چرا هواپيماهاي هيبريدي آينده صنعت هوانوردي جهان خواهند بود؟

از دهه‌‌ي ۵۰ ميلادي تاكنون، صنعت هوافضا شاهد پيشرفت‌‌هاي چشمگيري در ممباحثه توان و بازدهي پيشرانه‌‌ها بوده است. با اين حال، پژوهش‌‌هاي تازه اين انديشه متخصصينيه را مطرح مي‌‌كنند كه فناوري موتورها احتمالا در آستانه‌‌ي رسيدن به محدوديت‌‌هاي ترموديناميكي خود است. بدين معني كه ما از لحاظ انديشه متخصصيني، به سقف انرژي قابل‌‌استحصال از سوخت‌‌هاي هيدروكربني بسيار نزديك شده‌‌ايم و گسترش بيش‌‌تر صنايع مسافربري و حمل‌‌ونقل هوايي تنها به‌‌بهاي افزايش مصرف سوخت و تشديد بيش‌‌تر انتشار گازهاي گلخانه‌‌اي تمام خواهد شد؛ مگر آن‌‌كه تا آن زمان بتوانيم به يك جايگزين مناسب براي سوخت‌‌هاي فسيلي دسترسي پيدا كنيم.

امروزه صنعت هوانوردي مسئول انتشار حدود ۲.۴ درصد از كل انتشار دي‌‌اكسيد جهان است. اين مقدار معادل با ۱۲ درصد از كل گازهاي گلخانه‌‌اي توليدشده در صنعت حمل‌‌ونقل جهاني است. شايد اين اعداد و ارقام در نگاه اول اندك به‌‌انديشه متخصصين برسند؛ اما انتظار مي‌‌رود هم‌زمان با رشد تقاضا در بازار حمل‌‌ونقل و مسافرت‌‌هاي هوايي به‌‌زودي با رشد چشمگيري در اين آمار (به‌‌خصوص در منطقه‌‌ي آسيا) مواجه شويم. پيش‌‌بيني مي‌شود تا سال ۲۰۲۸، ميزان مسافت طي‌‌شده در مسافرت‌‌هاي هوايي با رشدي ۶۰ درصدي به ۱۲ تريليون كيلومتر رسيده و ابعاد ناوگان هوايي جهان با افزايشي ۴۳ درصدي به ۳۹ هزار فروند هواپيما برسد. سازمان بين‌‌المللي هوانوردي غيرنظامي (ICAO) نيز برآورد كرده كه تا سال ۲۰۵۰، ميزان انتشار كربن در صنعت هوانوردي تا ۳۰۰ درصد افزايش پيدا مي‌‌كند. اين سازمان همچنين پيش‌‌بيني مي‌‌كند كه در صورت عدم اقدام مؤثر در جايگزين‌‌سازي سوخت‌‌هاي فسيلي، سهم اين صنعت در توليد كل گازهاي گلخانه‌‌اي جهان با افزايش قابل‌‌توجهي مواجه خواهد شد.

درصورت عدم موفقيت در معرفي فناوري‌‌هاي غيروابسته به سوخت‌‌هاي فسيلي، توليد گازهاي گلخانه‌‌اي در صنعت هوانوردي طي ده‌‌هاي آينده رشد شديدي خواهد داشت.

اما واقعيت اين است كه در مقطع كنوني، تا دستيابي به يك راهكار تمام‌‌عيار براي معضل گازهاي گلخانه‌‌اي (نظير توسعه‌‌ي هواپيماهاي جت بي‌‌نياز از مصرف سوخت‌‌هاي فسيلي) حداقل دو دهه فاصله داريم. از اين رو، برخي از پيش‌گامان صنعت هوانوردي جهان همان ايده‌‌اي را در سر دارند كه چندي قبل در صنعت خودروسازي نيز به‌‌كار گرفته شد: ساخت هواپيماي هيبريدي.

