چرا هواپیماهای هیبریدی آینده صنعت هوانوردی جهان خواهند بود؟

از دهه‌‌ی ۵۰ میلادی تاکنون، صنعت هوافضا شاهد پیشرفت‌‌های چشمگیری در مبحث توان و بازدهی پیشرانه‌‌ها بوده است. با این حال، پژوهش‌‌های تازه این نظریه را مطرح می‌‌کنند که فناوری موتورها احتمالا در آستانه‌‌ی رسیدن به محدودیت‌‌های ترمودینامیکی خود است. بدین معنی که ما از لحاظ نظری، به سقف انرژی قابل‌‌استحصال از سوخت‌‌های هیدروکربنی بسیار نزدیک شده‌‌ایم و گسترش بیش‌‌تر صنایع مسافربری و حمل‌‌ونقل هوایی تنها به‌‌بهای افزایش مصرف سوخت و تشدید بیش‌‌تر انتشار گازهای گلخانه‌‌ای تمام خواهد شد؛ مگر آن‌‌که تا آن زمان بتوانیم به یک جایگزین مناسب برای سوخت‌‌های فسیلی دسترسی پیدا کنیم.

امروزه صنعت هوانوردی مسئول انتشار حدود ۲.۴ درصد از کل انتشار دی‌‌اکسید جهان است. این مقدار معادل با ۱۲ درصد از کل گازهای گلخانه‌‌ای تولیدشده در صنعت حمل‌‌ونقل جهانی است. شاید این اعداد و ارقام در نگاه اول اندک به‌‌نظر برسند؛ اما انتظار می‌‌رود هم‌زمان با رشد تقاضا در بازار حمل‌‌ونقل و مسافرت‌‌های هوایی به‌‌زودی با رشد چشمگیری در این آمار (به‌‌خصوص در منطقه‌‌ی آسیا) مواجه شویم. پیش‌‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۸، میزان مسافت طی‌‌شده در مسافرت‌‌های هوایی با رشدی ۶۰ درصدی به ۱۲ تریلیون کیلومتر رسیده و ابعاد ناوگان هوایی جهان با افزایشی ۴۳ درصدی به ۳۹ هزار فروند هواپیما برسد. سازمان بین‌‌المللی هوانوردی غیرنظامی (ICAO) نیز برآورد کرده که تا سال ۲۰۵۰، میزان انتشار کربن در صنعت هوانوردی تا ۳۰۰ درصد افزایش پیدا می‌‌کند. این سازمان همچنین پیش‌‌بینی می‌‌کند که در صورت عدم اقدام مؤثر در جایگزین‌‌سازی سوخت‌‌های فسیلی، سهم این صنعت در تولید کل گازهای گلخانه‌‌ای جهان با افزایش قابل‌‌توجهی مواجه خواهد شد.

درصورت عدم موفقیت در معرفی فناوری‌‌های غیروابسته به سوخت‌‌های فسیلی، تولید گازهای گلخانه‌‌ای در صنعت هوانوردی طی ده‌‌های آینده رشد شدیدی خواهد داشت.

اما واقعیت این است که در مقطع کنونی، تا دستیابی به یک راهکار تمام‌‌عیار برای معضل گازهای گلخانه‌‌ای (نظیر توسعه‌‌ی هواپیماهای جت بی‌‌نیاز از مصرف سوخت‌‌های فسیلی) حداقل دو دهه فاصله داریم. از این رو، برخی از پیش‌گامان صنعت هوانوردی جهان همان ایده‌‌ای را در سر دارند که چندی قبل در صنعت خودروسازی نیز به‌‌کار گرفته شد: ساخت هواپیمای هیبریدی.

با اینکه خودروهای هیبریدی نمی‌‌توانند به‌‌خوبی خودروهای برقی در کاهش شدت انتشار کربن مؤثر باشند؛ با این حال، هنوز هم میزان انتشار ناشی از خودروهای هیبریدی به‌‌اندازه‌‌ی نصف میزان آن در انواع بنزین‌‌سوز است. درمورد صنعت هوانوردی نیز روال به همین ترتیب خواهد بود. ما با چالش‌‌های مهندسی بسیار و موانع قانونی بی‌‌شماری مواجه هستیم؛ اما باید پذیرفت پشت سر گذاشتن موانع پیش روی تجاری‌سازی تجهیزات هوانوردی هیبریدی بسیار ساده‌‌تر از دست‌وپنجه نرم‌کردن با چالش‌های موجود بر سر راه تجاری‌‌سازی انواع تماما الکتریکی خواهد بود.

