هواپیماهای هیدروژنی

هواپیماهای هیدروژنی
چکیده
سفرهای هوایی راحت، سریع و آسان اما یکی از عوامل اصلی گرمایش زمین و تغییرات اقلیمی با تعداد 15 هزار پرواز روزانه، حالا در چند سال اخیر بسیار مورد توجه شرکت ها و محققان قرار گرفته است و به دنبال جانشینی مناسب برای سوخت هواپیما هستند که هم پاک باشد و هم قابلیت طی کردن مسافت های طولانی را داشته باشد.همین امر باعث شده که نگاه ها به هیدروژن بیش از پیش جلب شود، سوختی که اگر از روشهای تجدیدپذیر به دست آید آلایندگی ای نزدیک به صفر دارد.اما موضوع مورد بحث و تحقیق دانشمندان این است که چطور از هیدروژن بهره بگیرند که توانایی طی کردن مسافت های طولانی را داشته باشد.
در این مقاله سعی شده است که نگاهی داشته باشیم به تاریخچه و آخرین مقاله ی چاپ شده در زمینه هواپیماهای هیدروژنی
تاریخچه ی هواپیماهای هیدروژنی و آینده آنها
اولین بار در فوریه 1957، یک مارتین مدل B-57B متعلق به ناسا، به جای استفاده از سوخت جت برای مدت 20 دقیقه با سوخت هیدروژن به پرواز درآمد[2][1].

مارتین B-57

در 15 آوریل 1988 هواپیمای توپولف مدل Tu-155 پرواز آزمایشی خود را با بهره گیری از سوختی هیدروژن انجام داد. Tu-155اولین هواپیمای مسافربری هیدروژنی بود[3].

توپولف Tu-155

در اواخر سال 2001 اتحادیه اروپا با همکاری ایرباس و 34 شرکت فعال در زمینه هوانوردی امکان سنجی فنی، سازگاری اقتصادی و ایمنی استفاده از هیدروژن مایع به عنوان سوخت هوانوردی را ارزیابی کردند و در سال 2002 به نتیجه ی مشترکی دست پیدا کردند.
در سوم آوریل 2008 شرکت بوئینگ هواپیمای هیدروژنی خود را که DA20 نام داشت وارد خطوط هوایی کرد.این هوایپمای سبک دو سرنشینه چندین بار در طی سالها مورد بازیابی و بهبود قرار گرفت که سرانجام در دو نسخه چهار نفره و دو نفره هیدروژنی در سال 2008 ارائه شد[4].

Diamond DA20

جولای 2010 بوئینگ، پهپاد Phantom Eye خود را که از دو موتور پیستونی هیدروژنی تبدیل شده شرکت فورد استفاده میکرد را رونمایی کرد.این هواپیما به تقاضای ارتش ایالات متحده ساخته شد و در جنگ افغانستان از آن استفاده شد[5].

پهپاد Phantom Eye

در سال 2010 Kappa 77 KP-2U شش پرواز آزمایشی با بهره گیری از سوخت هیدروژن را انجام داد این هواپپما با همکاری اتحادیه اروپا و شرکت Politecnico di Torino توسعه داده شد.
مشخصات فنی هواپیما به این صورت است که از گاز هیدروژن با بار فشار 350 بار استفاده میکند تا بتواند یک پیل سوختی 20 کیلووات (27 اسب بخار) را تغذیه کند همچنین از یک موتور الکتریکی 40 کیلووات (54 اسب بخار) در کنار یک بسته باتری لیتیوم پلیمری 20 کیلووات (27 اسب بخار) بهره میبرد[6].

Kappa 77 KP-2U

در سال 2016 نوبت به یک هواپیمای آلمانی منحصر به فرد به نام HY4 رسید که محصول شرکت DLR بود که امکان ذخیره 9 کیلوگرم (20 پوند) هیدروژن را داشت و از یک پیل سوختی 4×11 کیلووات و باتری 2×10 کیلووات ساعتی استفاده میکرد[7].

HY4

تا سال 2020 کم و بیش هوایپماهای هیدروژنی ساخته میشدند اما به یک باره جهان با بحران تغییرات اقیلیمی گستره روبه رو شد جایی که بحث تمام فعالان محیط زیست و انرژی کاهش دی اکسید کربن و ثابت نگه داشتن دما بود حالا بیش از پیش استفاده از هواپیماهای هیدروژنی در کانون توجهات قرار داشت.
در سپتامبر همان سال ایرباس سه مدل هواپیما با سوخت هیدروژنی ZERO را با هدف خدمات تجاری تا سال 2035 ارائه کرد. یک توربوپراپ با 100 سرنشین، یک توربوفن با ظرفیت 200 سرنشین و یک طراحی آینده نگر مبتنی بر بدنه بال ترکیبی که این هواپیما به جای پیل سوختی، از توربین های گازی نیرو می گیرد و نام آن X48B میباشد[8].