با اينكه خودروهاي هيبريدي نمي‌‌توانند به‌‌خوبي خودروهاي برقي در كاهش شدت انتشار كربن مؤثر باشند؛ با اين حال، هنوز هم ميزان انتشار ناشي از خودروهاي هيبريدي به‌‌اندازه‌‌ي نصف ميزان آن در انواع بنزين‌‌سوز است. درمورد صنعت هوانوردي نيز روال به همين ترتيب خواهد بود. ما با چالش‌‌هاي مهندسي بسيار و موانع قانوني بي‌‌شماري مواجه هستيم؛ اما بايد پذيرفت پشت سر گذاشتن موانع پيش روي تجاري‌سازي تجهيزات هوانوردي هيبريدي بسيار ساده‌‌تر از دست‌وپنجه نرم‌كردن با چالش‌هاي موجود بر سر راه تجاري‌‌سازي انواع تماما الكتريكي خواهد بود.

موانع بزرگ‌‌تر

پژوهش‌‌هاي فعلي در ممباحثه برقي‌‌سازي تجهيزات حمل‌‌ونقل در راستاي تلاش‌‌هاي جهاني براي كاهش ميزان گازهاي گلخانه‌‌اي و درنتيجه، كنترل روند گسترش خشكسالي‌‌ها و بالاآمدن سطح آب درياها است. براساس گزارش پروژه‌‌ي جهاني كربن، علي‌‌رغم تعهد تمامي كشورها در كنترل انتشار CO2، ميزان اين گاز گلخانه‌‌اي همچنان در حال افزايش بوده؛ به‌‌طوري كه تنها در سال گذشته مقدار آن به‌‌اندازه‌‌ي ۲.۷ درصد افزايش يافته است. آمارهاي به‌‌دست‌‌آمده از گزارش‌‌هاي اتحاديه‌‌ي بين‌‌المللي حمل‌‌ونقل هوايي حاكي از آن است كه تنها در بخش هوانوردي، شاهد افزايش ۲۶ درصدي انتشار كربن نسبت‌‌به سال ۲۰۱۳ بوده‌‌ايم. صنعت هوانوردي مجبور است براي پيش‌‌گيري از اعمال جرائم وضع‌‌شده ازسوي سازمان ملل متحد، طي چند سال آينده هرچه سريع‌‌تر به راهكارهاي مؤثري دست يابد. جرائم يادشده به توافق‌‌نامه‌‌ي اخير «برنامه‌‌ي كاهش و جبران كربن در هواپيمايي بين‌‌المللي» اشاره دارد كه طي آن سازمان ملل، خطوط هواپيمايي را متعهد كرده كه ميزان انتشار كربن خود را تا سال ۲۰۲۰ به سطح ثابتي محدود كنند.

در صورت عدم اعمال اصلاحات بنيادي در سيستم‌‌هاي پيشرانه‌‌ي هواپيماها، ميزان انتشار كربن در اين صنعت همچنان روند صعودي خواهد داشت.

تجهيزات هواپيمايي هيبريدي دو پيشرانه‌‌ي مجزا دارند كه شامل يك توربين معمولي با سوخت نفت سفيد و يك موتور الكتريكي با ذخيره‌‌ي باتري يا پيل سوختي هيدروژني است. اين سيستم پيشرانه‌‌ي دوگانه مي‌‌تواند در تمامي مراحل پرواز مورداستفاده قرار گيرد و علاوه بر كاهش ميزان انتشار كربن، مي‌‌تواند مصرف سوخت جت را نيز كاهش دهد؛ سوختي كه خود در ميان بيش‌ترين هزينه‌هاي صنعت هواپيمايي جاي گرفته است.

تلاش بيشتر

مي‌‌توان گفت دست‌‌كم يك مورد از تلاش‌‌ها براي به‌‌كارگيري كاركردهاي پيشرانه‌‌هاي احتراقي درون موتورهاي الكتريكي موفقيت‌‌آميز بوده است. اما عدم توجيه‌‌پذيري اقتصادي مناسب اين طرح، مانع از فراگيرشدن آن در صنايع هوانوردي شد. در سال ۲۰۱۶، شركت‌‌هاي سافران لندينگ سيستمز و هانيول برنامه‌‌هاي خود را براي توسعه‌‌ي خطوط تاكسيراني هوايي به‌‌رغم مزاياي آن‌‌ها در كاهش انتشار كربن و مصرف سوخت تعطيل كردند. علت اين تعطيلي ارزش بسيار پايين سوخت‌‌هاي فسيلي و درنتيجه عدم رغبت مشتريان اعلام شد.

