I SVERIGE i 1950-talets Florida störde ett högljutt vrål ibland de lokala alligatorernas lugn. Under strängaste sekretess testade ingenjörer från Pratt & Whitney, ett flyg- och rymdföretag, en ny typ av motor som drevs av ett märkligt ämne som tydligen kom från en gödselfabrik i den närbelägna staden Apix. I själva verket var staden bara ett namn på en karta och gödselfabriken var ett knep för att lura ryssarna. Störningarna var resultatet av Project Suntan, ett försök av det amerikanska flygvapnet att bygga ett flygplan som drivs med vätgas. Det lyckades nästan. Motorerna fungerade framgångsrikt, men att lagra och leverera själva vätgasen visade sig vara för dyrt för att produktionen skulle kunna fortsätta.
Din webbläsare stöder inte <audio>-elementet.
Njut av fler ljud- och poddartiklar på iOS eller Android.
Suntan var bara det första i raden av misslyckade försök att använda vätgas som drivmedel för flygningar som är tyngre än luft. Det är en stor lockelse. Vätgas innehåller tre gånger så mycket energi per kilo som fotogen, det nuvarande standardflygbränslet, och det är viktigt att vara lätt i luften. Tupolev, i det dåvarande Sovjetunionen, försökte på 1980-talet. Boeing försökte på 2000-talet. En liten demonstrator har flugit i Tyskland. Men ingenting har, så att säga, verkligen tagit fart. Vätgas, även om den är lätt, är skrymmande, vilket gör det svårt att förvara den ombord. Det måste antingen tryckas eller göras flytande, vilket i båda fallen medför egna komplikationer. Dessutom finns det ingen etablerad infrastruktur för att tillverka och distribuera den.
Den här gången är det annorlunda
Nu har dock saker och ting förändrats. Flyget är pressat att minska koldioxidutsläppen genom att förbränna mindre fotogen. Och det talas nu på allvar om att bygga infrastruktur för tillverkning och leverans av vätgas för andra ändamål, t.ex. uppvärmning och marktransporter, vilket innebär att vätgas kan komma att bli tillgänglig som en handelsvara, i stället för att behöva tillverkas särskilt. Fördelarna kan alltså vara på väg att förändras. Så några modiga själar tittar återigen på idén om vätgasdrivna flygningar.
Project Suntan använde ämnet på samma sätt som fotogen – för att skapa den värme som behövs för att driva en jetmotor. Det är en väg framåt. Men många flygplan drivs av propellrar, och detta möjliggör ett andra tillvägagångssätt, för propellrar kan vridas av elmotorer. Med hjälp av bränsleceller, en teknik från 1800-talet som nu håller på att komma till sin rätt, är det möjligt att generera den el som behövs för att göra detta med hjälp av vätgas.
Detta är den inriktning som ZeroAvia, ett företag med säte i Cranfield, i södra Storbritannien, har valt. I september presenterade ZeroAvias ingenjörer ett sexsitsigt bränslecellsdrivet flygplan som kunde lyfta, genomföra två rundor runt flygplatsen och landa. Planet i fråga är en modifierad Piper M-klass – ett flygplan med en enda propeller som normalt drivs av en kolvmotor. Ingenjörerna ersatte denna med en elmotor och installerade en rad bränsleceller för att driva motorn och en uppsättning tankar för vätgasen som driver bränslecellerna.
Val Miftakhov, ZeroAvias chef, hoppas att detta demonstrationsflygplan ska göra en 400 km lång resa, preliminärt planerad till veckan den 21 december, följt av en längre flygning från Orkneyöarna, en skärgård utanför Storbritanniens nordspets, nästa vår. (Myndigheterna på Orkneyöarna är intresserade av ”hopper”-flygplan som kan förbinda öarna i skärgården). Företaget planerar också att ha en 20-sitsig demonstrator klar 2021. Certifiering för kommersiell användning kan följa 2023.
Hot i hälarna på ZeroAvia är H2Fly, en avknoppning från DLR, Tysklands flygforskningscenter. År 2016 lade detta företag till bränsleceller till en motoriserad Pipistrel-seglare, som sedan höll sig uppe i 15 minuter. Planen är att utvidga detta tillvägagångssätt till ett propellerdrivet flygplan i produktionsversion i tester som kommer att genomföras inom kort. Under tiden har en tillverkare av elmotorer i USA, magniX, meddelat att man samarbetar med Universal Hydrogen, ett företag i Los Angeles, för att konvertera ett 40-sitsigt de Havilland Canada Dash 8-300 till bränslecellsdrift. De hoppas att detta ska vara klart 2025.
Dessa tillvägagångssätt verkar sannolikt fungera i princip. De måste dock i praktiken konkurrera med elektriska flygplan som drivs av batterier. I maj flög ett amerikanskt företag vid namn AeroTEC en nio-sitsig Cessna Caravan som hade konverterats till batteridrift genom himlen över delstaten Washington. I december föregående år samarbetade magniX med Harbour Air, ett kanadensiskt företag, för att flyga ett ombyggt de Havilland sjöflygplan i British Columbia. De två företagen har nu fullt upp med att förbereda detta flygplan för kommersiell certifiering. Mer ambitiöst är att flera företag, t.ex. Eviation, ett israeliskt företag, försöker bygga batteridrivna flygplan från grunden i stället för att konvertera befintliga flygplanskroppar.
