Коммерческая авиация обещает стать самым трудным направлением для декарбонизации. Ни сегодня, ни в обозримой перспективе нет источника энергии для самолётов, столь ёмкого, как ископаемое топливо. Альтернативой загрузке самолётов тоннами аккумуляторов или баками с опасным водородом могут быть беспроводные источники питания. Могут, но вряд ли ими станут — самолётам нужно очень много энергии, а её передача с земли на борт — это крайне нетривиальная задача.

Источник изображения: McKibillo/spectrum.ieee.org

В сетевом журнале IEEE Spectrum Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) — некоммерческой инженерной ассоциации из США — вышла, можно сказать, программная статья, посвящённая беспроводному микроволновому питанию коммерческих авиалайнеров. Автор заметки сразу признаёт, что «ничто из разработанного на сегодняшний день не может накапливать энергию так дёшево и плотно, как ископаемое топливо, или полностью удовлетворять потребности коммерческих авиаперевозок в том виде, в каком мы их знаем». Физика не запрещает использовать в авиации для передачи питания излучение. Препятствия могут быть технологическими или юридическими. Но другие альтернативы по снижению углеродного следа от самолётов кажутся ещё более провальными.

Передавать микроволновую энергию с земли на самолёт можно с помощью фазированной антенной решётки. Такая антенна способна электронным образом управлять направлением луча и фокусировать его с высокой точностью без необходимости в механических поворотных системах. Поскольку самолёт должен будет уверенно находиться в зоне видимости такой антенны, а Земля имеет форму шара, то располагать передающие антенны (решётки) необходимо примерно на удалении 200 км одна от другой. На море-океане, кстати, тоже, если мы захотим отправить самолёты с микроволновым питанием на другой континент. В случае полётов над горами антенны придётся располагать ещё гуще с учётом возможных помех. При этом каждая антенна будет вести самолёт на дальности до 100 км, после чего его подхватит другая по курсу.

Создание массива передающих антенн станет стройкой века. Средний авиалайнер с площадью фюзеляжа и крыльев около 1000 м² будет способен нести на нижней части крыльев и корпуса приёмную антенну шириной около 30 м. С учётом наиболее оптимального для распространения в атмосфере излучения с длиной волны 5 см (оно ещё не такое короткое, чтобы поглощаться облаками и не слишком длинноволновое, чтобы требовать слишком большого приёмного элемента, равного половине длины волны), размеры передающей фазированной антенной решётки должны достигать 170 м. И так через каждые 200 км. Такое по плечу только государственным программам, но никак не частным. Много найдётся государств, готовых совершить такой подвиг? Китай не предлагать.

По уровню необходимого питания стоит сказать следующее. Во время взлёта самолёт Boeing 737 потребляет примерно 30 МВт энергии. Если мы сможем обеспечить энергию такой мощности, то она попадёт на выпрямляющую антенну (ректенну), которая должна быть изготовлена с учётом аэродинамики и встроена в нижнюю часть самолёта. Более того, максимальная передача будет происходить лишь тогда, когда самолёт будет пролетать над передающей станцией, а в остальных случаях энергия будет «бить» в переднюю и заднюю проекцию самолёта, преимущественно в кромки антенны, до предела повышая плотность передачи мощности на этих частях антенны.

Если брать в качестве примера Boeing 737 и его потребности, то на каждый квадратный сантиметр ректенны будет падать около 25 Вт. С учётом разнесения твердотельных приёмных элементов ректенны на 2,5 см (на половину длины волны), на каждый элемент будет падать около 150 Вт, что опасно близко к предельной плотности мощности любого твердотельного устройства преобразования энергии. Иными словами, пока нет твердотельных материалов, которые гарантированно и с запасом смогли бы обеспечить безопасный приём микроволновой энергии. Наконец, КПД подобных методов передачи энергии едва приблизился к 30 %, что заставляет усомниться в выгодах перехода на такую альтернативу ископаемому топливу.

Дальше, согласно прикидкам, электрическое поле вокруг самолёта будет обладать напряжённостью около 7000 В/м — всего в три раза слабее, чем в микроволновой печи. Корпус самолёта надёжно защитит пассажиров, а особенно любопытных — защитят металлические сетки на иллюминаторах, как на дверцах микроволновой печи. У птиц такой защиты не будет, но поскольку фокусирующий луч будет быстро перемещаться за самолётом, птицы просто не успеют приготовиться в воздухе. На это, как признаются разработчики передающих микроволновых систем, необходимо не меньше 10 мин. Экология особо не пострадает, но юристам компаний придётся это доказать пассажирам и законодателям.

