Почему самолеты завтрашнего дня будут гибридами

С 1950-х годов аэрокосмическая отрасль достигла невероятных успехов в увеличении как мощности, так и эффективности двигателей. Тем не менее, недавние исследования показывают, что технология двигателя может быть близка к термодинамическим пределам количества энергии, которую она может извлечь из топлива на основе углерода при разумных инвестициях. Это означает, что увеличение количества поездок и увеличение количества воздушных судов приведет к увеличению потребления топлива и увеличению выбросов парниковых газов (ПГ), если не будет найдена подходящая замена ископаемому топливу.

Сегодня на мировую авиационную отрасль приходится 2,4 процента общих выбросов углекислого газа и около 12 процентов парниковых газов, выделяемых транспортной отраслью. Однако ожидается, что этот процент увеличится, поскольку растущий спрос на авиаперевозки, особенно в Азии, требует увеличения пропускной способности. Ожидается, что к 2028 году выручка пассажиро-километров увеличится более чем на 60 процентов до 12 триллионов, а размер мирового флота увеличится на 43 процента до более чем 39 000 самолетов. Международная организация гражданской авиации (ИКАО) прогнозирует, что к 2050 году выбросы от авиации могут увеличиться более чем на 300 процентов. Также вероятно, что его доля в мировом производстве ПГ возрастет, если не будет предпринята попытка отказаться от ископаемого топлива, учитывая усилия других секторов, выделяющих углерод, таких как производство электроэнергии.

Поскольку до полного решения проблемы выбросов - коммерческого реактивного самолета, работающего исключительно на ископаемом топливе, - вероятно, будет несколько десятилетий, несколько новаторских аэрокосмических компаний заимствуют идею из автомобильной промышленности и работают над созданием гибридов самолетов. Как и в случае с автомобилями, эти двигательные установки, которые являются частью внутреннего сгорания и частью электрического, могут представлять собой временную стратегию сокращения выбросов и потребления ископаемого топлива до тех пор, пока не будут разработаны полностью электрические или водородные самолеты. Учитывая все больше свидетельств того, что темпы изменения климата ускоряются, авиация не может позволить себе ждать еще два десятилетия, чтобы решить свою проблему выбросов.

Хотя гибридные автомобили не столько уменьшают выбросы, сколько электромобили, они сокращают их почти вдвое по сравнению с автомобилями с бензиновым двигателем. Для авиации переход в гибридный режим все равно будет означать преодоление многих инженерных задач и потребует одобрения регулирующих органов, но эта альтернатива, вероятно, будет реализована раньше, чем полностью электрический авиалайнер появится на свет.

Более высокое препятствие

Исследования в области электрификации транспорта являются частью глобальных усилий по предотвращению масштабной засухи и значительного повышения уровня моря путем сокращения выбросов парниковых газов. В то время как каждая страна и отрасль обязались внести свой вклад, выбросы углекислого газа продолжают расти - до 2,7 процента в прошлом году, согласно отчету Глобального углеродного проекта. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта, с 2013 года выбросы авиации выросли на 26 процентов. Учитывая стремление хотя бы стабилизировать ситуацию, авиации необходимо найти немедленные решения в ближайшие несколько лет или столкнуться с мерами наказания в соответствии с соглашением, спонсируемым Организацией Объединенных Наций. Речь идет о так называемой Схеме компенсации и сокращения выбросов углерода для международной авиации, которая будет требовать от авиакомпаний ограничения выбросов на уровне 2020 года(идет речь о последующих годах).

Поскольку ожидается, что до 2040 года электромобили или хотя бы гибриды не будут доминировать в продажах автомобилей, Emissions Analytics, специалист по глобальным испытаниям и данным, который измеряет реальные выбросы и эффективность использования топлива, утверждает, что продвижение гибридов в краткосрочной перспективе на самом деле может быть более эффективным в сокращение выбросов в долгосрочной перспективе. Почему бы то же самое не сделать в авиации, учитывая, насколько сложной для реализации пока является полная электрификация воздушного транспорта?

Представляя собой шаг в отрасли к снижению выбросов, гибриды приводятся в действие как обычными турбинными двигателями, питаемыми керосином, так и электродвигателями, использующими «чистую» мощность, запасаемую в батареях или производимую из водородных топливных элементов. Эта двигательная установка с двумя технологиями будет пригодна для использования на всех этапах полета, и, помимо снижения выбросов, она, вероятно, сократит потребление авиационного топлива для самолетов - вторая по величине эксплуатационная стоимость для авиакомпаний.

Работая над проблемой

По крайней мере, одна мелкомасштабная попытка присвоить некоторые функции двигателя электродвигателям уже была успешной, но неблагоприятная экономика помешала ее принятию. В 2016 году Safran Landing Systems и Honeywell отказались от электрической системы руления, которая позволила бы сократить выбросы и потребление топлива, особенно для авиакомпаний, которые сосредоточены на частых рейсах на короткие расстояния, поскольку низкие цены на топливо сделали систему менее привлекательной для перевозчиков.

