تخطط إيرباصة طائرة كهربائية تعمل بالوقود

واحدة من أعظم التحديات الهندسية ذات الصلة بالمناخ في الوقت الحالي هي تصميم وبناء طائرة ركاب كبيرة ، صفر انبعاثات. وفي هذا التعهد الضخم ، لا يتم استثمار أي صانع للطائرات مثل إيرباص.

في قمة إيرباص ، ندوة للصحفيين في 24 و 25 مارس ، قام كبار المديرين التنفيذيين برسم رؤية جريئة ومتقدمة للجنود للأجيال القادمة من الطائرات. أبرز ما ، من منظور تقني ، هو طائرة خلية تعمل بالتوصيل الفائقة.

تستند استراتيجية إيربوس إلى جهود التنمية الموازية. أثناء القيام بمشاريع البحث والتطوير الهائلة اللازمة لإنشاء طائرة كبيرة من خلايا الوقود ، قالت الشركة إنها ستعمل أيضًا بقوة على طائرة مصممة لتصوير الكفاءة الأكثر إمكانية من الدفع القائم على الاحتراق. بالنسبة لهذه الطائرة ، تستهدف الشركة انخفاضًا من 20 إلى 30 في المائة في استهلاك الوقود ، وفقًا لبرونو فيتشفو ، رئيس البرامج المستقبلية في إيرباص. ستكون الطائرة طائرة واحدة من الممرات ، مصممة لتخلف عائلة A320 من Airbus من الطائرات ، وهي طائرة نفاثة للركاب أعلى مبيعًا في السوق ، مع تسليم ما يقرب من 12000. تتوقع الشركة أن تدخل الطائرة الجديدة في بعض الوقت في النصف الأخير من الثلاثينيات.

تأمل Airbus في تحقيق مكاسب كبيرة من الكفاءة من خلال استغلال التطورات الناشئة في المحركات النفاثة والأجنحة والمواد الخفيفة الوزن والمواد المركبة عالية القوة ووقود الطيران المستدام. على سبيل المثال ، كشفت Airbus أنها تعمل الآن على زوج من المحركات الطائرات المتقدمة ، والتي سيكون لها أكثر تطرفًا مروحة مفتوحة تدور شفرتها دون أن تكون غنية محيطة. تقوم Airbus بتقييم مثل هذا المحرك في مشروع مع شريك CFM International ، وهو مشروع مشترك بين GE Aerospace و Safran Aircraft Engines.

بدون أن ترفقها Nacelle ، يمكن أن تكون شفرات مروحة المحرك كبيرة جدًا ، مما يسمح بمستويات أعلى من “الهواء الالتفافي” ، وهو الهواء الذي يمتص في الجزء الخلفي من المحرك – يتفصل عن الهواء المستخدم لتحمل الوقود – وطرده لتوفير الدفع. تعتبر نسبة الهواء الالتفاف إلى Air Crepustion Air مقياسًا مهمًا لأداء المحرك ، مع ارتفاع نسب تشير إلى كفاءة أعلى ، وفقًا لمحمد علي ، كبير موظفي التكنولوجيا والعمليات في GE Aerospace. نسب الالتفافية النموذجية اليوم حوالي 11 أو 12 ، ولكن يمكن أن يمكّن التصميم المفتوح نسب ما يصل إلى 60 ، وفقًا لـ ALI.

وأضاف علي أن الشركاء قاموا بالفعل باختبار محركات مفتوحة في سلسلتين مختلفتين من اختبارات النابض الرياح في أوروبا. “لقد كانت النتائج مشجعة للغاية ، ليس فقط لأنها جيدة حقًا من حيث الأداء والتحقق من صحة الضوضاء ، ولكن أيضًا [because] وقال علي في حدث إيرباص: “إنهم يتحملون التحقق من التحليل الحسابي الذي قمنا به”.

تم اختبار نموذج مقياس لمحرك الطائرات المفتوح في العام الماضي في نفق الرياح في مودان ، فرنسا. أجريت الاختبارات من قبل وكالة أبحاث الفضاء الوطنية في فرنسا ومحركات سافران للطائرات ، التي تعمل على محركات مفتوحة مع GE Aerospace.محركات الطائرات Safran

طائرة خلية الوقود هي حجر الزاوية في أهداف الانبعاثات الصفرية

بالتوازي مع هذه الطائرة المتقدمة التي تعمل بالاحتراق ، قامت شركة إيرباص بتطوير طائرة خلية الوقود لمدة خمس سنوات في إطار برنامج يسمى Zeroe. في القمة ، تراجع الرئيس التنفيذي لشركة Airbus Guillaume Faury عن هدف الطيران مثل هذه الطائرة بحلول عام 2035 ، مشيرًا إلى عدم وجود إطار تنظيمي لتصديق هذه الطائرات وكذلك بطيئة البنية على البنية التحتية اللازمة لإنتاج الهيدروجين “الأخضر” على نطاق تجاري وبأسعار تنافسية. “سيكون لدينا خطر حدوث نوع من” كونكورد للهيدروجين “حيث سيكون لدينا حل ، لكن هذا لن يكون حلاً قابلاً للتطبيق تجاريًا على نطاق واسع” ، أوضح فوري.

