Floridan 1950-luvun uomissa äänekäs pauhu häiritsi toisinaan paikallisten alligaattorien rauhaa. Pratt & Whitney -lentokoneyhtiön insinöörit testasivat tiukan salaisuuden vallitessa uudenlaista moottoria, jonka voimanlähteenä käytettiin outoa ainetta, joka ilmeisesti johdettiin läheisen Apixin kaupungin lannoitetehtaasta. Todellisuudessa kaupunki oli vain nimi kartalla ja lannoitetehdas oli venäläisiä huijaava juoni. Häiriöt olivat seurausta Project Suntanista, Amerikan ilmavoimien yrityksestä rakentaa vetyä käyttävä lentokone. Se melkein onnistui. Moottorit toimivat onnistuneesti, mutta itse vedyn varastointi ja toimittaminen osoittautui liian kalliiksi, jotta tuotantoa ei voitu jatkaa.
Selaimesi ei tue <audio>-elementtiä.
Nautiskele lisää äänitiedostoja ja podcasteja iOS:llä tai Androidilla.
Suntan olikin vain ensimmäinen epäonnistuneista yrityksistä, joiden tavoitteena oli käyttää vetyä ilmaa raskaamman lennon voimanlähteenä. Houkutus on suuri. Vedyssä on kolme kertaa enemmän energiaa kiloa kohti kuin kerosiinissa, joka on nykyisin lentokoneiden vakiopolttoaine, ja keveys on ilmassa valttia. Tupolev, silloisessa Neuvostoliitossa, yritti 1980-luvulla. Boeing yritti 2000-luvulla. Pieni esittelykone on lentänyt Saksassa. Mikään ei kuitenkaan ole niin sanotusti lähtenyt kunnolla lentoon. Vaikka vety on kevyttä, se on tilaa vievää, joten sitä on hankala säilyttää lentokoneessa. Se on joko paineistettava tai nesteytettävä, mikä aiheuttaa omat hankaluutensa. Kaiken lisäksi sen valmistukseen ja jakeluun ei ole vakiintunutta infrastruktuuria.
Tällä kertaa on toisin
Nyt asiat ovat kuitenkin muuttuneet. Ilmailuun kohdistuu paineita hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi polttamalla vähemmän kerosiinia. Lisäksi puhutaan vakavasti vetyä valmistavan ja toimittavan infrastruktuurin rakentamisesta muihin tarkoituksiin, kuten lämmitykseen ja maaliikenteeseen, mikä tarkoittaa, että vetyä saattaisi tulla saataville hyödykkeenä sen sijaan, että sitä pitäisi valmistaa erikseen. Edun tasapaino saattaa siis olla muuttumassa. Niinpä muutamat rohkeat sielut tarkastelevat jälleen kerran ajatusta vetykäyttöisestä lentämisestä.
Project Suntan -hankkeessa käytettiin vetyä samalla tavalla kuin kerosiinia – tuottamaan lämpöä, jota tarvitaan suihkumoottorin käyttövoimaksi. Se on yksi tie eteenpäin. Mutta monia lentokoneita pyöritetään potkureilla, ja tämä mahdollistaa toisen lähestymistavan, sillä potkureita voidaan pyörittää sähkömoottoreilla. Käyttämällä polttokennoja, 1800-luvun teknologiaa, joka on nyt tulossa omilleen, on mahdollista tuottaa tarvittava sähkö vetyllä.
Nämä on ZeroAvian, Cranfieldissä, Etelä-Britanniassa sijaitsevan yrityksen, lähestymistapa. Syyskuussa ZeroAvian insinöörit esittelivät kuusipaikkaisen polttokennokäyttöisen lentokoneen, joka pystyi nousemaan ilmaan, kiertämään kaksi kertaa lentokentän ympäri ja laskeutumaan. Kyseinen kone on muunneltu Piper M-luokka – yksipotkurinen lentokone, jota tavallisesti käyttää mäntämoottori. Insinöörit korvasivat sen sähkömoottorilla ja asensivat polttokennopankin, joka antaa moottorille virtaa, sekä säiliöt polttokennoja käyttävää vetyä varten.
Val Miftakhov, ZeroAvian pomo, toivoo, että tämä esittelykone tekee 400 kilometrin matkan, joka on alustavasti suunniteltu tehtäväksi 21. joulukuuta alkavalla viikolla, minkä jälkeen ensi keväänä lennetään pidempi lento Ison-Britannian pohjoiskärjen edustalla sijaitsevalta Orkneyn saaristolta. (Orkneysaarten viranomaiset ovat kiinnostuneita ”hopper”-lentokoneista, jotka voivat yhdistää saariston saaria). Yritys aikoo myös saada 20-paikkaisen esittelykoneen valmiiksi vuonna 2021. Sertifiointi kaupalliseen käyttöön saattaisi tulla vuonna 2023.