X48B

سال 2021 شرکت بریتانیایی Cranfield Aerospace Solutions اعلام کرد که در پروژهای Fresson به جای باطری های لیتیومی از پیل های سوختی استفاده میکند و در سال 2022 هواپیماهای Britten-Norman Islande را با موتورهای هیدروژنی ارائه میکند[9].

Britten-Norman

در همان سال 2021 شرکت انگلیسی-آمریکایی ZeroAvia اعلام کرد که به طور فعال در حال توسعه هواپیماهایی با پیشرانه پیل سوختی است که “قابلیت حمل 20 مسافر در حدود 350 مایل دریایی را دارد[10].
آگوست همان سال دولت بریتانیا ادعا کرد که اولین کشوری است که یک استراتژی هیدروژن دارد. این گزارش شامل یک استراتژی پیشنهادی برای هواپیماهای هیدروژنی همراه با سایر روش های حمل و نقل نیز میشد.
چند ماه گذشه ایرباس خبر رونمایی از یک توربوفن با سوخت هیدروژن مایع را با همکاری شرکت CFM International را اعلام کرد. که محفظه احتراق، سیستم سوخت و سیستم کنترل بر روی هواپیمای A380 نصب میشود[11].

A380

شرکت FlyZero سه هواپیمای مفهومی خود را در 2022 شرح داد که انتظار میرود در سالهای آتی از آنها رونمایی شود:
هواپیمای مسافربری منطقه ای FZR-1E با 75 صندلی دارای شش پیشرانه الکتریکی که با پیل سوختی کار می کند. اندازه ای قابل مقایسه با ATR 72 دارد که سرعتی نزدیک به 601 کیلومتر بر ساعت را دارا میباشد که میتواند 1480 کیلومتر را طی کند[12].

ATR 72

FZN-1E با بدنه باریک که دارای توربوفن های هیدروژن سوز در عقب است و دارای بدنه 10 متری طولانی تر از ایرباس A320neo میباشد.سرعتی نزدیک به 830 کیلومتر در ساعت دارد و بردی نزدیک به 4400 کیلومتر[12].

A320

FZM-1G یک هواپیمای کوچکتر که با 279 مسافر میتواند 10650 کیلومتر پرواز کند و قطر بدنه آن 6 متر بیشتر از A350 است[12].

A350

آخرین مقاله ی چاپ شده در زمینه ی هواپیماهای هیدروژنی
دکتر جایانت موخوپادایا1 و دکتر دن رادرفورد2 در مقاله ی خود به تجزیه و تحلیل عملکرد هواپیماهای هیدروژنی میپردازند.
آنها به این موضوع اشاره میکنند که هوانوردی به دلیل نیازهای سنگین به سوخت بخش بسیار مهمی در صنعت حمل و نقل را به خود اختصاص داده اند که روی کربن زدایی از آنها بسیار توجه ویژه است. به دلیل اینکه سوخت جت مایع دارای انرژی ویژه و تراکم انرژی بالایی است دشوار بتوان سوختی را جایگزین آن کرد اما برای کاهش گازهای گلخانه ای و تاکید بر کاهش استفاده از سوخت های هوایی پایدار میتوان از هیدروژن مایع استفاده کرد که به عنوان یک جایگزین بالقوه برای سوخت های هوایی شناخته میشود که اگر با استفاده از برق تجدیدپذیر به دست آید انتشار کربن آن به صفر میرسد.
آنها در مقاله خود عملکرد هیدروژن مایع بر روی هواپیما را مورد بررسی قرار میدهند که قرار است تا سال 2035 نقش ویژه ای را در این صنعت ایفا کنند، برای این منظور دو طرح را مورد بررسی قرار میدهند یک هواپیمای توربوپراپ و یک هواپیمای توربوفن با بدنه باریک مناسب برای پروازهای کوتاه و متوسط که این طرح‌ها به ترتیب با هواپیماهای ATR 72 و Airbus A320neo مقایسه می‌شوند.
هر دو طرح با نیروی هیدروژن به بدنه ای کشیده نیاز دارند تا ذخیره هیدروژن مایع در پشت کابین سرنشینان را در خود جای دهد. به طور کلی هواپیماهای مجهز به هیدروژن مایع در سال 2035 وارد خدمت می شوند که می توانند به اهداف اقلیمی 2050 هوانوردی کمک کنند در مقایسه با هواپیماهای سوخت فسیلی، هواپیماهای مجهز به نیروی هیدروژن سنگین‌تر، با نیاز انرژی بالاتر و همچنین دارای برد کوتاه تری نسبت به هواپیماهای با سوخت فسیلی هستند با این وجود تخمین زده میشود که هواپیماهای باریک پیکر تکاملی با موتور هیدروژنی می توانند 165 مسافر را تا 3400 کیلومتر و هواپیماهای توربوپراپ با موتور هیدروژنی می توانند 70 مسافر را تا 1400 کیلومتر جابجا کنند.
این تحقیق چندین زمینه بالقوه را برای مطالعه بیشتر برجسته کرده است که این کار سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای توسعه هواپیماهای هیدروژنی یا ساخت زیرساخت سوخت هیدروژنی برای هواپیماهای هیدروژنی در فرودگاه را در نظر نمی‌گیرد.
نتایجی که آنها از انجام مقاله ی خود به دست آوردند این بود که:

در حالی که هواپیماهای احتراقی هیدروژن مایع به خوبی همتایان سوخت جت خود عمل نمی کنند،
اما می توانند نقش مهمی در کربن زدایی هوانوردی ایفا کنند.

هواپیماهای هیدروژن مایع نسبت به هواپیماهای همتای جت، توانایی کمتری دارند که با محدودیت‌هایی در بخش بار و برد مواجه هستند که این به دلیل چگالی انرژی کم هیدروژن و جرم بالای ذخیره سوخت است و با شاخص های وزنی قابل دستیابی (0.2 تا 0.35) اندازه گیری می شود. با این حال این هواپیماها می‌توانند تأثیرگذار باشند: توربوپراپ‌ها و توربوفن های بدنه باریک می‌توانند 24٪ تا 38٪ از کل هوانوردی مسافربری را پوشش دهند.

تحت خوش بینانه ترین فرضیات سوخت و گردش ناوگان، هواپیماهای تکاملی با موتور هیدرژنی می توانند CO2 هوانوردی مسافربری را در مقایسه با سطوح سال 2035 محدود کنند، اما به طور مطلق کاهش نمی دهند.

این امر مستلزم انجام تمام ماموریت های قابل تعویض در سال 2050 توسط هواپیماهای هیدروژنی با استفاده از هیدروژن سبز است و منجر به کاهش دی اکسید کربن در سال 2050 می شود که نشان دهنده 31٪ از انتشار CO2 هواپیمای مسافربری است. درصد پذیرش به طور واقعی قابل دستیابی است که نشان دهنده 6 تا 12 درصد مسافران است.
تا جایی که سازندگان باید توسعه هواپیما را در اولویت قرار دهند، تمرکز بر طرح‌های بدنه باریک هیدروژنی توصیه می‌شود تا بالاترین پوشش بالقوه انتشار گازهای گلخانه‌ای را فراهم کنند.

هواپیماهای بدنه باریک می توانند یک سوم کل بازار هوانوردی مسافربری را به خود اختصاص دهند. در مقابل یک توربوپراپ با موتور هیدروژنی می تواند جایگزین بیشتر بازار توربوپراپ موجود شود، با این حال کمتر از 1٪ از کل بازار هوانوردی مسافری را پوشش می دهد[13].

نتیجه گیری
هدف از چاپ این مقاله آشنایی علاقمندان حوزه ی هواپیمایی به خصوص هواپیماهای هیدروژنی بود که تاریخچه ای از هواپیماهای هیدروژنی ارائه شد و مقاله ی دکتر جایانت و دکتر دن را به منظور ارائه ی آخرین تحقیق انجام شده در این حوزه مورد بررسی و تحلیل قرار دادیم.
امید به روزی که آسمانها با بخار پاک حاصل از هواپیماهای هیدروژنی پر شود و قدمی برداریم برای آینده ای بدون کربن

کلید واژه:
کلید واژه ها:
Keywords:
مشخصات:
نویسنده:شهاب نوشمند
آدرس ایمیل:shahabnooshmand@gmail.com
آدرس لینکدین: https://linkedin.com/in/shahabnooshmand
عضو باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان
پی نوشت
1 Jayant Mukhopadhaya 2 Dan Rutherford

منابع