ومع ذلك ، فقد تأهل إلى إعادة تأكيد التزام الشركة بالمشروع. “ما زلنا نؤمن بالهيدروجين” ، أعلن. “نحن مقتنعون تمامًا بأن هذه طاقة بالنسبة للمستقبل للطيران ، ولكن هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به. المزيد من العمل من أجل إيرباص ، والمزيد من العمل للآخرين من حولنا لجلب هذه الطاقة إلى شيء على نطاق واسع ، وهو أمر تنافسي ، وسيؤدي ذلك إلى النجاح ، مما يجعل مساهمة كبيرة في إزالة الكربون.” تعهدت العديد من الصناعات الرئيسية في العالم ، بما في ذلك الطيران ، بتحقيق انبعاثات غازات الدفيئة الصافية بحلول عام 2050 ، وهي حقيقة أن Faury وغيرهم من مسؤولي Airbus استدعوا مرارًا وتكرارًا كمحرك رئيسي لمشروع Zeroe.

في وقت لاحق من هذا الحدث ، وصف جلين لويلين ، نائب رئيس شركة إيرباص المسؤول عن برنامج Zeroe ، المشروع بالتفصيل ، مما يشير إلى جهود الطموح التكنولوجي لالتقاط الأنفاس. ستقام الطائرة المتصورة 100 شخص على الأقل ولديها مجموعة من 1000 ميل بحري (1850 كيلومتر). سيتم تشغيله بواسطة أربعة “محركات” لخلايا الوقود (اثنان على كل جناح) ، ولكل منها ناتج الطاقة 2 ميجاوات.

وفقًا لـ Hauke ​​Luderders ، رئيس أنظمة دفع خلايا الوقود في Airbus ، أجرت الشركة بالفعل اختبارات واسعة في ميونيخ على نظام 1.2 ميجاوات تم تصميمه مع شركاء بما في ذلك Liebherr Group و Elringklinger و Magna Steyr و Diehl. وقال Luledders إن الشركة تركز على خلايا وقود الغشاء المنخفض في درجات الحرارة المنخفضة ، على الرغم من أنها لم تستقر بعد على التكنولوجيا.

لكن المذهل الحقيقي كان وصف لويلين لبرنامج شامل في إيرباص لتصميم واختبار مجموعة نقل كهربائية فائقة التوصيل الكاملة لطائرة خلايا الوقود. “نظرًا لأن الهيدروجين المخزّن على الطائرة يتم تخزينه في درجة حرارة باردة للغاية ، ناقص 253 درجة مئوية ، يمكننا استخدام درجة الحرارة هذه والتكنولوجيا المبردة لتبريد الكهرباء في النظام الكامل”. “إنه يحسن بشكل كبير من كفاءة الطاقة والأداء. وحتى إذا كانت هذه تقنية مبكرة ، مع الجهود الصحيحة والشراكات الصحيحة ، يمكن أن يكون هذا مغيرًا في ألعاب طائرة خلايا الوقود الخاصة بنا ، لطائرتنا الكهربائية بالكامل ، مما يتيح لنا تصميم طائرات أكبر وأكثر قوة وأكثر كفاءة.”

ردا على سؤال من IEEE Spectrum، أوضح Llewellyn أن جميع المكونات الرئيسية لنظام الدفع الكهربائي ستكون مبردة بالتبريد: “نظام التوزيع الكهربائي ، والضوابط الإلكترونية ، ومحولات الطاقة ، والمحركات”-على وجه التحديد ، لفائف في المحركات. وأضاف “نحن نعمل مع شركاء على كل مكون واحد”. وأوضح أن نظام تبريد البرد سيبرد المبرد الذي سيتم تداوله للحفاظ على البرودة للمكونات.

ستشمل طائرة خلايا الوقود “محرك” ، كما تصورها إيرباص ، محرك كهربائي 2 ميجاوات ووحدة التحكم في المحرك (MCU) ، ونظام خلية الوقود لتشغيل المحرك ، والأنظمة المرتبطة بتزويد الهواء ، ووقود الهيدروجين ، والبرود السائل ، وغيرها من الضروريات. سيؤدي نظام الهواء RAM إلى التقاط الهواء البارد الذي يتدفق فوق الطائرة لاستخدامه في أنظمة التبريد.إيرباص ساس

هل يمكن أن يكون الطيران هو التطبيق القاتل للموصلات الفائقة؟

لم يحدد Llewellyn الموصلات الفائقة والمبردات التي كان الفريق يعمل معها. لكن الموصلات الفائقة درجة الحرارة العالية هي رهان جيد ، بسبب المتطلبات المنخفضة بشكل كبير على نظام التبريد الذي سيكون مطلوبًا للحفاظ على الموصلية الفائقة.