تاكنون تعداد محدودي پرواز آزمايشي با هواپيماهاي هيبريدي كوچك انجام گرفته است. يكي از اين نمونه‌‌ها مربوط به هواپيماي e-Genius ازسوي دانشگاه اشتوتگارت آلمان مي‌‌شود. اين هواپيما تاكنون توانسته است باكمك سيستم پيشرانه‌‌ي پيچيده‌‌ي خود (متشكل از يك موتور الكتريكي، ژنراتور، پيشرانه‌‌ي احتراق داخلي و تعدادي باتري)  دست‌‌كم دو پرواز موفق را بر فراز ارتفاعات كوه‌هاي آلپس به انجام برساند. به‌‌طور مشابه، سال گذشته شركت‌‌هاي زيمنس و Diamond Aircraft Industries نيز خبر اولين پرواز موفق يك هواپيماي چند موتوره‌‌ي هيبريدي الكتريكي را اعلام كردند.

در ادامه قرار است چندين آزمايش بلندپروازانه‌‌ي ديگر با هواپيماهاي هيبريدي انجام شود. اخيرا هواپيمايي اسكانديناوي و ايرباس همكاري‌‌هايي داشته‌‌اند تا نمونه‌‌اي از هواپيماهاي هيبردي الكتريكي با هدف توليد تجاري انبوه عرضه كنند. طي نمايشگاه هواپيمايي پاريس در ژوئن گذشته، چندين نمونه‌‌ پروژه‌‌ي هيبريدي ديگر ازسوي شركت‌‌هايي نظير ايرباس، Safran ، Daher و Eviation رونمايي شد. چندي پيش نيز شركت رولزرويس تمايل خود را براي خريد eAircraft (از شركت‌‌هاي زيرمجموعه‌‌ي زيمنس) در شهر لو بورژه‌‌ي فرانسه اعلام كرد. تمامي اين‌‌ها نشانه‌‌هايي از تمايل صنعت هوانوردي به معرفي نسل آينده‌‌ي ناوگان هوايي الكتريكي است.

باتري‌‌ها دربرابر پيل‌‌هاي سوختي

حتي درصورت گزينش پيشرانه‌‌هاي هيبريدي، نيز بايد ابتدا تكليف منابع انرژي اين سيستم‌‌ها را روشن كرد. آيا بايد به‌‌سمت باتري‌‌هاي ليتيوم يوني رايج در صنعت خودروهاي برقي و تلفن‌‌هاي همراه برويم يا از پيل‌‌هاي سوختي هيدروژني بهره ببريم؟ هر كدام از اين گزينه‌‌ها مزايا و معايب مختص به خود را خواهند داشت.

در وهله‌‌ي دوم نياز است كه اشكال زمان طولاني شارژ در نسل بعدي باتري‌‌هاي مورداستفاده در صنايع هواپيمايي حل شود؛ چراكه در وضعيت فعلي، زمان استراحت ميان هر دو پرواز يك هواپيما چيزي حدود ۳۰ دقيقه است كه براي شارژ كامل باتري‌‌هاي فعلي كافي نيست. تمركز اصلي در صنعت خودرو، افزايش سرعت شارژ است؛ اما عده‌‌اي از پژوهشگران به گزينه‌‌ي تعويض باتري‌‌ها در وسايل نقليه‌‌ي الكتريكي فكر مي‌‌كنند كه البته پياده‌‌سازي آن خود با موانعي مواجه است. در حال حاضر، تسلا به‌‌صورت بي‌‌سروصدا روي اين موضوع كار مي‌‌كند و شركت خودروسازي Nio در چين نيز از اين ايده حمايت كرده است. اگر موانع اقتصادي و زيست‌‌محيطي درمورد قابليت تعويض‌‌پذيري باتري خودروهاي الكتريكي حل‌‌وفصل شود، مي‌‌توان انتظار داشت كه در مدتي معادل با زمان موردنياز براي سوخت‌‌گيري خودروهاي بنزيني، باتري خالي خودروهاي الكتريكي را با يك باتري شارژشده جايگزين كرد. توسعه‌‌ي اين فناوري، يكي از بزرگ‌‌ترين اشكالات پيش روي صنعت هوانوردي الكتريكي را از سر راه برخواهد داشت.

