Czy elektryczne samoloty staną się standardem? Jakie są bariery rozwoju?

Przemysł lotniczy ma więc ogromny wpływ na kształtowanie naszej codzienności, nawet jeśli często nie zdajemy sobie z tego sprawy. Taki stan rzeczy posiada jednak pewną wadę, która jest ściśle związana z największym problemem obecnego lotnictwa, jakim jest jego wpływ na środowisko. Przez lata rozwoju statków latających skupiano się przede wszystkim na poprawianiu ich maksymalnych prędkości, zasięgu, bezpieczeństwa, komfortu czy też nośności. Wszystkie te kierunki rozwoju są oczywiście zasadne i nie powinno się podważać ich słuszności, natomiast w pogoni za osiągami często łatwo jest zapomnieć o tym, jaki wpływ coraz to nowsze cuda inżynieryjne wywierają na nasze środowisko. 

Według niemieckiego portalu Statista krótkie loty samolotem pasażerskim generują obecnie największe ilości, bo aż około 246 gramów, dwutlenku węgla w przeliczeniu na kilometr na każdego pasażera, jeśli nie liczyć pasażerów rejsów ogromnych statków wycieczkowych. Warto jednak dodać, że ilości te są w tym przypadku około półtora raza większe niż w przypadku drugich w rankingu samochodów spalinowych, których emisja na pasażera to około 170 gram na kilometr. Co prawda loty długodystansowe posiadają mniejszą średnią emisję na pasażera, ale wciąż utrzymuje się ona na poziomie bardzo bliskim do samochodów, ponieważ wynosi około 150 gramów CO₂ na każdy kilometr.

Należy jednak wspomnieć, że wpływ samolotów na zmiany klimatyczne jest większy niż jakiegokolwiek innego środku transportu, wobec czego tym razem to lotnictwo czerpie inspirację od innych gałęzi komunikacji. Daje nam to nadzieję na szybki rozwój zielonych technologii w transporcie, o ile przemysł lotniczy pchnie je do przodu tak samo, jak wiele innych nowoczesnych rozwiązań. Jakie są więc możliwości? 

Samoloty elektryczne

Dość oczywistym konceptem może się wydawać pójście w ślady samochodów elektrycznych, a więc stworzenie samolotów napędzanych jedynie energią elektryczną. Takie maszyny cechuje oczywiście zerowa emisyjność podczas lotu, ponieważ wykluczone zostają spalinowe silniki odrzutowe, turbośmigłowe czy też inne tego typu. Od tego miejsca zaczynają się jednak pewne problemy związane z tym rozwiązaniem. Pierwszym z nich jest konieczność modernizacji portów lotniczych w taki sposób, aby maszyny były w stanie dokonywać na nich ładowania. Taka operacja wymagałaby zainwestowania ogromnych pieniędzy w wiele portów lotniczych, co nie byłoby jednak aż tak wielką przeszkodą ze względu na dochody, jakimi może się pochwalić przemysł lotniczy. 

Wright Electric i ich rozwiązania

W tym wypadku bardziej problematycznym może się okazać właśnie konieczność wymiany silników wielu maszyn. Renowacja całych flot linii lotniczych mogłaby się okazać jeszcze bardziej kosztowna od rozbudowy pewnych części lotnisk. Co więcej, obecnie na rynku nie produkuje się elektrycznych jednostek napędowych, które byłyby zdolne unieść sporych rozmiarów samolot pasażerski. Mimo to firma Wright Electric prowadzi obecnie badania nad opracowanymi przez siebie silnikami WM2500, czyli jednostkami mogącymi współpracować zarówno z turbinami silników odrzutowych, jak i turbinami silników tłokowych i turbośmigłowych. Założeniami projektu jest otrzymanie jednostek napędowych o podobnych parametrach, co silniki konwencjonalne. Dotychczasowe testy wskazują, że jest to możliwe, a potwierdzeniem tej tezy mają być pierwsze w pełni elektryczne samoloty elektryczne zdolne do zabrania na pokład niespełna 200 pasażerów. 