Сомнения в целесообразности использования микроволнового излучения для передачи энергии на расстояния без проводов не мешают исследованиям в этой области. То же NASA и частные компании, а также академические учреждения проводят эксперименты с передачей микроволновой энергии из космоса. Этому способствует прогресс в области полупроводниковых технологий и твердотельных приёмных и передающих элементов. Если раньше это были громоздкие аналоговые приборы типа клистронов, то сегодня им на смену идут компактные полупроводниковые передающие платформы.

Так, в 2022 году стартап из Окленда Emrod продемонстрировал, насколько многообещающим может быть подход с использованием полупроводников. Компания провела в Германии демонстрацию для Airbus, излучив 550 Вт на расстояние 36 метров. По лучу было передано 95 % излучённой энергии, что намного лучше, чем с использованием клистронов или магнетронов. Определённо, в этом есть задел на будущее, если оно в этой сфере есть или будет.

Также остаётся подвешенным вопрос с помехами радиосигналам. Даже если микроволновый передатчик энергии сможет успешно преобразовывать 99 % волн в узкий луч, утечка 1 % всё равно будет в сто миллионов раз мощнее, чем разрешенная мощность радиосвязи в 5-см диапазоне (диапазон используется для космоса и радиолюбителей). Наверняка это не все проблемы с микроволновой передачей энергии, но даже этих достаточно, чтобы усомниться в реализуемости проектов.

К сожалению, другие альтернативы также имеют свои неустранимые недостатки. Самое перспективное из альтернативных видов обеспечения самолётов топливом — синтетическое или топливо растительного происхождения — обходится либо слишком дорого, либо оказывается вреднее в производстве, чем ископаемое. Поменять шило на мыло с увеличением ценника — это даже не бессмысленно. Это глупо. На этом фоне микроволновая передача энергии на самолёт уже не кажется безумным мероприятием. В конце концов, на заре авиации самолёты тоже считались уделом безумцев, а ведь взлетело! Во всех смыслах.

Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали экономически выгодный техпроцесс производства авиационного керосина из отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства. По себестоимости один литр такого древесного биотоплива почти в два раза дешевле ископаемого, а по воздействию на экологию — почти в два раза чище. Это прорыв, говорят учёные, но к его реализации ещё нужно прийти.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В настоящее время в мире используется биотопливо второго поколения, которое производится в основном из грубых отходов сельского хозяйства — из жмыха. Первое поколение, от которого уже многие отказались, производилось из чистых продуктов: кукурузы, сои, сахарного тростника и так далее. Лишать выращенных на сельхозземлях продуктов людей и животных — сомнительное решение. С грубыми отходами главной проблемой была глубокая и эффективная переработка сахаров и лигнина в составе древесины. И чем твёрже породы деревьев, тем больше в них лигнина и тем сложнее его переработка в углеродсодержащее топливо.

Команда учёных из США занималась проблемой эффективной переработки лигнина около 10 лет. В конечном итоге они добились впечатляющего успеха. Предложенный ими техпроцесс помог на 18 % увеличить выход биотоплива из кукурузного жмыха и древесины. В частности, с каждой тонны грубых отходов кукурузы в обычном случае получали 167 л топлива. Благодаря новому техпроцессу выход увеличился до 196 л. При использовании древесины тополя выход составил 287 л топлива, что почти в два раза больше, чем при переработке кукурузного жмыха старым способом.

Если вывести за скобки логистику и неготовность к массовому производству по новой технологии CELF (co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation), то себестоимость нового биотоплива составит $3,15 за галлон (почти 3,8 литра). Для сравнения, средняя цена на авиационный керосин в США сегодня составляет примерно $6,45 за галлон, а средняя цена на авиационный керосин обычного биологического происхождения достигает $9,28. Разница впечатляет!

Тем не менее, не всё так просто. В существующих реалиях себестоимость производства перспективного биотоплива из опилок будет существенно выше. Но также сложно спорить с тем, что у него есть явные перспективы, что может ускорить внедрение новых технологий, ведь сегодня отходы древесины просто сжигают, и хорошо, если делают это для обогрева помещений и получения электрической энергии.

Экспериментальная перегонная установка на 20 галлонов (75 л). Источник изображения: UC Riverside

В чём же секрет такой эффективной переработки? Учёные подобрали состав для предварительной обработки древесины и жмыха. Они добавляют к отходам воду с раствором тетрагидрофурана (THF) и разбавленную кислоту. Предварительное замачивание опилок и жмыха в этом растворе помогает эффективнее извлекать из сахаров и лигнина углеродную составляющую, которая затем преобразуется в авиационный керосин биологического происхождения. Такое топливо сгорает чуть лучше и с меньшими выбросами в воздух серы и твёрдых частиц. Раз уж нам нужен авиационный керосин, пусть он, хотя бы, будет чище. Работа опубликована здесь.

Стремление сделать гражданскую авиацию экологически чистой практически не оставляет альтернатив для выбора топлива. На батарейках далеко не улетишь, поэтому в качестве топлива всё чаще и чаще рассматривается водород. Самолёты могут летать как на топливных ячейках, так и непосредственно на сжигании водорода. В любом случае будет стоять задача взять на борт как можно больше горючего и с этого места появляются варианты.