موانع بزرگ‌‌تر

پژوهش‌‌های فعلی در مبحث برقی‌‌سازی تجهیزات حمل‌‌ونقل در راستای تلاش‌‌های جهانی برای کاهش میزان گازهای گلخانه‌‌ای و درنتیجه، کنترل روند گسترش خشکسالی‌‌ها و بالاآمدن سطح آب دریاها است. براساس گزارش پروژه‌‌ی جهانی کربن، علی‌‌رغم تعهد تمامی کشورها در کنترل انتشار CO2، میزان این گاز گلخانه‌‌ای همچنان در حال افزایش بوده؛ به‌‌طوری که تنها در سال گذشته مقدار آن به‌‌اندازه‌‌ی ۲.۷ درصد افزایش یافته است. آمارهای به‌‌دست‌‌آمده از گزارش‌‌های اتحادیه‌‌ی بین‌‌المللی حمل‌‌ونقل هوایی حاکی از آن است که تنها در بخش هوانوردی، شاهد افزایش ۲۶ درصدی انتشار کربن نسبت‌‌به سال ۲۰۱۳ بوده‌‌ایم. صنعت هوانوردی مجبور است برای پیش‌‌گیری از اعمال جرائم وضع‌‌شده ازسوی سازمان ملل متحد، طی چند سال آینده هرچه سریع‌‌تر به راهکارهای مؤثری دست یابد. جرائم یادشده به توافق‌‌نامه‌‌ی اخیر «برنامه‌‌ی کاهش و جبران کربن در هواپیمایی بین‌‌المللی» اشاره دارد که طی آن سازمان ملل، خطوط هواپیمایی را متعهد کرده که میزان انتشار کربن خود را تا سال ۲۰۲۰ به سطح ثابتی محدود کنند.

در صورت عدم اعمال اصلاحات بنیادی در سیستم‌‌های پیشرانه‌‌ی هواپیماها، میزان انتشار کربن در این صنعت همچنان روند صعودی خواهد داشت.

تجهیزات هواپیمایی هیبریدی دو پیشرانه‌‌ی مجزا دارند که شامل یک توربین معمولی با سوخت نفت سفید و یک موتور الکتریکی با ذخیره‌‌ی باتری یا پیل سوختی هیدروژنی است. این سیستم پیشرانه‌‌ی دوگانه می‌‌تواند در تمامی مراحل پرواز مورداستفاده قرار گیرد و علاوه بر کاهش میزان انتشار کربن، می‌‌تواند مصرف سوخت جت را نیز کاهش دهد؛ سوختی که خود در میان بیش‌ترین هزینه‌های صنعت هواپیمایی جای گرفته است.

تلاش بیشتر

می‌‌توان گفت دست‌‌کم یک مورد از تلاش‌‌ها برای به‌‌کارگیری کارکردهای پیشرانه‌‌های احتراقی درون موتورهای الکتریکی موفقیت‌‌آمیز بوده است. اما عدم توجیه‌‌پذیری اقتصادی مناسب این طرح، مانع از فراگیرشدن آن در صنایع هوانوردی شد. در سال ۲۰۱۶، شرکت‌‌های سافران لندینگ سیستمز و هانیول برنامه‌‌های خود را برای توسعه‌‌ی خطوط تاکسیرانی هوایی به‌‌رغم مزایای آن‌‌ها در کاهش انتشار کربن و مصرف سوخت تعطیل کردند. علت این تعطیلی قیمت بسیار پایین سوخت‌‌های فسیلی و درنتیجه عدم رغبت مشتریان اعلام شد.

