Industria aeronautică se pregătește de schimbări: ce presupun avioanele „verzi”

Industria aeronautică se pregătește de schimbări: ce presupun avioanele „verzi”

Odată cu creșterea rapidă generală a călătoriilor aeriene, proiectarea aeronavelor este pregătită pentru decarbonizare, dar zborul electric pe scară largă necesită baterii mai bune și sisteme ușoare.

Pe măsură ce industria aviației iese din impactul pandemiei COVID-19, când numărul de pasageri a scăzut, numărul de zboruri crește din nou. Industria își revine la nivelurile pre-pandemice ale călătoriilor aeriene de pasageri, unele estimări prevăd o creștere de peste 40% până în 2050.

În general, călătoriile pasagerilor cu avionul tind să se dubleze la fiecare 15 ani, sectorul aviației dovedind, de asemenea, una dintre sursele cu cea mai rapidă creștere de emisii de gaze cu efect de seră (GES). În prezent, reprezintă 2% din emisiile globale de GES, dar se estimează că aceasta se va tripla până în 2050 față de nivelurile din 2015 pe traiectoria sa existentă.

Având în vedere că pactul ecologic european solicită neutralitatea climatică până în 2050, este necesară o resetare ecologică pentru a îmbunătăți sustenabilitatea aviației.

Aviația devine din ce în ce mai eficientă odată cu îmbunătățirea motorului, dar decarbonizarea necesită alternative la aeronavele de astăzi care consumă combustibili fosili.

Sistemele de propulsie hibrid-electric și complet electric oferă o alternativă. Astfel de sisteme de propulsie câștigă deja teren, vânzările globale de mașini electrice s-au dublat anul trecut la 6,6 milioane.

Numeroase proiecte sunt în desfășurare pentru ca aviația să urmeze exemplul, dar se confruntă cu multe provocări, dintre care nu în ultimul rând este greutatea mare a bateriilor.

Cu toate acestea, găsirea de alternative ecologice, care oferă  performanță și profitabile este de „o importanță capitală”, a declarat Fabio Russo, șeful de cercetare și dezvoltare la producătorul de avioane Tecnam din Capua, Italia.

Scalabilitate

Russo a condus proiectul H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), care a investigat potențialul sistemelor hibrid-electrice în așa-numitele aeronave de „aviație generală” (GA).

Acoperind peste 400 000 de aeronave civile din întreaga lume, această categorie include avioane private, avioane de afaceri, elicoptere și multe altele, dar nu și avioanele comerciale.

Fiind avioane care tind să fie relativ mici, inițiativa H3PS le consideră un prim pas către dezvoltarea sistemelor de propulsie electrică pentru zboruri mai largi.

„Astăzi avem nevoie de soluții de mediu, iar proiectul H3PS a fost realizat pentru a dovedi o soluție eficientă, cu greutate redusă și scalabilă”, a spus Russo.

„Scalabil înseamnă că puteți muta acest concept de la o aeronavă cu patru locuri la una cu 11 locuri sau, eventual, la o aeronavă cu mai multe locuri.”

Grup motopropulsor hibrid

Proiectul a implicat, de asemenea, Rolls-Royce și producătorul de motoare Rotax. Unul dintre obiectivele sale a fost să zboare cu o aeronavă cu patru locuri propulsată de ceea ce este cunoscut sub numele de „grup motopropulsor hibrid paralel” – combinând atât un motor tradițional cu ardere internă, cât și un motor electric.

Sistemul de propulsie hibrid poate oferi un „amplificare” de putere aeronavei în timpul fazelor de zbor, cum ar fi decolarea și urcarea, spune Russo. Cu un hibrid, poți, de exemplu, să folosești un motor cu combustibil cu o putere mai mică decât în ​​mod normal și să umpli golul pentru ca aeronava să decoleze și să urce cu un motor electric.

„Așadar, puteți avea acces la un motor cu un consum redus de combustibil”, a spus Russo.

Această abordare permite o dimensiune și o greutate redusă a motorului, permițând includerea bateriei pentru motorul electric fără a adăuga o greutate semnificativă sistemului.

La sfârșitul anului trecut, proiectul a reușit să ia în aer cu aeronava sa Tecnam P2010 H3PS. Fiind primul cu patru locuri care a făcut acest lucru utilizând un sistem hibrid paralel, H3PS a evidențiat această realizare drept „o piatră de hotar majoră în călătoria industriei aviației către decarbonizare și cercetare și dezvoltare privind sistemele de propulsie alternative”.

Economie de baterie

Cu toate acestea, Russo a subliniat că proiectul a vizat demonstrarea fezabilității pentru astfel de aeronave, mai degrabă decât crearea unui produs pentru piață. Există o cale de parcurs pentru a le face realitate pe scară largă, a spus el.

„Există încă destul de multe limite din punct de vedere economic în spatele dezvoltării acestui tip de motor și aeronave”, a spus Russo.

Un factor limitator cheie este modul în care bateriile se deteriorează pe măsură ce parcurg reîncărcările. Aceasta înseamnă că există un cost ridicat pentru a le continua înlocuirea la intervale de timp pe care, în prezent, Russo le estimează să fie de doar câteva luni.

