Dok se zrakoplovna industrija oporavlja od utjecaja pandemije bolesti COVID-19, kada je broj putnika naglo pao, broj letova ponovno raste. Industrija se vraća na razine broja putnika prije pandemije, a neke procjene predviđaju rast veći od 40 % do 2050.
Općenito, bez obzira na krize, zračna se putovanja udvostruče svakih 15 godina, a sektor zrakoplovstva također se pokazao kao jedan od najbrže rastućih izvora emisija stakleničkih plinova. Trenutačno on čini 2 % globalnih emisija stakleničkih plinova, ali predviđa se njegovo potencijalno utrostručenje do 2050., u odnosu na razine iz 2015. ako se rast nastavi postojećom putanjom.
Obzirom na to da Europski zeleni plan poziva na klimatsku neutralnost do 2050., potrebno je zeleno resetiranje kako bi se poboljšala održivost zrakoplovstva. Na poveznici možete saznati više o mjerama koje EU zagovara za smanjenje emisija iz zračnog prometa.
Zrakoplovstvo postaje učinkovitije s poboljšanjima motora, no dekarbonizacija zahtijeva alternative današnjim zrakoplovima koji gladni fosilnih goriva.
Hibridno-električni i potpuno električni pogonski sustavi jedan su od odgovora. Takvi pogonski sklopovi već stječu popularnost na terenu, uz globalnu prodaju električnih automobila koja se prošle godine udvostručila na 6,6 milijuna.
U tijeku su brojni projekti kako bi zrakoplovstvo slijedilo taj primjer, no ono se suočava s mnogim izazovima, među kojima nije samo težina baterija. Na poveznici pročitajte više o održivom dizajnu zrakoplova u časopisu Horizon.
Ipak, pronalaženje ekološki prihvatljivih alternativa koje istovremeno imaju visoke performanse i profitabilne su od „izuzetne je važnosti”, rekao je Fabio Russo, voditelj istraživanja i razvoja proizvođača zrakoplova Tecnam u Capui, Italija.
Skalabilnost
Russo je bio voditelj projekta H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), koji je istraživao potencijal hibridno-električnih sustava u zrakoplovima takozvanog „općeg zrakoplovstva” (GA).
Pokrivajući više od 400.000 civilnih zrakoplova diljem svijeta, ova kategorija uključuje privatne zrakoplove, poslovne zrakoplove, helikoptere i druge, no ne i komercijalne zrakoplove.
Kao letjelice koje su obično relativno male, inicijativa H3PS vidi ih kao prvi korak prema razvoju električnih pogonskih sustava za rasprostranjene letove.
- Ekološka rješenja trebamo već danas, a projekt H3PS proveden je kako bi se dokazalo učinkovito, lagano i skalabilno rješenje. Skalabilno znači da ovaj koncept možete premjestiti sa zrakoplova s četiri sjedala na zrakoplov s 11 sjedala ili, eventualno, na zrakoplov s više sjedala - rekao je Russo.
Hibridni pogonski sklop
U projekt su također uključeni Rolls-Royce i proizvođač motora Rotax. Jedan od njegovih ciljeva bio je upravljati zrakoplovom s četiri sjedala pokretanim onim što je poznato kao „paralelni hibridni pogonski sklop” koji kombinira tradicionalni motor s unutarnjim izgaranjem i električni motor.
Hibridni pogonski sustav može „pojačati” snagu zrakoplova tijekom faza leta kao što su polijetanje i uspinjanje, kaže Russo. Uz hibridni pogon možete, primjerice, upotrebljavati motor na gorivo manje snage od normalne i popuniti prazninu za polijetanje i uspinjanje zrakoplova električnim motorom.
- Tako možete imati pristup motoru s manjom potrošnjom goriva - rekao je Russo.
Ovaj pristup omogućuje smanjenje veličine i težine motora, omogućujući uključivanje baterije za električni motor bez dodavanja značajne težine cjelokupnom sustavu.
Krajem prošle godine projekt je uspio u nebo vinuti svoj zrakoplov Tecnam P2010 H3PS. Kao prvi četverosjed koji je to učinio upotrebom paralelnog hibridnog sustava, H3PS je istaknuo to postignuće kao „glavnu prekretnicu na putu zrakoplovne industrije prema dekarbonizaciji te istraživanju i razvoju alternativnih pogonskih sklopova”.
Ekonomičnost baterije
Unatoč tome, Russo je naglasio da je projekt bio usmjeren na demonstraciju izvedivosti takvih zrakoplova, a ne na stvaranje proizvoda za tržište. Postoji neki način da ih učinimo stvarnošću u širokim razmjerima, rekao je.
- Još uvijek postoji dosta ograničenja u pogledu ekonomije iza razvoja ove vrste motora i zrakoplova - kaže Russo.
Jedan od ključnih ograničavajućih čimbenika je propadanje baterija tijekom ciklusa punjenja. To znači da postoji visok trošak njihove zamjene u vremenskim okvirima za koje Russo trenutačno procjenjuje da bi mogli trajati samo nekoliko mjeseci.
On vjeruje da poboljšanja počivaju na stvarnom nagonu, potkrijepljenom potporom industrije za proizvodnju baterija, kako bi se potaknula tehnologija baterija, istovremeno smanjujući troškove otpreme i stavljanja izvan pogona, te poboljšavajući kružno gospodarstvo.
