W LATACH 50-tych na Florydzie, głośny ryk od czasu do czasu zakłócał spokój miejscowych aligatorów. W warunkach najściślejszej tajemnicy inżynierowie z firmy lotniczej Pratt & Whitney testowali nowy typ silnika zasilanego dziwną substancją, która najwyraźniej była dostarczana rurociągiem z fabryki nawozów w pobliskim miasteczku Apix. W rzeczywistości miasto to było tylko nazwą na mapie, a fabryka nawozów sztucznych była podstępem mającym na celu oszukanie Rosjan. Zakłócenia były wynikiem Projektu Suntan, próby skonstruowania przez amerykańskie siły powietrzne samolotu napędzanego wodorem. Prawie się udało. Silniki działały z powodzeniem, ale przechowywanie i dostarczanie samego wodoru okazało się zbyt kosztowne, by kontynuować produkcję.
Twoja przeglądarka nie obsługuje elementu <audio>.
Poznaj więcej audio i podcastów na iOS lub Androidzie.
Suntan był tylko pierwszą z serii nieudanych prób wykorzystania wodoru do napędzania lotów cięższych od powietrza. Powab jest wielki. Wodór dostarcza trzy razy więcej energii na kilogram niż nafta, obecne standardowe paliwo lotnicze, a lekkość jest na wagę złota. Tupolew, w ówczesnym Związku Radzieckim, próbował w latach 80-tych. Boeing próbował w latach 2000. Mały demonstrator latał w Niemczech. Ale nic tak naprawdę nie wystartowało. Wodór, choć lekki, jest nieporęczny, co czyni go niewygodnym do przechowywania na pokładzie. Musi być albo pod ciśnieniem, albo skroplony, co w obu przypadkach wiąże się z pewnymi komplikacjami. Na dodatek, nie ma ustalonej infrastruktury do jego produkcji i dystrybucji.
Tym razem jest inaczej
Teraz jednak sprawy się zmieniły. Lotnictwo jest pod presją ograniczania emisji dwutlenku węgla poprzez spalanie mniejszej ilości kerozyny. A rozmowy o budowie infrastruktury do produkcji i dostarczania wodoru do innych celów, takich jak ogrzewanie i transport naziemny, są coraz poważniejsze, co oznacza, że wodór może stać się dostępny jako towar, zamiast być produkowany specjalnie. Bilans korzyści może się więc zmienić. Tak więc kilka odważnych dusz ponownie przygląda się idei lotów napędzanych wodorem.
Projekt Suntan wykorzystał ten materiał w sposób, w jaki używa się nafty – do wytworzenia ciepła potrzebnego do zasilania silnika odrzutowego. To jedna z dróg naprzód. Jednak wiele samolotów napędzanych jest śmigłami, a to pozwala na drugie podejście, ponieważ śmigła mogą być obracane przez silniki elektryczne. Używając ogniw paliwowych, XIX-wiecznej technologii, która teraz wchodzi w życie, możliwe jest generowanie energii elektrycznej potrzebnej do tego celu z wodoru.
Taką drogę obrała ZeroAvia, firma z siedzibą w Cranfield, w południowej Wielkiej Brytanii. We wrześniu inżynierowie ZeroAvia zaprezentowali sześciomiejscowy samolot napędzany ogniwami paliwowymi, który może wystartować, wykonać dwa okrążenia lotniska i wylądować. Samolot, o którym mowa, to zmodyfikowany Piper M-class – jednośmigłowy samolot, który normalnie napędzany jest silnikiem tłokowym. Inżynierowie zastąpili go silnikiem elektrycznym i zainstalowali baterię ogniw paliwowych do zasilania tego silnika oraz zestaw zbiorników do przechowywania wodoru, który zasila ogniwa paliwowe.
Val Miftakhov, szef ZeroAvia, ma nadzieję, że ten demonstrator odbędzie 400-kilometrową podróż, wstępnie zaplanowaną na tydzień 21 grudnia, a następnie dłuższy lot z Orkadów, archipelagu na północnym krańcu Wielkiej Brytanii, na wiosnę przyszłego roku. (Władze Orkadów są zainteresowane samolotami typu „hopper”, które mogłyby łączyć wyspy archipelagu). Firma planuje również, że w 2021 roku będzie gotowy 20-miejscowy demonstrator. Certyfikacja do użytku komercyjnego może nastąpić w 2023 roku.