Batterier ingår inte
Förespråkare av bränsleceller säger dock att dessa är bättre än batterier för att driva flygning eftersom cellerna och det tillhörande bränslet lagrar många gånger mer energi per kilo än vad batterier klarar. ”Batterier ger dig verkligen acceleration. Men de ger inte räckvidden”, säger Robert Steinberger-Wilckens, kemiingenjör vid University of Birmingham i Storbritannien. Batteritekniken förbättras, men det kommer att krävas stora genombrott innan längre resor med passagerare och gods ombord blir möjliga.
Anslutningen av elektriska kraftkällor i ett befintligt flygplan, oavsett om det är i form av batterier eller bränsleceller, är en början. Men sådan framdrivning kan leda till betydande omkonstruktioner, som den som Eviation planerar för sin tänkta produkt Alice. Denna har tre propellrar som alla är vända bakåt. Även om de en gång i tiden var populära har bakåtriktade propellrar varit omoderna på flera decennier. Elektriska flygplan med vertikal start och landning – drönare som transporterar människor och som ibland framhålls som framtidens personliga transportmedel – drivs också ofta av flera mindre elmotorer, vilket gör att de passar bra ihop med bränslecellsbaserad vätgasenergi.
Större maskiner har större problem. Det krävs mycket mer kraft för ett flygplan för att starta och landa än för att kryssa, och varken batterier eller bränsleceller har ännu tillräckligt med kraft för att klara detta för andra än små flygplan. Om större flygplan skall kunna drivas med vätgas måste åtminstone en del av arbetet utföras genom att man återvänder till Project Suntan och använder turbindrivna motorer som förbränner vätgasen.
Detta tillvägagångssätt används nu av Airbus, ett europeiskt företag som tillsammans med amerikanska Boeing delar duopolet på stora passagerarflygplan. I september presenterade Airbus ZEROe, ett projekt med tre vätgasdrivna konceptflygplan. Även om det rör sig om kortdistansmodeller med en gång, är de ett steg högre än något som skulle kunna drivas enbart av bränsleceller.
Alla tre är utformade för att koppla ihop de två vätgasbaserade teknikerna, med vätgasdrivna turbinmotorer som ger fart åt starten och bränsleceller som driver kryssningen. Ett av koncepten är en turbopropmotor som skulle kunna transportera upp till 100 passagerare på sträckor på upp till 2 000 km. En större turbofläktversion skulle kunna transportera dubbelt så mycket last dubbelt så långt. Det tredje konceptet är mer experimentellt: en ”blended wing”-modell där flygkropp och aerofiler utgör en del av samma triangulära aerodynamiska struktur. Fördelen med detta är att det skapar extra volym för lagring av vätgas.
Utmaningarna med att använda vätgas sträcker sig dock längre än till kroppens form. Att omkonstruera en turbinmotor för att köra på ämnet kommer att vara ett mångmiljardprojekt. Vätgas brinner snabbare än fotogen och brinner också hetare. Det innebär att material som utsätts för förbränning utsätts för större påfrestningar. Det finns också en risk för att föroreningarna i form av kväveoxider ökar, vilket delvis skulle upphäva miljöfördelarna med vätgasförbränning. Det skulle också vara bra att ordna det så att en del av den energi som används för att komprimera eller förvätskas för lagring av vätgasen kan återvinnas och användas.
Under de närmaste åren kommer Airbus att fokusera på att utveckla den dubbla tekniken med bränsleceller och vätgasdrivna turbiner parallellt med utformningen av sina framtida flygplan. Om testerna på marken lyckas hoppas företaget ha demonstratorer i luften – det som Glenn Llewellyn, Airbus vice ordförande för flygplan med nollutsläpp, kallar flygande testbäddar – i luften senast 2025. En fullskalig prototyp skulle följa i slutet av årtiondet och det första kommersiella flygplanet med nollutsläpp skulle tas i bruk 2035. Vem som skulle leverera motorerna till ett sådant plan är ännu inte klart. Men Safran, en fransk motortillverkare som ofta samarbetar med Airbus, har bekräftat att man tittar på vätgasdrift för kommersiella flygplan.
Boeing har hittills inte följt efter. Denna geografiska uppdelning är kanske ingen tillfällighet. EU:s offentliga politik är starkt miljövänlig, liksom den offentliga politiken i Storbritannien, som inte längre är medlem i EU men där flera av Airbus anläggningar finns. EU:s politik innebär i synnerhet faktiska pengar till relevant forskning via unionens Clean Sky 2-program.
Ett sådant stöd, vare sig moraliskt eller ekonomiskt, har inte erbjudits i USA under de senaste fyra åren. Joe Bidens tillträdande administration verkar dock vara enig med Europa i miljöfrågor. Och denna nya inriktning kommer sannolikt, liksom i Europa, att åtföljas av offentliga medel. Boeing skulle dessutom ta en chansning genom att överlåta vätgasdriften till Airbus. Om tekniken skulle lyckas skulle företaget riskera att förlora en viktig del av sin marknad – och det är något som det verkligen inte har råd med. ■
För att få mer information om klimatförändringarna kan du registrera dig för The Climate Issue, vårt nyhetsbrev som kommer varannan vecka, eller besöka vår hubb för klimatförändringar
Den här artikeln publicerades i den tryckta upplagan i avsnittet Science & technology under rubriken ”If at first you don’t succeed…”