Konstrukcje powinny być w stanie wejść do służby do 2030 roku, jeśli szacunki firmy okażą trafne. Zbiorniki na paliwo zostaną w nich zastąpione przez akumulatory o ogromnej pojemności, dzięki którym maszyny mogą zyskać zasięg przekraczający 1000 kilometrów. Niestety w tym miejscu można napotkać kolejną barierę związaną z samolotami elektrycznymi, a więc ich maksymalny zasięg. Maszyna proponowana przez firmę Wright Electric będzie miała około pięć razy mniejszy zasięg od najnowszych modeli popularnego Boeinga 737, które mogą pomieścić podobną liczbę pasażerów. To właśnie ta słabość jest największą przeszkodą dla samolotów elektrycznych, a wynika ona z niewystarczających możliwości współczesnych akumulatorów.

Ważnym argumentem w tej kwestii jest jednak to, że 1000 kilometrów jest wystarczające, aby móc obsłużyć wiele popularnych i krótkich połączeń lotniczych, a warto pamiętać, że to właśnie loty krótkie są najbardziej emisyjne w przeliczeniu na pasażera. Istnieje więc realna szansa na to, że elektryfikacja maszyn latających rozwiąże przynajmniej część problemów emisji w ruchu lotniczym mimo tego, że nie cieszy się jeszcze szerszym zainteresowaniem. Co by jednak było, gdyby samoloty ładować podczas lotu?

Samoloty zasilane energią słoneczną

Szansą na wydłużenie zasięgu i czasu lotu maszyn mogłoby być zastosowanie paneli fotowoltaicznych na ich poszyciu, które za dnia mogłyby stale ładować akumulatory napędzające silniki. Dowodem na to, że jest to możliwe, jest znany już od lat samolot Solar Impulse 2, który wykonał lot dookoła świata, będąc jedynie napędzanym energią słońca. Maszyna posiada rzędy paneli fotowoltaicznych na całej górnej części poszycia, co maksymalizuje prędkość ładowania w locie. Co zaskakujące, samolot ten może latać również w nocy, ponieważ ładowanie pozwala na zachowanie odpowiedniej rezerwy energii w akumulatorach. Ta informacja może napawać optymizmem odnośnie rewolucji w świecie lotnictwa, jednak spojrzenie na konstrukcję Solar Impulse 2 może chłodzić nieco entuzjazm. 

Maszyna nie wygląda jak zwykły samolot pasażerki i daleko jej do takowego. Zastosowanie paneli fotowoltaicznych w poszyciu ma swoją cenę, ponieważ ich masa stwarza spore problemy. Panele nie są tak lekkie, jak materiały, z których normalnie wykonuje się poszycia samolotów, a więc aluminium czy też włókno węglowe. Dołożenie masy do poszycia sprawia, że konstruktorzy Solar Impulse 2 musieli nie tylko zastosować skrzydła o bardzo dużej rozpiętości, ale również ograniczali ciężar maszyny w innych miejscach, w których było to tylko możliwe. Przykładowo zdecydowano się na pominięcie w maszynie klimatyzacji czy nawet systemu podtrzymywania ciśnienia. Co więcej, kabina pojazdu może pomieścić tylko jedną osobę. Zbędna, szczególnie w nocy, dodatkowa masa to nie jest jednak jedyny problem, który może wykluczać stosowanie paneli fotowoltaicznych w lotnictwie na większą skalę. 

Ograniczenia samolotów elektrycznych

Do innych przeszkód należą chociażby pioruny, które są zdolne do uszkodzenia paneli przy uderzeniu, a należy pamiętać, że dziennie dochodzi do przynajmniej kilkudziesięciu uderzeń piorunów w samoloty na całym świecie. Normalnie nie stanowi to problemu dzięki temu, że poszycie przewodzi energię pioruna i odprowadza ją do najniżej położonego punktu maszyny, z którego piorun podróżuje dalej ku ziemi. Trafienie pioruna w panel mogłoby natomiast prowadzić do choćby uszkodzeń jego okablowania, co w konsekwencji mogłoby wywołać zagrożenie pożarowe, na które żaden przewoźnik lotniczy nie mógłby sobie pozwolić. 