ZeroAvian kannoilla on H2Fly, Saksan ilmailualan tutkimuskeskuksen DLR:n spin-off-yritys. Vuonna 2016 tämä yritys lisäsi polttokennoja moottoroituun Pipistrel-purjelentokoneeseen, joka sitten pysyi ilmassa 15 minuuttia. Suunnitelmana on laajentaa tämä lähestymistapa tuotantoversion potkurikäyttöiseen lentokoneeseen lähiaikoina tehtävissä testeissä. Samaan aikaan amerikkalainen sähkömoottorivalmistaja magniX on ilmoittanut yhteistyöstä Los Angelesissa toimivan Universal Hydrogen -yrityksen kanssa 40-paikkaisen de Havilland Canada Dash 8-300 -lentokoneen muuntamiseksi polttokennoilla toimivaksi. He toivovat, että tämä on valmis vuoteen 2025 mennessä.
Tällaiset lähestymistavat näyttävät periaatteessa toimivilta. Käytännössä ne joutuvat kuitenkin kilpailemaan akkukäyttöisten sähkölentokoneiden kanssa. Toukokuussa yhdysvaltalainen AeroTEC-niminen yritys lensi yhdeksänpaikkaisella Cessna Caravanilla, joka oli muunnettu akkuvoimaan, Washingtonin osavaltion yllä. Edellisenä joulukuussa magniX teki yhteistyötä kanadalaisen Harbour Air -yhtiön kanssa lentääkseen muunnetulla de Havilland -merilentokoneella Brittiläisessä Kolumbiassa. Nämä kaksi yritystä valmistelevat nyt tätä lentokonetta kaupallista hyväksyntää varten. Kunnianhimoisemmin useat yritykset, kuten israelilainen Eviation, yrittävät rakentaa akkukäyttöisiä lentokoneita tyhjästä sen sijaan, että konvertoisivat olemassa olevia lentokonerunkoja.
Akut eivät sisälly hintaan
Polttokennojen kannattajat sanovat kuitenkin, että polttokennot ovat akkuja parempia lentovoimanlähteenä, koska polttokennoihin ja niihin liittyvään polttoaineeseen voidaan varastoida moninkertaisesti suurempi määrä energiaa kilogrammaa kohti kuin akkujen avulla voidaan. ”Akut todella antavat kiihtyvyyttä. Mutta niillä ei saa kantamaa”, sanoo Robert Steinberger-Wilckens, kemian insinööri Birminghamin yliopistosta Britanniasta. Akkuteknologia paranee, mutta suuria läpimurtoja tarvitaan, ennen kuin pidemmät matkat matkustajien ja rahdin kanssa koneessa ovat mahdollisia.
Sähköenergialähteiden lisääminen olemassa olevaan lentokoneeseen, joko akkujen tai polttokennojen muodossa, on alku. Tällainen käyttövoima voisi kuitenkin johtaa merkittäviin muutoksiin, kuten Eviation suunnittelee Alice-tuotettaan varten. Siinä on kolme potkuria, jotka kaikki osoittavat taaksepäin. Vaikka taaksepäin suunnatut potkurit olivat aikoinaan suosittuja, ne ovat olleet muodista poissa vuosikymmeniin. Sähkökäyttöiset pystysuoraan nousevat ja laskeutuvat lentokoneet – ihmisten kuljettamat lennokit, joita joskus mainostetaan henkilökohtaisen liikenteen tulevaisuutena – saavat usein käyttövoimansa useista pienemmistä sähkömoottoreista, joten ne sopivat hyvin polttokennopohjaiseen vetyenergian käyttöön.
Suurilla koneilla on suurempia ongelmia. Lentokoneen lentoonlähtöön ja laskeutumiseen tarvitaan paljon enemmän tehoa kuin matkalentoon, eikä akuilla tai polttokennoilla ole vielä riittävästi voimaa tähän muihin kuin pieniin lentokoneisiin. Jos suuremmat koneet halutaan vetykäyttöisiksi, se edellyttää, että ainakin osa työstä tehdään palaamalla Project Suntan -reitille ja käyttämällä turbiinikäyttöisiä moottoreita, jotka polttavat ainetta kaasuna.