تاکنون تعداد محدودی پرواز آزمایشی با هواپیماهای هیبریدی کوچک انجام گرفته است. یکی از این نمونه‌‌ها مربوط به هواپیمای e-Genius ازسوی دانشگاه اشتوتگارت آلمان می‌‌شود. این هواپیما تاکنون توانسته است باکمک سیستم پیشرانه‌‌ی پیچیده‌‌ی خود (متشکل از یک موتور الکتریکی، ژنراتور، پیشرانه‌‌ی احتراق داخلی و تعدادی باتری)  دست‌‌کم دو پرواز موفق را بر فراز ارتفاعات کوه‌های آلپس به انجام برساند. به‌‌طور مشابه، سال گذشته شرکت‌‌های زیمنس و Diamond Aircraft Industries نیز خبر اولین پرواز موفق یک هواپیمای چند موتوره‌‌ی هیبریدی الکتریکی را اعلام کردند.

در ادامه قرار است چندین آزمایش بلندپروازانه‌‌ی دیگر با هواپیماهای هیبریدی انجام شود. اخیرا هواپیمایی اسکاندیناوی و ایرباس همکاری‌‌هایی داشته‌‌اند تا نمونه‌‌ای از هواپیماهای هیبردی الکتریکی با هدف تولید تجاری انبوه عرضه کنند. طی نمایشگاه هواپیمایی پاریس در ژوئن گذشته، چندین نمونه‌‌ پروژه‌‌ی هیبریدی دیگر ازسوی شرکت‌‌هایی نظیر ایرباس، Safran ، Daher و Eviation رونمایی شد. چندی پیش نیز شرکت رولزرویس تمایل خود را برای خرید eAircraft (از شرکت‌‌های زیرمجموعه‌‌ی زیمنس) در شهر لو بورژه‌‌ی فرانسه اعلام کرد. تمامی این‌‌ها نشانه‌‌هایی از تمایل صنعت هوانوردی به معرفی نسل آینده‌‌ی ناوگان هوایی الکتریکی است.

باتری‌‌ها دربرابر پیل‌‌های سوختی

حتی درصورت گزینش پیشرانه‌‌های هیبریدی، نیز باید ابتدا تکلیف منابع انرژی این سیستم‌‌ها را روشن کرد. آیا باید به‌‌سمت باتری‌‌های لیتیوم یونی رایج در صنعت خودروهای برقی و تلفن‌‌های همراه برویم یا از پیل‌‌های سوختی هیدروژنی بهره ببریم؟ هر کدام از این گزینه‌‌ها مزایا و معایب مختص به خود را خواهند داشت.

در وهله‌‌ی دوم نیاز است که مشکل زمان طولانی شارژ در نسل بعدی باتری‌‌های مورداستفاده در صنایع هواپیمایی حل شود؛ چراکه در وضعیت فعلی، زمان استراحت میان هر دو پرواز یک هواپیما چیزی حدود ۳۰ دقیقه است که برای شارژ کامل باتری‌‌های فعلی کافی نیست. تمرکز اصلی در صنعت خودرو، افزایش سرعت شارژ است؛ اما عده‌‌ای از پژوهشگران به گزینه‌‌ی تعویض باتری‌‌ها در وسایل نقلیه‌‌ی الکتریکی فکر می‌‌کنند که البته پیاده‌‌سازی آن خود با موانعی مواجه است. در حال حاضر، تسلا به‌‌صورت بی‌‌سروصدا روی این موضوع کار می‌‌کند و شرکت خودروسازی Nio در چین نیز از این ایده حمایت کرده است. اگر موانع اقتصادی و زیست‌‌محیطی درمورد قابلیت تعویض‌‌پذیری باتری خودروهای الکتریکی حل‌‌وفصل شود، می‌‌توان انتظار داشت که در مدتی معادل با زمان موردنیاز برای سوخت‌‌گیری خودروهای بنزینی، باتری خالی خودروهای الکتریکی را با یک باتری شارژشده جایگزین کرد. توسعه‌‌ی این فناوری، یکی از بزرگ‌‌ترین مشکلات پیش روی صنعت هوانوردی الکتریکی را از سر راه برخواهد داشت.