باتري‌‌هاي ليتيوم يوني اشكالات ديگري نيز دارند. امروزه چين ۶۱ درصد از ظرفيت باتري‌‌سازي جهان را در اختيار دارد. همچنين اين كشور سومين استخراج‌‌كننده‌‌ي بزرگ ماده‌‌ي اوليه‌‌ي اين باتري‌‌ها يعني ليتيوم است؛ ماده‌‌ي باارزشي كه اين روزها به‌‌خاطر ارزش بالاي اقتصادي آن با نام سوخت سفيد شناخته مي‌‌شود. اين تقاضاي بالا باعث شده كه چين درصدد خريد ذخاير ليتيومي كشور شيلي (دومين استخراج‌‌كننده‌‌ي ليتيوم جهان) برآيد.

قدرت هيدروژني

پيل سوختي هيدروژني گزينه‌‌ي ديگري است كه پژوهشگران روي آن تمركز دارند. هيدروزن فراوان‌‌ترين عنصر روي زمين و داراي بالاترين ظرفيت انرژي در واحد جرم نسبت‌‌به ساير رقباي خود نظير نفت سفيد و باتري‌‌ها است. هر كيلوگرم هيدروژن داري ظرفيت انرژي معادل ۳۳.۳ كيلووات ساعت است؛ در حالي كه اين ظرفيت براي هر كيلوگرم سوخت‌‌هاي جت رايج به ۱۱.۹ و براي باتري‌‌ها به زير يك كيلووات ساعت مي‌‌رسد. تاكنون پيل‌‌هاي سوختي هيدروژني در تمامي مأموريت‌‌هاي سرنشين‌‌دار فضايي آمريكا از آپولو گرفته تا شاتل فضايي مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

سه سال پيش، HY4، يك هواپيماي چهار سرنشينه‌‌ي الكتريكي توانست تنها با كمك يك موتور الكتريكي و يك پيل سوختي هيدروژني از فرودگاه اشتوتگارت آلمان از زمين برخيزد. اين هواپيما توانست به‌‌مدت ۱۰ دقيقه در هوا پرواز كند. در اكتبرسال ۲۰۱۸ نيز اولين هواپيماي مسافربري هيدروژني - الكتريكي جهان در سنگاپور رونمايي شد. اين هواپيما آن زمان با استقبال خوبي ازسوي ساير خطوط هواپيمايي منطقه‌‌اي مواجه شد.

بسياري از فعالان صنعت هوافضا، هيدروژن مايع را به‌‌عنوان يك گزينه‌‌ي برتر در ميان سوخت‌‌ها قلمداد مي‌‌كنند؛ سوختي كه براي دهه‌‌ها در پيشرانه‌‌ي موشك‌‌هاي طراحي‌‌شده ازسوي ناسا استفاده شده است. اخيرا ناسا يك برنامه‌‌ي جديد در دانشگاه ايلينويز راه‌‌اندازي كرده كه هدف از آن، ساخت يك پلتفرم هوانوردي كاملا برقي است كه بتواند از سيكل برودتي هيدروژن مايع به‌‌عنوان روشي براي ذخيره‌‌سازي  انرژي بهره ببرد. همچنين اين سازمان سال‌‌ها براي پژوهش درمورد ساخت تجهيزات هوانوردي هيبريدي هيدروژني زمان صرف كرده است.

واضح است كه اين صنعت هنوز جاي كار بسيار بيش‌‌تري دارد. در پيش‌‌گرفتن استراتژي هيبريدي مي‌‌تواند اندكي برايمان زمان بخرد تا نهايتا بتوانيم صنعت هوانوردي را براي ورود ناوگان جديد هواپيماهاي  بي‌‌نياز از سوخت‌‌هاي فسيلي آماده كنيم. حالا كه نياز مبرمي به كاهش انتشار كربن در جهان داريم، فناوري هيبريدي مي‌‌تواند به‌‌منزله‌‌ي يك راهكار مؤثر براي كنترل كوتاه‌‌مدت باشد. با محقق‌شدن اين سناريو، رشد روزافزون صنعت مسافربري و حمل‌‌ونقل هوايي فشار مازادي بر برنامه‌‌هاي كنترل تغييرات اقليمي كشورها وارد نخواهد كرد.