Hot on the heels of ZeroAvia is H2Fly, a spin-off from DLR, Germany’s aeronautical research centre. W 2016 roku firma ta dodała ogniwa paliwowe do zmotoryzowanego szybowca Pipistrel, który następnie utrzymywał się w powietrzu przez 15 minut. W planach jest rozszerzenie tego podejścia na samolot napędzany śmigłem w wersji produkcyjnej w testach, które mają być przeprowadzone w najbliższym czasie. Tymczasem w Ameryce, producent silników elektrycznych o nazwie magniX ogłosił partnerstwo z firmą Universal Hydrogen z Los Angeles w celu przerobienia 40-miejscowego samolotu de Havilland Canada Dash 8-300 na zasilany ogniwami paliwowymi. To, mają nadzieję, będzie gotowy do 2025.
Takie podejścia wydają się być prawdopodobne do pracy w zasadzie. Będą jednak musiały konkurować w praktyce z samolotami elektrycznymi zasilanymi z akumulatorów. W maju amerykańska firma AeroTEC przeleciała w przestworzach nad stanem Waszyngton dziewięciomiejscowym samolotem Cessna Caravan, który został przystosowany do zasilania z akumulatorów. W grudniu ubiegłego roku magniX współpracował z kanadyjską firmą Harbour Air, która latała przerobionym samolotem morskim de Havilland w Kolumbii Brytyjskiej. Obie firmy są obecnie zajęte przygotowaniem tego samolotu do certyfikacji komercyjnej. Bardziej ambitnie, kilka firm, takich jak Eviation, izraelska firma, próbuje budować samoloty napędzane bateriami od podstaw, zamiast przerabiać istniejące płatowce.
Baterie nie są uwzględnione
Proponenci ogniw paliwowych twierdzą jednak, że są one lepsze niż baterie do zasilania lotów, ponieważ ogniwa i związane z nimi paliwo przechowują wielokrotnie więcej energii na kilogram niż baterie. „Baterie rzeczywiście dają przyspieszenie. Ale nie dadzą ci zasięgu” – mówi Robert Steinberger-Wilckens, inżynier chemik z Uniwersytetu w Birmingham w Wielkiej Brytanii. Technologia baterii poprawia się, ale duże przełomy będą potrzebne, zanim dłuższe podróże z pasażerami i ładunkiem na pokładzie staną się możliwe.
Klejenie źródeł energii elektrycznej w istniejącym samolocie, czy to w formie baterii czy ogniw paliwowych, to początek. Ale taki napęd może prowadzić do znaczących zmian w projekcie, takich jak ta, którą Eviation planuje dla swojego domniemanego produktu, Alice. Posiada on trzy śmigła, z których wszystkie skierowane są do tyłu. Śmigła skierowane do tyłu, choć kiedyś popularne, od dziesięcioleci nie są już modne. Elektryczne samoloty pionowego startu i lądowania – drony przewożące ludzi, czasami przedstawiane jako przyszłość transportu osobistego – są również często zasilane wieloma mniejszymi silnikami elektrycznymi, co sprawia, że dobrze pasują do wodoru opartego na ogniwach paliwowych.
Większe maszyny mają większe problemy. Samolot potrzebuje znacznie więcej mocy do startu i lądowania niż do przelotu, a ani akumulatory, ani ogniwa paliwowe nie mają jeszcze wystarczającej mocy, by robić to dla innych niż małe samoloty. Jeśli większe samoloty mają być napędzane wodorem, będzie to wymagało przynajmniej częściowej pracy poprzez powrót do Projektu Suntan i zastosowanie silników napędzanych turbinami, które spalają ten materiał jako gaz.
Takie podejście jest obecnie przyjmowane przez Airbusa, europejską firmę, która dzieli z amerykańskim Boeingiem duopol na duże samoloty pasażerskie. We wrześniu Airbus zaprezentował ZEROe, projekt skoncentrowany na trzech samolotach koncepcyjnych napędzanych wodorem. Choć są to jednorzędowe modele krótkodystansowe, są one krokiem naprzód w stosunku do wszystkiego, co może być zasilane wyłącznie przez ogniwa paliwowe.