Dodatkowo należy też zaznaczyć, że ładowanie słoneczne mogłoby się okazać zbyt wolne w przypadku większych silników odrzutowych, które konsumują ogromne ilości energii elektrycznej. Panele są stosowane obecnie jedynie w maszynach o silnikach dysponujących niewielką mocą. Małe szanse w świecie lotów pasażerskich nie oznaczają jednak bezcelowości rozwijania tej technologii, ponieważ bardzo wiele możliwości stwarza koncepcja maszyn bezzałogowych zdolnych do niemalże ciągłego utrzymywania się w powietrzu. Takie drony mogłyby pełnić funkcje stałej obserwacji granic państw czy też lasów w sezonie zwiększonego ryzyka pożarów i wiele więcej. Już w tej chwili francuski Airbus realizuje projekt tego typu drona obserwacyjnego, nazwanego Zephyr. Najnowsza wersja tej maszyny, której prezentacja ma się odbyć już w tym roku, ma mieć możliwość nieprzerwanego lotu przez około miesiąc na wysokości niespełna 20 kilometrów, a więc wyżej od samolotów pasażerskich. Samoloty z napędem słonecznym mogą więc wpisać się doskonale w pewną niszę całego przemysłu lotniczego.

Szansa na pozostawienie zbiorników z paliwem

Samoloty elektryczne mogą jeszcze odegrać znaczącą rolę w przemyśle lotniczym, ale to nie w nich upatruje się obecnie najbardziej prawdopodobnej przyszłości awioniki. Aktualnie największym zainteresowaniem cieszą się zrównoważone paliwa lotnicze SAF. Są to biopaliwa, których stosowanie zmniejsza emisje siarki oraz pyłów do atmosfery, a także zbliża samoloty do neutralności węglowej. Oznacza to, że choć spalanie biopaliw SAF generuje dwutlenek węgla przedostający się do atmosfery, to nie ma on negatywnego wpływu na środowisko. Wszystko dzięki temu, że biopaliwa powstają z roślin, które naturalnie uczestniczą w obiegu węgla w przyrodzie, a więc pochłaniają, magazynują i na końcu oddają dwutlenek węgla. Spalanie biopaliw jest tożsame z tym procesem, wobec czego nie zwiększa ilości tego szkodliwego gazu w naturalnym obiegu. 

Paliwa SAF i ich zalety

Paliwa SAF nie są więc bezemisyjne, ale zdecydowanie można je nazwać rozwiązaniem ekologicznym, które posiada do tego szereg innych zalet. Jedną z najważniejszych z nich jest możliwość używania ich w istniejących już silnikach odrzutowych, co jest ogromną oszczędnością wynikającą z braku konieczności modernizacji czy też wymiany jednostek napędowych. Co więcej, biopaliwa nie zmniejszają w żaden sposób parametrów osiąganych przez silniki, przez co stosowanie ich nie wpływa na prędkość i zasięg maszyn. Z tego powodu paliwa SAF są już obecnie używane na całym świecie i wiele lotów operuje na nich, często nawet bez naszej wiedzy.

Biopaliwa, choć nie są tak wielkim przeskokiem, jakim mogłyby być samoloty elektryczne, to i tak są sporym krokiem w dobrą stronę, który może poprowadzić lotnictwo do neutralności węglowej do 2050 roku. Aby to zrobić, należy najpierw rozbudować infrastrukturę produkcji i przesyłu biopaliw, której obecny stan nie pozwala na zaopatrywanie wszystkich lotnisk w dostawy paliw. Jedynie największe lotniska oferują tankowanie SAF, które są obecnie droższe od paliw konwencjonalnych. 

Wydaje się jednak, że przejście na biopaliwa jest osiągalne w niedalekiej przyszłości, szczególnie pamiętając o tym, że część obecnych lotów być może uda się zastąpić połączeniami obsługiwanymi przez maszyny elektryczne. Być może to właśnie racjonalne połączenie różnych rozwiązań problemów emisji okaże się drogą do odciążenia środowiska od zanieczyszczeń ruchu lotniczego. Pozostaje liczyć na to, że świat maszyn latających raz jeszcze sprosta wyzwaniu i stanie się wzorem do naśladowania w dziedzinie ekologicznych rozwiązań w transporcie. 

Źródła: ekonsument.pl, statista.com, weflyright.com, eco-aviation.org, altair.com.pl, smoglab.pl, gadzetomania.pl, komputerswiat.pl, airbus.com, klm.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Szymon Chlipała