Источник изображения: ZeroAvia

Водород может сжижаться с использованием криогенного охлаждения (-253 °C), а может сжиматься при обычной температуре в газообразном состоянии. Так же есть варианты экзотических способов хранения водорода в пористых материалах и в соединениях, но это требует более сложных и не до конца изученных процессов.

Но есть ещё один вариант, который впервые был предложен 25 лет назад исследователями Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Он предусматривает криогенное охлаждение водорода (сжижение) и последующее сжатие. Сжатие до примерно 240 атм позволяет поднять плотность топлива и, следовательно, запасаемой энергии. Самолёт на такой системе сможет пролететь ощутимо дальше без существенных затрат на усложнение оборудования.

Вопросами использования сжатого криогенно охлажденного водородного топлива занялась молодая компания Verne из Сан-Франциско. Сотрудники компании изучили опыт учёных из Ливерморской национальной лаборатории и провели там в прошлом году ряд натурных экспериментов. Опыты показали, что предложенное Verne решение позволяет хранить в криогенных баках под давлением на 27 % больше сжиженного водорода. В компании считают, что могут довести этот показатель до 40 %, что означает примерно такое же увеличение дальности полёта.

Другими преимуществами криогенно сжиженного водорода под давлением станет простая перекачка топлива при дозаправке (баки танкера под давлением сами заполнят топливные баки), а это колоссальная экономия на инфраструктуре аэропортов, а также более простая конструкция бака по сравнению с ёмкостью для газообразного водорода под давлением 700 бар и, наконец, происходит самоохлаждение топлива в процессе его выработки за счёт естественного расширения газов в баке.

Опытный бак для хранения сжиженного водорода под давлением. Источник изображения: Lawrence Livermore National Labs

Но самой главной новостью стала информация о заключении компанией Verne договора о совместной разработке и испытании самолёта на криогенно сжиженном и сжатом водороде с компанией ZeroAvia. Год назад ZeroAvia организовала первый полёт самого большого гражданского самолёта на водородных топливных ячейках, и она намерена найти лучший способ использования водорода в качестве топлива для авиации. Предложение изобретателей Verne было воспринято с энтузиазмом и, возможно, оно окажется перспективным.

Молодая канадская компания Duxion Motors сообщила об успешных наземных испытаниях перспективного авиационного электродвигателя, который обещает заменить керосиновые реактивные двигатели на самолётах всех типов. Двигатель eJet Motor запатентован и подходит для масштабирования в широких пределах, а также удобен в обслуживании и эксплуатации.

Пример реактивной гражданской авиации

Испытания прототипа прошли в Саммерсайде (остров Принца Эдуарда, Канада) и включали в себя работу как на низких оборотах, так и на высоких. Не обошлось без вездесущей светодиодной подсветки, что придало особый шарм испытаниям двигателя в темноте. О влиянии подсветки на мощность не сообщается.

Представленный канадцами двигатель относится к классу кольцевых (Rim-Driven Propulsor, RDP). Если мы не ошибаемся, первыми данный тип двигателя, правда, для гребных винтов судов, запатентовала компания General Dynamics Electric Boat. Постоянные магниты в таком двигателе расположены по ободу, к которому крепятся концы крыльчатки. Двигатель также имеет крыльчатку на обратной стороне, что делает его работу менее шумной и более эффективной.

Канадцы не сообщили характеристик прототипа, отметив, что испытания прошли успешно. Компания Duxion Motors имеет предварительную договорённость на сумму $500 млн с компанией Dymond Aerospace на поставку 200 двигателей eJet Motor для оснащения 100 беспилотных грузовых самолётов. Ожидается, что двигатели eJet Motor обеспечат тягу 38,84 кН, равную тяге керосиновых реактивных двигателей для 50-местных региональных самолётов CRJ100.

Двигатели eJet Motor могут также работать в гибридных силовых схемах и обладают целым спектром характеристик, выгодно отличающих их от двигателей на ископаемом топливе. Сегодня мировой авиационный парк насчитывает свыше 30 000 реактивных самолетов, на которые приходится 2,5 % глобальных выбросов CO₂. В компании намерены с этим покончить, когда двигатели eJet Motor перейдут к массовому производству.

Компания Duxion Motors не одинока в своём стремлении дать новое чистое сердце гражданской авиации и не только. Похожие электрические двигатели создают компании Wright, RogersEV, H3x и другие менее известные. Все они демонстрируют тот или иной успех, что со временем приведёт к результату.