El consideră că îmbunătățirile se bazează pe un impuls real, susținut de sprijinul din partea industriei de fabricare a bateriilor, pentru a stimula tehnologia bateriilor, reducând în același timp costurile de transport și dezafectare și îmbunătățind economia circulară.

„O economie locală pentru fabricarea bateriilor este esențială”, a spus Russo. „Acest lucru va însemna, de asemenea, că CO2 nu este economisit doar în timpul funcționării, ci cu mult înainte și după utilizarea bateriei într-un avion.”

El a adăugat că, pentru componentele aeronavei în ansamblu, este necesară concentrarea pe ciclul de viață complet și pe impactul produselor.

Hibrizi viabili

Russo consideră că astfel de aeronave hibride ar putea deveni mai viabile din punct de vedere economic până în aproximativ 2030, cu potențialul de a economisi semnificativ emisiile în anumite faze de zbor.

Un test efectuat de echipa sa a indicat o reducere potențială cu 50% a emisiilor de carbon în timpul decolării și al urcării inițiale și cu 20% pe parcursul întregii călătorii de trei ore, sugerată de cantitatea mai mică de combustibil utilizată.

„La sfârșitul zborului, când am măsurat combustibilul consumat, diferența a fost remarcabilă”, a spus Russo.

Alte proiecte investighează modul de optimizare a diferitelor componente pentru viitoarele sisteme de aviație cu propulsie electrică, pentru a le face cât mai ușoare posibil, precum și sigure și eficiente.

Interferență electromagnetică

De exemplu, proiectul EASIER a proiectat sisteme pentru a limita interferența electromagnetică (EMI) între componente care pot afecta funcționarea unei aeronave.

Echipa investighează, de asemenea, metode termice pentru a disipa mai bine căldura generată de componentele electrice. Asta în timp ce încercăm să ne asigurăm că aeronava rămâne ușoară, ținând cont de dimensiunea și greutatea bateriilor actuale.

Dr. Ignacio Castro, inginer principal la Collins Aerospace, cu sediul în Cork, Irlanda, este coordonatorul pentru EASIER. El a spus că proiectul a analizat opțiunile de filtrare și cablare EMI cu volum și greutate mai reduse pentru grupurile motopropulsoare electrice din aeronave, plus sisteme de răcire „în două faze” și metode pentru a îmbunătăți ratele de transfer de căldură către exteriorul unei aeronave.

El a explicat că este nevoie să ne pregătim acum pentru viitorul pe termen lung al sistemelor electrice. „Orice modificare pe care o facem unei aeronave pentru a o face mai ecologică ar putea crește greutatea aeronavei”, a spus dr. Castro.

„Aceasta crește, de asemenea, cantitatea de combustibil consumată, așa că este posibil să nu avem o aeronavă care este complet pregătită pentru zbor. Trebuie să facem lucrurile mai mici.”

Unele dintre lucrările viitoare ale lui EASIER implică o investigare mai mare a compromisurilor dintre metode. „Ideea este că vom vedea cum sistemele termice afectează EMI și invers, pentru a vedea care sunt implicațiile”, a spus dr. Castro.

Compensații

Există tot felul de alte compromisuri de înțeles când vine vorba de fabricarea aeronavelor electrice. De exemplu, în timp ce micșorarea lucrurilor scade greutatea, poate cauza și lucrurile să se încălzească mai repede – la fel cum o casă mică se încălzește mai repede atunci când este încălzită. „Acesta este genul de compromis cu greutatea, dimensiunea și eficiența și nu este atât de simplu”, a spus dr. Castro.

El a adăugat că integrarea tuturor tehnologiilor individuale într-un sistem general de aeronave care funcționează bine va fi esențială în cercetările viitoare.

„Este vorba despre înțelegerea cum ar trebui să arate arhitecturile pentru a fi cât mai eficiente posibil”, a spus dr. Castro.

Comparând-o cu construcția, el a subliniat că nu poți pur și simplu să arunci cărămizi împreună pentru a face o clădire. „Trebuie să puneți lucrurile împreună într-un mod inteligent în contextul furnizării de energie”, a spus el.

Direcția corectă

Deși există multe probleme complexe de rezolvat în aviația electrică, Dr. Castro consideră că lucrurile încep să se miște în direcția corectă. „Cred că luăm căile corecte către aviația hibrid-electrică și există mult interes și multe programe”, a spus el. „Acesta ar fi primul pas pentru a începe reducerea emisiilor de carbon.”

Asigurarea că aceste noi sisteme funcționează fără probleme și în siguranță este, de asemenea, esențială. Siguranța este primordială și un singur accident este suficient pentru a genera titluri mari și multă frică.

Aceasta înseamnă că trebuie să aveți grijă semnificativă cu evoluțiile. „Există riscul de a spune că lucrurile vor fi grozave, în special atunci când lucrurile trebuie să fie extrem de fiabile pentru aeronave”, a subliniat dr. Castro. „Este o schimbare de paradigmă în tehnologie.”

De asemenea, sunt necesare multe investiții și multe întrebări de abordat în următoarele decenii, a spus el. „Provocarea către emisiile nete zero în UE până în 2050 este o provocare uriașă și nu cred că în momentul de față cineva are un răspuns cert”, a spus dr. Castro. „Este întrebarea de un milion de dolari.”