Взлетит ли экологичный самолет?
В III тысячелетии человечество задумалось о том, что стоило бы все-таки поменьше загрязнять собственную планету. Одна из мощнейших составляющих борьбы за окружающую среду — это борьба со сжиганием ископаемого топлива и, шире, борьба с углеродным выбросом (как известно, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к потеплению, которое, в свою очередь… ну вы поняли). В авиации эта проблема тоже стоит остро: например, классический Boeing-737 «съедает» приблизительно 25 г авиационного керосина на человека на каждый километр пути, ну или 3000 л в час. Именно поэтому сейчас практически все крупные (и не только) авиационные фирмы думают о том, как сделать полеты более экологичными.
Первый вариант, который уже активно используется, — это биотопливо. Причем не просто биотопливо, а так называемое биотопливо второго поколения, оно же устойчивое авиатопливо. Это словосочетание — не очень корректный перевод аббревиатуры SAF (sustainable aviation fuel). Здесь устойчивость — это устойчивость биосферы, то есть топливо, не нарушающее устойчивость окружающей среды. Что это значит? Дело в том, что биотопливо первого поколения получалось из того же сырья, что и продовольствие, или из древесины, то есть требовало уменьшения площадей сельскохозяйственных угодий и лесов, что увеличивало количество голодающих и климатических проблем. Поэтому SAF делают из растений, которые растут там, где не будет расти пшеница, и которые не употребляют в пищу — например, из содержащего до 40% масла и растущего на засушливых землях барбадосского ореха (ятрофа куркас) или вообще из сорняка рыжика.
Многие авиакомпании и производители самолетов сейчас намерены увеличивать долю биотоплива в топливе своих самолетов. В ноябре 2020 года грузовой рейс авиакомпании Lufthansa LH8406, выполняемый самолетом Boeing-777, пролетел из Франкфурта в Шанхай целиком на SAF. Многие СМИ написали, что это был «первый рейс с нулевым выбросом углерода», но это не так. Горящее биотопливо, каким бы оно ни было по своему химическому составу, все равно выбрасывает в атмосферу углекислый газ. Есть ли возможность уменьшить эти выбросы до нуля?
Для этого существует второй, более заманчивый вариант — это самолеты на водородном топливе. Точнее, на водороде, поскольку не всегда в этом случае водород будет сгорать.
Если обратиться к истории, то чаще всего можно прочитать, что первый в истории самолет на водороде был построен в СССР. Им был экспериментальный Ту-155 на базе советской классики — лайнера Ту-154. На самом деле это не так. Задолго до совершившего свой первый полет 15 апреля 1988 года лайнера (в котором, к слову, только один двигатель из трех сжигал сжиженный водород), в воздух поднялся американский RB-57F на основе американского бомбардировщика B-57 Сanberra.
Увы, тогда массово это не пошло: жидкий водород, конечно, прекрасное топливо по соотношению масса — энергия, но необходимость поддержания его в жидком состоянии при температуре –252 °С «сжигает» весь выигрыш.
Поэтому в наше время попытки сделать самолет с нулевым углеродным выбросом сначала пошли по пути электрического самолета. Если электромобили и гаджеты «взлетели» после изобретения литий-ионных аккумуляторов (недаром Джон Гуденаф, Стэнли Уиттенгем и Акиро Ёсино получили в 2019 году Нобелевскую премию по химии), то почему бы не «взлететь» электрическому самолету — в прямом смысле тоже?
Однако здесь было несколько трудностей. Во-первых, удельная энергоемкость литий-ионных аккумуляторов слишком маленькая для того, чтобы поднять в воздух большой винтовой самолет, и слишком маленькая для того, чтобы небольшой самолет летал долго. Вы знаете, что у электрических дронов продолжительность полета — самое больное место.
Во-вторых, время зарядки у аккумуляторных батарей составляет часы, если мы хотим, чтобы они прослужили долго. Поэтому придется делать съемные комплекты батарей, что в любом случае усложнит эксплуатацию.
В-третьих, литий-ионные батареи пожароопасны. Так, совсем недавно именно возгорание литий-ионной батареи (к счастью, на земле) уничтожило летный прототип израильского перспективного электрического пассажирского самолета Alice.
И здесь нам на помощь приходят водородные топливные элементы (ВТЭ), в которых водород не горит, а электрохимически окисляется, давая электричество. На выходе — та же самая вода (только без потенциальных выбросов оксида азота, которые могут образовываться при горении водорода в реактивном двигателе) и электричество, которое подается на вращающий винт электромотором.
К слову, не нужно думать, что водородный топливный элемент — это недавнее изобретение. Его придумали еще до создания аккумуляторов — английский химик Уильям Гроув описал ВТЭ в 1838 году
Только тогда он был никому не нужен. «Воскрешение» ВТЭ произошло в 1960-х, когда США начали разработку своей лунной программы. Именно топливные элементы снабжали электричеством корабли, покорившие спутник Земли, именно они обеспечивали энергией космические челноки.
В конце 2010-х началась гонка самолетов на ВТЭ. В нашей стране в 2019 году тоже был построен такой самолет — четвертый в мире. Тогда он был представлен на авиасалоне МАКС-2019, однако летные испытания, запланированные на 2020 год, «отодвинула» пандемия коронавируса.
Судя по всему, именно ВТЭ будут поднимать в будущем экологичные самолеты малого и среднего размера. В сентябре 2020 года взлетел уже шестиместный водородный самолет HyFlyer, а компания Universal Hydrogen из США приступила к созданию комплектов для замены у самолетов de Havilland Canada Dash 8–300 (ныне выпускаемых концерном Bombardier) обычных турбовинтовых двигателей на электрические. Такие самолеты есть в эксплуатации и в России, а это значит, что уже через четыре-пять лет и мы сможем полетать на региональном водородном самолете. Появились и более экзотические проекты — например, летающей стратосферной топливной вышки на водороде.
Ну а что же «большие» самолеты? Несмотря на скепсис специалистов по поводу реактивных двигателей, использующих в качестве топлива водород (в первую очередь этот скепсис связан с очень сложной, дорогой и тяжелой системой перевозки жидкого водорода), компания Airbus заявила, что в 2035 году они все-таки сделают целую линейку больших водородных самолетов — как классической схемы, так и построенных по схеме «летающее крыло», которое служит баком для жидкого водорода. Что ж, поживем — увидим, что это было: реальная заявка на прорыв или желание встроиться в модную в 2020 году тематику, а там — или шах, или ишак…
Airbus представил концепт первого в мире лайнера на водородном топливе
Boeing обещает перевести свои самолеты на биотопливо к 2030 году
Машины с обычными двигателями смогут использовать биотопливо
