Бъдещето на авиацията – електрически самолети?

В очакване на електрическата гражданска авиация първо ще трябва да открием батерии с много по-висока енергийна плътност.

Двигателите с вътрешно горене са основната ни транспортна технология в продължение на десетилетия, но индустрията изглежда е на път да се промени. Електрическите автомобили вече са доста популярни, има електрически лодки и дори фериботи. Но какво ще стане със самолетите?

Електрически самолети вече съществуват, но използването им е ограничено. Няколко предизвикателства стоят пред тях, когато се говори за пълноценните пътнически самолети, захранвани изцяло от електричество.

Авиацията, най-големият трън в очите

Транспортът се сочи като от най-големите източници на емисии на парникови газове в света и съответно виновник за изменението на климата. Самолетите са отговорни за около 3% от глобалните емисии на парникови газове годишно. И този негативен принос нараства, защото все повече хора летят със самолет до различни места. С бума на бюджетните авиолинии достъпът до въздушен транспорт се увеличи драстично през последните няколко десетилетия. И така авиацията става все по-голям участник във въглеродното замърсяване – което пък трябва да бъде спряно.

Намаляването и в крайна сметка елиминирането на емисиите от самолетите е обект на непрекъсната работа на много фронтове. През 2016 г. панел на ООН създаде актуализирани стандарти за емисии за всички нови самолети и много самолети вече отговарят или надвишават тези стандарти. Въпреки това постигането на заветната цел – т. нар. нулеви емисии – означава пълно отказване от горивата.

Всички в играта електрически самолет

Общият брой проекти за електрически самолети постоянно се увеличава. Расте и броят на играчите в пространството на електрическата авиация. Въпреки че този сектор е все още в своя „прощъпулник“, през последните години се наблюдава драматичен и последователен растеж.

Всъщност, растежът беше доста постоянен от 2009 г. до 2016 г., когато се случи първият „скок“. Личните електрически самолети, по-често наричани въздушни таксита, представляват най-голямата част от разработките, като авиацията с общо предназначение е на второ място.

Ето, че през май 2022 г. Scientific American съобщи, че има повече от 170 проекта за електрическа авиация в световен мащаб – и този брой само нараства. Международната организация за гражданска авиация (ICAO) говори за малко по-голям брой: повече от 200 новостартиращи компании за електрическа авиация и над 300 проекта за електрически самолети между 2016 г. и 2022 г. Точните числа всъщност не са толкова важни – важното е, че голям брой хора работят, за да преодолеят предизвикателството за електрически полет.

Ех, тези батерии

Независимо дали се опитваме да задвижим кола, влак, самолет или космически кораб, енергията винаги е ограничаващият фактор. Вдигането на самолет във въздуха и задържането му там отнема много енергия. Авиоинженерите търсят начини да направят самолетите по-икономични.

Проблемът е, че самолетите са тежки дори и без товар – без екипажа, пътниците, техния багаж и теглото на самото гориво. За да направим авиацията достатъчно достъпна за всички, трябва да получим много използваема енергия във възможно най-малко пространство. С други думи, нужна е висока енергийна плътност.

Изчисляването на енергийната плътност на гориво или друг източник на енергия е доста просто. Разделяме количеството налична енергия в горивото на теглото му, за да получим броя ватчасове на килограм гориво. Някои от най-добрите батерии, които някога са създавани в лабораторията, могат да осигурят повече от 700 вата часа на килограм. И все пак това постижение бледнее в сравнение с 12 000 вата часа на килограм на реактивното гориво.

С две думи, пътуването с електрически въздушен транспорт е възможно днес, но ние сме ограничени от самото тегло на батериите. Настоящите технологии могат да ни издигнат във въздуха, но ще ни трябват по-добри и по-леки батерии, за да ни задържат там.

Соларни самолети?

Може би има начин да променим картината, ако се обърнем към соларната технология. Емблемата тук е Solar Impulse 2 – наистина странен самолет, създаден специално за постигане на идеята да се лети само с енергия от слънцето.

Създаден от психиатъра Бертран Пикар, извършил околосветско пътешествие с балон с горещ въздух през 1999 г., Solar Impulse 2 беше начин да се постигне околосветска обиколка, като се разчита на слънчево електричество. По-зелените самолети на бъдещето… или просто красиви идеи? Екологизиране на самолетите – малки части имат голямо значение Пикар трябваше да се справи с проблема с енергийната плътност, точно както с всеки друг самолет, но той го заобиколи по нов начин. Самолетът трябваше да бъде достатъчно голям, за да побере необходимите слънчеви панели, но достатъчно лек, за да остане във въздуха с минимална мощност.

За да се случи това, Solar Impulse 2 получи 72-метров размах на крилете, за да поддържа корпус, тежащ колкото автомобил. Почти всеки сантиметър от повърхността на самолета бе покрит с фотоволтаични слънчеви клетки, общо повече от 17 000. Те поглъщаха слънчевата светлина и караха витлата да се въртят дори когато навън е тъмно.

Пътуването приключи на 26 юли 2016 г. Самолети като Solar Impulse 2 вероятно не са бъдещето на търговските електрически полети, но те доказаха, че е възможно да се лети с енергия от слънцето – и го направиха със стил.