- Lokalno gospodarstvo za proizvodnju baterija ključno je. To bi također značilo da se CO2 ne štedi samo tijekom rada, već i prije i nakon upotrebe baterije u zrakoplovu - kaže.
Dodao je da se za komponente zrakoplova u cjelini treba usredotočiti na sveobuhvatni životni ciklus i učinak proizvoda.
Održivi hibridi
Russo vjeruje da bi takvi hibridni zrakoplovi mogli postati ekonomski isplativiji do otprilike 2030. godine, s potencijalom značajne uštede na emisijama u određenim fazama leta.
Jedan test koji je njegov tim proveo ukazao je na potencijalno smanjenje emisije ugljika od 50 % tijekom polijetanja i početnog uspinjanja, te 20 % tijekom cijelog trosatnog putovanja, na što ukazuje manja količina potrošenog goriva.
- Na kraju leta, kada smo izmjerili gorivo koje smo potrošili, razlika je bila nevjerojatna - rekao je Russo.
Drugi projekti istražuju kako optimizirati različite komponente za buduće električne pogonske zrakoplovne sustave kako bi bili što lakši, ali i sigurniji i učinkovitiji.
Elektromagnetske smetnje
Na primjer, projekt EASIER dizajnira sustave za ograničavanje elektromagnetskih smetnji (EMI) između komponenti koje mogu utjecati na funkcioniranje zrakoplova.
Tim također istražuje toplinske metode za bolje odvođenje topline koju stvaraju električne komponente. Istovremeno se pokušava osigurati da zrakoplov ostane lagan, uzimajući u obzir veličinu i težinu trenutačnih baterija.
Dr. Ignacio Castro, viši glavni inženjer u Collins Aerospaceu, sa sjedištem u Corku, Irska, koordinator je projekta EASIER. Rekao je da se projekt bavi filtriranjem elektromagnetskih smetnji i mogućnostima ožičenja s manjim volumenom i težinom za električne pogonske sklopove u zrakoplovima, uz ‚dvofazne‘ rashladne sustave i metode za poboljšanje stope prijenosa topline na vanjski dio zrakoplova.
Objasnio je da se sada treba pripremiti za dugoročnu budućnost električnih sustava.
- Svaka promjena koju napravimo na zrakoplovu kako bismo ga učinili ekološki prihvatljivijim mogla bi potencijalno povećati težinu zrakoplova - kaže dr. Castro.
- To također povećava količinu potrošenog goriva, tako da možda nećemo imati zrakoplov koji je potpuno spreman za let. Moramo sve smanjiti - dodao je.
Neki od nadolazećih radova projekta EASIER uključuju više istraživanja kompromisa između metoda.
- Ideja je da vidimo kako toplinski sustavi utječu na elektromagnetske smetnje i obratno, da vidimo koji su učinci - kaže dr. Castro.
Kompromisi
Postoje razne vrste kompromisa koje treba razumjeti kada je u pitanju proizvodnja električnih zrakoplova. Na primjer, dok smanjenjem komponenti smanjujete težinu, to također može uzrokovati brže zagrijavanje, slično kao što se mala kuća zagrijava brže kada je grijete. „To je vrsta kompromisa s težinom, veličinom i učinkovitošću, a stvar nije baš jednostavna”, rekao je dr. Castro.
Dodao je da će integracija svih pojedinačnih tehnologija u funkcionalan cjelokupni zrakoplovni sustav biti ključna u budućim istraživanjima.
- Sve je u razumijevanju kako bi arhitekture trebale izgledati kako bi bile što učinkovitije - kaže dr. Castro.
Uspoređujući to s graditeljstvom, naglasio je da ne možete samo nabacati cigle kako biste izgradili zgradu.
- Morate ih sastaviti na način koji je pametan u kontekstu isporuke snage - rekao je.
Pravi smjer
Iako postoji mnogo složenih problema koje treba riješiti u električnom zrakoplovstvu, dr. Castro vjeruje da se stvari počinju kretati u pravom smjeru.
- Mislim da idemo pravim putem prema hibridno-električnom zrakoplovstvu, a postoji veliki interes i mnogo programa. To bi bio prvi korak za početak smanjenja emisije ugljika - rekao je.
Također je bitno osigurati da ti novi sustavi rade besprijekorno i sigurno. Sigurnost je najvažnija, jer dovoljna je jedna zrakoplovna nesreća da postane glavna vijest i urodi obiljem straha.
To znači da treba posvetiti veliku pozornost razvoju.
- Rizično je reći da će sve biti sjajno, osobito kada sve mora biti iznimno pouzdano za zrakoplove. Radi se o revoluciji tehnologije - istaknuo je dr. Castro.
Također je potrebno puno ulaganja uz mnoga pitanja koja treba riješiti u nadolazećim desetljećima, rekao je. Izazov neto nultih emisija u EU do 2050. velik je izazov i mislim da u ovom trenutku nitko nema konačan odgovor, rekao je dr. Castro. To je pitanje od milijun dolara.
Istraživanja u ovom članku financira EU, a članak je izvorno objavljen u časopisu Horizon, časopisu EU-a za istraživanje i inovacije.