باتری‌‌های لیتیوم یونی مشکلات دیگری نیز دارند. امروزه چین ۶۱ درصد از ظرفیت باتری‌‌سازی جهان را در اختیار دارد. همچنین این کشور سومین استخراج‌‌کننده‌‌ی بزرگ ماده‌‌ی اولیه‌‌ی این باتری‌‌ها یعنی لیتیوم است؛ ماده‌‌ی باارزشی که این روزها به‌‌خاطر ارزش بالای اقتصادی آن با نام سوخت سفید شناخته می‌‌شود. این تقاضای بالا باعث شده که چین درصدد خرید ذخایر لیتیومی کشور شیلی (دومین استخراج‌‌کننده‌‌ی لیتیوم جهان) برآید.

قدرت هیدروژنی

پیل سوختی هیدروژنی گزینه‌‌ی دیگری است که پژوهشگران روی آن تمرکز دارند. هیدروزن فراوان‌‌ترین عنصر روی زمین و دارای بالاترین ظرفیت انرژی در واحد جرم نسبت‌‌به سایر رقبای خود نظیر نفت سفید و باتری‌‌ها است. هر کیلوگرم هیدروژن داری ظرفیت انرژی معادل ۳۳.۳ کیلووات ساعت است؛ در حالی که این ظرفیت برای هر کیلوگرم سوخت‌‌های جت رایج به ۱۱.۹ و برای باتری‌‌ها به زیر یک کیلووات ساعت می‌‌رسد. تاکنون پیل‌‌های سوختی هیدروژنی در تمامی مأموریت‌‌های سرنشین‌‌دار فضایی آمریکا از آپولو گرفته تا شاتل فضایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

سه سال پیش، HY4، یک هواپیمای چهار سرنشینه‌‌ی الکتریکی توانست تنها با کمک یک موتور الکتریکی و یک پیل سوختی هیدروژنی از فرودگاه اشتوتگارت آلمان از زمین برخیزد. این هواپیما توانست به‌‌مدت ۱۰ دقیقه در هوا پرواز کند. در اکتبرسال ۲۰۱۸ نیز اولین هواپیمای مسافربری هیدروژنی - الکتریکی جهان در سنگاپور رونمایی شد. این هواپیما آن زمان با استقبال خوبی ازسوی سایر خطوط هواپیمایی منطقه‌‌ای مواجه شد.

بسیاری از فعالان صنعت هوافضا، هیدروژن مایع را به‌‌عنوان یک گزینه‌‌ی برتر در میان سوخت‌‌ها قلمداد می‌‌کنند؛ سوختی که برای دهه‌‌ها در پیشرانه‌‌ی موشک‌‌های طراحی‌‌شده ازسوی ناسا استفاده شده است. اخیرا ناسا یک برنامه‌‌ی جدید در دانشگاه ایلینویز راه‌‌اندازی کرده که هدف از آن، ساخت یک پلتفرم هوانوردی کاملا برقی است که بتواند از سیکل برودتی هیدروژن مایع به‌‌عنوان روشی برای ذخیره‌‌سازی  انرژی بهره ببرد. همچنین این سازمان سال‌‌ها برای پژوهش درمورد ساخت تجهیزات هوانوردی هیبریدی هیدروژنی زمان صرف کرده است.

واضح است که این صنعت هنوز جای کار بسیار بیش‌‌تری دارد. در پیش‌‌گرفتن استراتژی هیبریدی می‌‌تواند اندکی برایمان زمان بخرد تا نهایتا بتوانیم صنعت هوانوردی را برای ورود ناوگان جدید هواپیماهای  بی‌‌نیاز از سوخت‌‌های فسیلی آماده کنیم. حالا که نیاز مبرمی به کاهش انتشار کربن در جهان داریم، فناوری هیبریدی می‌‌تواند به‌‌منزله‌‌ی یک راهکار مؤثر برای کنترل انتشار در کوتاه‌‌مدت باشد. با محقق‌شدن این سناریو، رشد روزافزون صنعت مسافربری و حمل‌‌ونقل هوایی فشار مازادی بر برنامه‌‌های کنترل تغییرات اقلیمی کشورها وارد نخواهد کرد.