, будет ли преобладать водород или электричество, но одно можно сказать наверняка: оба они будут играть заметную роль в нашей отрасли по мере того, как мы движемся к безуглеродному будущему.
Иллюстрация: Концептуальные самолеты Airbus ZEROe с водородным двигателем. Источник: Airbus