Може би хибридни решения

Проблемът с капацитета на батерията е същият, който и наземните превозни средства трябваше да преодолеят (и до известна степен все още го борят). Един от начините производителите да преодолеят тази празнина в началото бяха хибридните технологии. Дори днес хибридните електрически превозни средства предлагат подобрен пробег батерията с комфорта на конвенционален двигател с вътрешно горене. Някои производители на самолети поемат по подобен път със своите самолети в процес на разработка, като предоставят батерии в допълнение към конвенционалните двигатели с вътрешно горене.

Има данни, че Air Canada и United Airlines са подписали договор за закупуване на хибридни електрически самолети за комерсиални полети. Моделът е самолет, който ще може да превозва до 30 пътници и да изминава 200 километра само на батерия. Може да стигне приблизително два пъти по-далеч, като използва комбинация от батерии и течно гориво. Но това е само план – очаква се първият хибриден самолет да се появи чак през 2028 г.

Междувременно НАСА също насърчава разработването на хибридни самолети чрез свой демонстрационен проект за полет с електрифицирано задвижване. Програмата зависи от сътрудничеството между НАСА и индустриалните партньори за модифициране на съществуващи самолети с електрифицирани тягови системи.

В търсене на батерията

Понастоящем има значителна разлика между най-добрите батерии, създавани в индустрията, и конвенционалните течни горива. Енергийната плътност на реактивното гориво от 12 000 ватчаса на килограм е повече от 17 пъти по-добра от най-добрите батерии, които можем да сглобим. Това означава, че ако искаме да летим със същата ефективност като конвенционалните самолети, батериите ще трябва да станат много по-мощни или много по-леки.

Литиево-йонните батерии са стандарт за повечето акумулаторни електроники. Но те имат лимит за своята енергийна плътност. Това е така, защото голяма част от батерията е предназначена за тежки материали, които улесняват преноса на енергия. Достигането до драстично по-лека батерия може да изисква изцяло нов вид технология за батерии.

Литиево-въздушните батерии предизвикват известен интерес, защото заместват някои от конвенционалните материали с въздух, което прави цялата батерия значително по-лека. Но и те си имат своите ограничения, особено по отношение на проводимостта и презареждаемостта. В крайна сметка литиево-въздушните батерии могат да предложат енергийна плътност, приблизително два пъти по-голяма от съществуващите батерии. А това не е съществено подобрение.

Графеновите батерии, за които толкова интензивно се говори от около 10 години, така и не изпълиха своето обещание – поне не и до момента. Технологията бе приветствана с голяма надежда, защото обещаваше висока енергийна плътност – светът на електромобилите жадно очакваше тази революция. До момента обаче тя си остава в бъдеще неопределено време.

Алис

През това време един електрически самолет от Eviation, нежно наричан Алис, прави стъпки към промяната. Той със сигурност не е първият електрически самолет в света, но може би ще е първият търговски самолет, който превозва пътници. Ако фирмата постигне целта си за пускане през 2027 г.

Алис може да превозва до девет пътника на разстояние до 400 км. между зарежданията. Въпреки това, както е случаят с всички електрически превозни средства, действителният обхват на батерията в реални условия зависи от няколко фактора по време на полет и може да бъде по-кратък от посоченото. Като се има предвид това, Алис навярно ще работи за по-кратки полети.

Една регионална авиокомпания на име Monte вече е направила поръчка за 30 от самолетите, след като започнат да излизат по пистите през 2027 г. Съвсем наскоро и южнокорейската лизингова компания Solyu подписа писмо за намерение за закупуване на 25 самолета с опция за удвояване. Ако приемем, че всичко върви по план, след няколко години може би ще има комесиални пътнически самолети в небето.

През това време големите авиопроизводители продължават да разработват своите дръзки проекти за изцяло електрически самолети. През октомври 2022 г. държавите-членки на Международната организация за гражданска авиация ICAO се съгласиха с общата цел за постигане на въглероден неутралитет до 2050 г. Най-важното е, че тази цел се фокусира върху действителното намаляване на емисиите, а не компенсирането на емисиите чрез закупуване на кредити. В споразумението обаче няма ясни цели или обвързващи задължения.

Напред по пистата

Напълно електрическите пътнически самолети за дълги разстояния вероятно са неизбежни в достатъчно дълъг период от време, но въз основа на текущите тенденции при батериите те няма да тръгнат скоро по пистата. В краткосрочен план ограниченията на батериите вероятно ще продължат да пречат. Това ще наложи фокусирането върху по-малките самолети и по-кратките пътувания.

В някои части на все още нововъзникващата индустрия това означава фокусиране върху много малки електрически самолети, предназначени за индивиди, семейства или малки групи. Можем да си го представяме по-скоро като летящ миниван, отколкото пътнически самолет.

Много от тези малки електрически летателни апарати са проектирани да излитат и кацат вертикално, като хеликоптер, позволявайки качване и слизане от всяка улица, едва ли не. Въпреки че малките eVTOL са най-успешната до момента стъпка към електрифицираното летене, те пък трябва да преодолеят редица регулаторни пречки.