Wszystkie trzy są zaprojektowane tak, aby połączyć dwie technologie oparte na wodorze, z silnikami turbinowymi spalającymi wodór, które przyspieszają start i ogniwami paliwowymi zasilającymi rejs. Jedną z koncepcji jest turbośmigłowy samolot, który mógłby przewieźć do 100 pasażerów na odległość do 2000 km. Większa wersja turbowentylatorowa mogłaby przewieźć dwa razy tyle pasażerów na dwa razy większą odległość. Trzecia koncepcja jest bardziej eksperymentalna: model „blended wing”, w którym kadłub i spirale aerodynamiczne stanowią część tej samej trójkątnej struktury aerodynamicznej. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że tworzy ono dodatkową objętość do przechowywania wodoru.
Wyzwania związane z wykorzystaniem wodoru wykraczają jednak poza kształt nadwozia. Przeprojektowanie silnika turbinowego do pracy na wodorze będzie przedsięwzięciem wartym wiele miliardów dolarów. Wodór spala się szybciej niż nafta, a także spala się goręcej. Oznacza to, że materiały narażone na jego spalanie doświadczają większych naprężeń. Istnieje również ryzyko zwiększenia zanieczyszczeń w postaci tlenków azotu, co częściowo zniweczyłoby korzyści dla środowiska wynikające ze spalania wodoru. Przydatne byłoby również takie rozwiązanie, aby część energii zużytej na sprężenie lub skroplenie wodoru do przechowywania mogła zostać odzyskana i wykorzystana w praktyce. W ciągu najbliższych kilku lat Airbus skupi się na rozwijaniu bliźniaczych technologii ogniw paliwowych i turbin napędzanych wodorem równolegle z projektowaniem przyszłych samolotów. Jeśli testy naziemne zakończą się sukcesem, firma ma nadzieję, że do 2025 roku w powietrzu pojawią się demonstratory – które Glenn Llewellyn, wiceprezes Airbusa ds. samolotów bezemisyjnych, nazywa latającymi poligonami doświadczalnymi. Pełnowymiarowy prototyp miałby powstać do końca dekady, a pierwszy komercyjny samolot bezemisyjny wszedłby do służby do 2035 roku. Nie jest jeszcze jasne, kto miałby dostarczyć silniki do takiego samolotu. Ale Safran, francuski producent silników, który często współpracuje z Airbusem, potwierdził, że przygląda się napędowi wodorowemu dla samolotów komercyjnych.
Do tej pory Boeing nie poszedł w jego ślady. Ten podział geograficzny może nie być przypadkowy. Polityka publiczna UE jest zdecydowanie proekologiczna, podobnie jak polityka publiczna w Wielkiej Brytanii, która nie jest już członkiem UE, ale w której znajduje się kilka zakładów Airbusa. Polityka UE w szczególności przekłada się na rzeczywiste pieniądze na odpowiednie badania za pośrednictwem unijnego programu Clean Sky 2.
Żadne takie wsparcie, ani moralne, ani finansowe, nie było oferowane w Ameryce w ciągu ostatnich czterech lat. Jednak nadchodząca administracja Joe Bidena wydaje się być jednomyślna z Europą w sprawach ochrony środowiska. I ten nowy kierunek będzie prawdopodobnie, podobnie jak w Europie, wspierany przez publiczne pieniądze. Co więcej, Boeing ryzykowałby pozostawiając napęd wodorowy Airbusowi. Gdyby technologia odniosła sukces, ryzykowałby utratę ważnej części swojego rynku – a na to z pewnością nie może sobie pozwolić.■
Aby dowiedzieć się więcej o zmianach klimatycznych, zarejestruj się na The Climate Issue, nasz dwutygodniowy biuletyn lub odwiedź naszą stronę poświęconą zmianom klimatycznym
Ten artykuł ukazał się w dziale Science & technology w wydaniu drukowanym pod nagłówkiem „If at first you don’t succeed…”
.