تم اختراع الموصلات الفائقة السيراميك التي تعتمد على الأكسدة النحاسية في IBM في عام 1986 ، ويمكن لأشكال مختلفة منها الموصلات الفائقة في درجات الحرارة بين 238 درجة مئوية (35 ك) و -140 درجة مئوية (133 كلفن) عند الضغط المحيط. تكون درجات الحرارة هذه أعلى من الموصلات الفائقة التقليدية ، والتي تحتاج إلى درجات حرارة تقل عن حوالي 25 كيلوغرامًا.

لكن خبير الموصلية الفائقة ، الفيزيائي التطبيقي يو هو في جامعة ييل ، شعر بالارتياح من الأخبار من إيرباص. “كان رد فعلي الأول ،” حقًا؟ ” وكان رد فعلي الثاني ، واو ، هذا الخط الكامل من البحث ، أو التطبيق ، ينمو بالفعل وأنا سعيد للغاية “حول خطط إيرباص الطموحة.

تم استخدام الموصلات الفائقة من أكسيد النحاس في بعض التطبيقات ، كلها تقريبًا تجريبية. وشملت هذه المولدات الرياح الريح ، ومظاهرات قطار الرفوف المغناطيسي ، وكابلات الإرسال الكهربائية القصيرة ، وآلات التصوير المغناطيسي ، وخاصة في ملفات الكهرومغناطيسية لمفاعلات دمج توكاماك التجريبية.

يعد تطبيق Tokamak ، في بدء تشغيل Fusion يسمى Commonwealth Fusion Systems ، ذا صلة بشكل خاص لأنه لصنع لفائف ، كان على المهندسين ابتكار عملية لتحويل مواد توصيل فائقة أكسيد النحاس النحاسية عادةً إلى شريط يمكن استخدامه لتشكيل لفائف على شكل دونات قادرة على الحفاظ على تدفق تيار مرتفع للغاية.

يقول: “إن وجود موصل فائق لتوفير مثل هذا التيار الكبير أمر مرغوب فيه لأنه لا يولد الحرارة”. “هذا يعني ، أولاً ، أن لديك طاقة أقل بكثير تضيع مباشرة من الملفات نفسها. وثانياً ، لا تحتاج إلى قدر كبير من طاقة التبريد لإزالة الحرارة.”

ومع ذلك ، فإن العقبات التقنية كبيرة. يقول: “يمكن للمرء أن يجادل بأنه داخل المحرك ، ستظل هناك حاجة إلى إزالة الحرارة الشديدة بسبب الاحتكاك الديناميكي الهوائي”. “ثم يصبح ، كيف تدير الحرارة الكلية داخل المحرك؟”

يعمل مهندس في Air Liquide Advanced Technologies على اختبار لنظام تخزين وتوزيع الهيدروجين في لوح الخبز الهيدروجين السائل في نوفمبر 2024. تم إنشاء “لوح الخبز” العام الماضي في Grenoble ، فرنسا ، عن طريق الخمور في الهواء و Airbus.Céline Sadonnet/Master Films

لهذا التحدي ، سيكون للمهندسين على الأقل بيئة مواتية مع هواء بارد سريع التدفق. سيتمكن المهندسون من الاستفادة من “تدفق الهواء الضخم” على المحركات والمكونات الأخرى للمساعدة في التبريد ، كما يقترح. يمكن للتصميم الذكي “الاستفادة من هذه الطاقة الحركية للهواء المتدفق”.

لاختبار نظام الدفع المتطور لخلية الوقود ، قامت Airbus ببناء مركز اختبار فريد من نوعه في Grenoble يسمى “لوح الهيدروجين السائل” ، الذي تم الكشف عنه في القمة. وقال “لقد عقدنا شراكة مع Air Liquide Advanced Technologies” لبناء المنشأة. “هذا اللوحة عبارة عن منصة اختبار متعددة الاستخدامات مصممة لمحاكاة العناصر الرئيسية للهندسة المعمارية للطائرات المستقبلية: الخزانات والصمامات والأنابيب والمضخات ، مما يتيح لنا التحقق من تكوينات مختلفة على نطاق واسع. وهذا مرفق الاختبار يساعدنا على اكتساب رؤية حرجة في السلامة ، وعمليات الهيدروجين ، وتصميم الخزانات ، والتهوية ، والتنفيس.”

“خلال عام 2025 ، سنستمر في اختبار نظام السائل الكامل للهيدروجين والتوزيع” ، أضاف لويلين. “وبحلول عام 2027 ، يتمثل هدفنا في اتخاذ خطوة رئيسية أخرى للأمام ، واختبار النظام الكامل من طرف إلى طرف ، بما في ذلك محرك خلايا الوقود ونظام تخزين وتوزيع الهيدروجين السائل معًا ، مما سيتيح لنا تقييم النظام الكامل أثناء العمل.”

سافر غلين زوربيت إلى تولوز كضيف في إيرباص.