Эксперименты по использованию водорода в качестве топлива в авиации ведутся не только в контексте его непосредственного сжигания, но и в виде источника электроэнергии для топливных ячеек. Японские власти готовы выделить до $200 млн государственных субсидий на создание экологически чистой авиации, и водородный авиатранспорт данной инициативой тоже покрывается в полной мере.

Источник изображения: Boeing

Министерство экономики, торговли и промышленности Японии, по данным Nikkei Asian Review, готовит выделение $205 млн на поддержку инициатив по разработке более экологичных силовых установок для авиационной отрасли. Из этой суммы примерно $116 млн будут направлены на субсидирование разработки водородных топливных ячеек авиационного класса. Они требуют более высокой отдачи, чем применяемые в наземном транспорте. В специальных реакторах водород используется для генерирования электричества, в качестве выхлопа при этом образуется водяной пар. Генерируемая электроэнергия уже используется для вращения тяговых электродвигателей, в этом отношении авиационные системы не должны принципиально отличаться от наземных.

В отличие от аккумуляторных электрических силовых установок, водородные топливные ячейки обладают меньшей массой, что для авиации имеет принципиально важное значение. Оставшиеся $90 млн субсидий будут направлены на разработку систем управления авиационных двигателей, которые позволяют снизить расход топлива. Airbus собирается вывести на рынок серийный авиалайнер на водороде к 2035 году. Японская промышленность должна заниматься профильными разработками уже сейчас, чтобы в следующем десятилетии не оказаться в числе отстающих. К 2030 году власти Японии рассчитывают увидеть прототипы соответствующих решений в исполнении получателей субсидий, которые пока не определены, но будут найдены до конца текущего года. В США и Европе прототипы летательных аппаратов с водородными топливными ячейками уже испытываются.

Сейчас японские поставщики снабжают до 15 % компонентов для авиалайнеров серии Boeing 787 и до 35 % для планерной части. В эпоху перехода на водородное топливо японские компании тоже не хотят оставаться в стороне от формирования международных стандартов в этой сфере. Члены Международной организации гражданской авиации поставили перед собой цель добиться осуществления международных перелётов с углеродной нейтральностью к 2050 году. В 2021 году авиационные перелёты обеспечили до 2 % всех выбросов углекислого газа на планете, по расчётам специалистов.

Американский стартап Boom Supersonic приступил к рулёжным испытаниям прототипа сверхзвукового самолёта XB-1. Это приближает первый испытательный полёт двухместного самолёта, способного летать на скорости до 1,7 Маха. Ожидается, что первый пилотируемый полёт XB-1 состоится до конца текущего года. Федеральное агентство гражданской авиации США уже выдало компании соответствующее разрешение.

Источник изображения: Boom Supersonic

Прототип XB-1 в три раза меньше будущего сверхзвукового пассажирского лайнера «Увертюра» (Overture), который компания надеется создать для возрождения коммерческой сверхзвуковой авиации. Летом прошлого года компания American Airlines заключила с Boom Supersonic предварительный контракт на изготовление 20 таких самолётов. Но пройдёт ещё много лет, прежде чем они поднимутся в небо. В свой первый полёт прототип XB-1 обещал отправиться в далёком 2017 году, но произойдёт это только сейчас спустя шесть лет после первоначальных планов.

Рендер сверхзвукового самолёта «Увертюра»

Если XB-1 поднимется в небо в этом году, то такое событие станет своего рода данью юбилею последнего полёта «Конкорда». Европейские сверхзвуковые лайнер Concorde вывели из эксплуатации в 2003 году. Целый спектр недостатков «Конкордов» оказался весомее достоинств скоростных гражданских перелётов. Дизайн и конструктивные особенности XB-1 и будущей «Увертюры» ликвидируют один из них — громкий переход на сверхзвуковой режим полёта. Переход звукового барьера у «Увертюры» должен быть не громче хлопка закрывающейся двери автомобиля.

Прототип XB-1 прошёл все наземные испытания (кроме рулёжных) и это позволило FAA выдать компании экспериментальный сертификат лётной годности и, тем самым, открыл ему дорогу в небо. Пилотировать прототип будет лётчик-испытатель компании Тристан «Гепетто» Бранденбург (Tristan «Gepetto» Brandenburg). Вторым пилотом будет лётчик-испытатель Билл «Док» Шумейкер (Bill «Doc» Shoemaker).

Наземные испытания и первые полёты пройдут в аэрокосмическом порту Мохаве (штат Калифорния), где испытывают свои решения множество компаний из США. Прототип XB-1 оснащён тремя двигателями General Electric J85, работающими на экологически чистом авиационном топливе. Для самолёта «Увертюра» разрабатываются свои двигатели, над которыми компании приходится работать самостоятельно. Ведущие разработчики с мировым именем посчитали этот проект неперспективным и отказались работать с Boom Supersonic.

Возможно, первый полёт аппарата изменит отношение гигантов к проекту. Осталось его дождаться и это событие явно не за горами.