Tällaisen lähestymistavan ottaa nyt käyttöön Airbus, eurooppalainen yritys, joka jakaa amerikkalaisen Boeingin kanssa duopolin suurten matkustajakoneiden alalla. Syyskuussa Airbus esitteli ZEROe-hankkeen, joka keskittyy kolmeen vetykäyttöiseen konseptilentokoneeseen. Vaikka kyseessä ovat yhden käytävän lyhyen matkan lentokonemallit, ne ovat edistysaskel verrattuna mihinkään sellaiseen, jonka voimanlähteenä käytettäisiin pelkästään polttokennoja.
Kaikki kolme konetta on suunniteltu niin, että ne yhdistävät kaksi vetyyn perustuvaa teknologiaa, jolloin vetyä polttavat turbiinimoottorit tehostavat lentoonlähtöä ja polttokennot syöttävät virtaa matkalentoon. Yksi konsepteista on potkuriturbiinikone, joka voisi kuljettaa jopa 100 matkustajaa jopa 2 000 kilometrin matkoille. Suurempi turbofan-versio veisi kaksi kertaa suuremman kuorman kaksi kertaa pidemmälle. Kolmas lähestymistapa on kokeellisempi: ”yhdistetty siipimalli”, jossa runko ja siivekkeet ovat osa samaa kolmionmuotoista aerodynaamista rakennetta. Tämän etuna on, että se luo lisätilavuutta vedyn varastointia varten.
Vedyn käytön haasteet ulottuvat kuitenkin rungon muotoa pidemmälle. Turbiinimoottorin uudelleensuunnittelu käyttämään vetyä on monen miljardin dollarin ponnistus. Vety palaa nopeammin kuin petroli ja myös kuumemmin. Tämä tarkoittaa, että sen palamiselle altistuviin materiaaleihin kohdistuu suurempia rasituksia. Vaarana on myös, että typen oksidien muodossa syntyvät saasteet lisääntyvät, mikä tekisi osittain tyhjäksi vedyn polttamisen ympäristöhyödyt. Lisäksi olisi hyödyllistä järjestää asiat niin, että osa vedyn puristamiseen tai nesteyttämiseen varastointia varten käytetystä energiasta voitaisiin ottaa talteen ja käyttää hyödyksi.
Airbus-yhtiö keskittyy lähivuosina polttokennojen ja vetyturbiinien kaksoisteknologian kehittämiseen rinnakkain tulevien lentokoneidensa suunnittelun kanssa. Jos maalla tehtävät testit onnistuvat, yritys toivoo saavansa ilmaan lennettäviä demonstraattoreita – joita Airbusin päästöttömistä lentokoneista vastaava varatoimitusjohtaja Glenn Llewellyn kutsuu lentäviksi testialustoiksi – vuoteen 2025 mennessä. Täysimittainen prototyyppi valmistuisi vuosikymmenen loppuun mennessä, ja ensimmäinen nollapäästöinen liikennelentokone otettaisiin käyttöön vuonna 2035. Vielä ei ole selvää, kuka toimittaisi moottorit tällaiseen koneeseen. Ranskalainen moottorivalmistaja Safran, joka tekee usein yhteistyötä Airbusin kanssa, on kuitenkin vahvistanut tutkivansa vetyvoiman käyttöä liikennelentokoneissa.
Boeing ei ole toistaiseksi seurannut esimerkkiä. Tämä maantieteellinen jako ei ehkä ole sattumaa. EU:n julkinen politiikka on tiukasti vihreää, samoin kuin julkinen politiikka Britanniassa, joka ei ole enää EU:n jäsen mutta jossa sijaitsee useita Airbusin tuotantolaitoksia. EU:n politiikka näkyy erityisesti unionin Clean Sky 2 -ohjelman kautta myönnettävänä todellisena rahana asiaankuuluvaan tutkimukseen.
Amerikassa ei ole tarjottu vastaavaa tukea, ei moraalista eikä rahallista, viimeisten neljän vuoden aikana. Joe Bidenin tuleva hallinto näyttää kuitenkin olevan Euroopan kanssa samaa mieltä ympäristöasioissa. Ja tähän uuteen suuntaan liittyy todennäköisesti, kuten Euroopassa, julkista rahaa. Boeing ottaisi lisäksi riskin, jos se jättäisi vetyvoiman Airbusille. Jos teknologia menestyisi, Boeing ottaisi riskin, että se menettäisi tärkeän osan markkinoistaan – ja siihen sillä ei todellakaan ole varaa.■
Lisätietoa ilmastonmuutoksesta saat rekisteröitymällä The Climate Issue -uutiskirjeeseemme, joka ilmestyy joka toinen viikko, tai vierailemalla ilmastonmuutoskeskuksessamme
Tämä artikkeli ilmestyi painetun painoksen Science & -teknologiaosastolla otsikolla ”If at first you don’t succeed…”
.