Были также испытательные полеты небольших гибридных самолетов. Вот несколько примеров: Самолет e-Genius из Штутгартского университета выполнил как минимум два успешных полета над Альпами, используя относительно сложную силовую установку, состоящую из электродвигателя, аккумуляторов, генератора и двигателя внутреннего сгорания. Аналогичным образом, Diamond Aircraft Industries и Siemens объявили о первом полете многомоторного гибридного электрического самолета в конце прошлого года.

Более амбициозные гибридные эксперименты также ведутся. Совсем недавно SAS и Airbus объявили о сотрудничестве по созданию гибридного электрического самолета для крупномасштабного коммерческого использования. На авиавыставке в Париже в конце июня гибридные проекты были представлены Airbus, Safran, Daher и Eviation, израильским стартапом. Rolls Royce также объявил о своем намерении приобрести бизнес Siemens в eAircraft в Ле Бурже, что является еще одним свидетельством растущих обязательств перед электрическим будущим.

Батарея против топливного элемента

Даже с гибридами можно сделать выбор, использовать литиево-ионные аккумуляторы, обычно используемые в электромобилях и смартфонах, или водородные топливные элементы. У каждого есть свои преимущества и свои недостатки.

Самым большим препятствием для батарей является размер, необходимый для обеспечения достаточной мощности для запуска коммерческого авиалайнера с учетом современных технологий. Одна проблема: литий-ионные аккумуляторы имеют относительно низкую плотность энергии на единицу массы по сравнению с существующим реактивным топливом на основе керосина. Разумеется, в гибридной конструкции этот недостаток компенсируется тем фактом, что батарея питается от обычного двигателя внутреннего сгорания.

Время перезарядки аккумулятора также необходимо улучшить для самолетов, особенно для тех, у которых между рейсами есть всего 30 минут. В то время как вариант быстрой зарядки был предпочтительным для электромобилей, исследователи все еще пытаются развить способность замены батареи, несмотря на ранние проблемы с технологией. Tesla спокойно продолжает тестировать данную вещь, и китайский производитель электромобилей Nio также является его сторонником такого подхода. Если замена батарей для автомобилей получится, это поможет преодолеть некоторые экономические и экологические проблемы, а так же позволит полностью заменить заряженную батарею за время, необходимое для заправки автомобиля, работающего на ископаемом топливе. Это устранит одно препятствие для использования батареи самолетом.

У литий-ионных аккумуляторов есть и другие недостатки, такие как тот факт, что Китай контролирует 61 процент глобальной емкости аккумуляторов. Китай также является третьим по величине добытчиком сырья, лития, который часто называют белой нефтью из-за его растущего экономического значения, Китай так же продолжает скупать запасы в Чили, втором по величине производителе этого элемента.

Водородная энергия

Водородные топливные элементы являются еще одной исследуемой альтернативой. Самый распространенный элемент на Земле — водород, имеет более высокую плотность энергии на единицу массы, чем реактивное топливо на основе керосина или батареи - около 33 300 ватт-часов на килограмм, против 11 900 для обычного реактивного топлива и всего несколько сотен для батарей. Внутри этих ячеек водород и кислород электрохимически объединяются для производства электричества. Их единственными побочными продуктами являются тепло и водяной пар.

Три года назад HY4 - четырехместный самолет, использующий только электродвигатель, работающий на водородном топливном элементе - успешно вылетел из аэропорта Штутгарта в Германии, оставаясь в воздухе в течение 10 минут. В Сингапуре первый в мире региональный водородно-электрический пассажирский самолет был представлен в октябре 2018 года. Компания уже получила запросы от региональных авиакомпаний.

Многие руководители аэрокосмической отрасли в частном порядке обсуждают жидкий водород как потенциальный конечный результат для самолетов, имитируя конструкцию двигателя, которую Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) использовало почти с момента создания агентства для питания своих ракет. Недавно NASA финансировало программу в Университете Иллинойса(США), целью которой является разработка полностью электрической платформы самолета, в которой в качестве метода накопления энергии используется криогенный жидкий водород. Ко всему этому в течение нескольких лет агентство также занималось разработкой водородных гибридных самолетов.

Но водород имеет недостатки. Поскольку водород не существует сам по себе в природе, его необходимо отделить от кислорода в молекулах воды или от углерода в природном газе. Технология производства водорода и его хранения может быть дорогостоящей, и при отделении его от природного газа в конечном итоге получается метан, еще один парниковый газ.

Ясно, что необходимо сделать больше, и одно из самых больших преимуществ гибридной стратегии заключается в том, что она может выиграть аэрокосмической промышленности время, необходимое для создания нового типа летательного аппарата, который вообще не использует ископаемое топливо. Учитывая абсолютную необходимость сокращения выбросов, отраслевая гибридная стратегия, в которой основное внимание уделяется дополнительным решениям, открывает перспективы реального прогресса в сокращении выбросов в ближайшем будущем, даже с учетом того, что воздушные перевозки продолжают расширяться.