ستقلل الطائرات الكهربائية الهجينة من الانبعاثات والضوضاء

ستظهر المحركات الكهربائية في الهواء كما ظهرت على الأرض - أولاً ستستخدم البطاريات لمساعدة المحرك على حرق الوقود

في 31 مايو 2018 ، تحطمت طائرة كهربائية Magnus eFusion بمحرك سيمنز في المجر . طيارها ، يانوش بي ، المذكور في المقالة ، وتوفي الراكب. تعمل سيمنز مع السلطات المحلية للتحقيق في أسباب الحادث.

أجلس في قمرة القيادة في واحدة من أروع الطائرات في العالم. هذه طائرة eFusion خفيفة الوزن ذات مقعدين ، وتصنعها شركة Magnus Aircraft ، ومجهزة بمحرك من شركة Siemens - وهي شركة ضخمة تشتهر بإسهامها في الطيران. أرفع قدمي عن دواسات التحكم قبل أن يقوم الطيار بتشغيل سيارته.

تبدأ المروحة في الدوران على الفور وتصبح غير مرئية تقريبًا. ولكن في نفس الوقت هناك صمت يمكننا التواصل بسهولة بدون سماعات. هذه هي العلامة الأولى على أن الطائرة تعمل بالكهرباء.

نبدأ في التدحرج على طول مدرج صغير في الحقل العشبي في بودابست. 10 صباحا ، سماء مشمسة ، مزارع مرئية في المسافة. فجأة نقفز إلى السماء ونبدأ في الصعود بشدة ، تتقلص منازل المزرعة بحنان. الأبقار أدناه لا تنظر حتى. هذا التسارع السريع ، وهو ما يعادل طريقة تشغيل Tesla Model S Ludicrous ، هو علامة أخرى على محرك كهربائي. تحصل على جميع قدرات المحرك ، وعلى الفور.

ثم نغوص ، وننحرف إلى الجانب ونرتفع مرة أخرى ، تاركاً معدتي في مكان ما. ليس سيئًا بالنسبة لطائرة بسيطة قادرة على عدد قليل من الأكروبات الهوائية ، كما وصفها لي جيرلي جيورجي بالاز ، رئيس مكتب بودابست سيمنس للأبحاث ، كما لو اعتذرت قبل صعود الطائرة. لحسن الحظ ، كان طيار النموذج ، القادر على جميع الأكروبات ، بعيدًا عن العمل.

بعد 15 دقيقة تنشيط ، كانت البطاريات نصف ممتلئة ، إلى أقل من 10 كيلو واط ساعة ، وقد حان وقت الهبوط. هذه هي العلامة الأخيرة لمحرك كهربائي. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون ، التي يتم إخفاء أرففها في غلاف أمام الكابينة ، فإنها تخزن اليوم طاقة أكثر بكثير مما كانت عليه قبل بضع سنوات فقط ، إلا أنها لا تقترب من خزان الغاز. لذا ، في السنوات القادمة ، ستكون قدرات جميع الطائرات الكهربائية محدودة بالقفزات القصيرة ، بشكل رئيسي بين المستوطنات المجاورة ، وليس بين المدن.

الطيران مسؤول عن 2-3٪ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية . لكن كفاءتها لكل وحدة حجم تعتبر عالية جدًا ، نظرًا لأن الكثير من الغازات المنبعثة في الستراتوسفير. من المتوقع أن تنمو حصة الطيران في الانبعاثات بسرعة على مدى العقدين المقبلين ، مع زيادة في عدد الرحلات الجوية وانخفاض في الانبعاثات من مصادر أخرى - على وجه الخصوص ، من توليد الكهرباء والسيارات.

في عام 2016 ، وقعت 23 دولة على اتفاقية للحد من انبعاثات الكربون من الطائرات ، والتي يجب أن تبدأ في عام 2020 ، وفقًا للمعايير التي وضعتها منظمة الطيران المدني الدولي ، منظمة الطيران المدني الدولي (إيكاو) ، وهي وكالة تابعة للأمم المتحدة. لذلك ، يعمل الباحثون حول العالم على طرق لتلبية هذه القيود.

ولكن كيف يمكن للطائرات الكهربائية ، التي تقتصر على مسافة صغيرة سخيفة ، أن تساعد؟ وهي تعتبر خطوة حاسمة في التطور التكنولوجي في الطيران ، والتي ستكرر هجرة صناعة السيارات ، بدءًا من الآن ، من محركات الاحتراق الداخلي إلى المحركات الكهربائية. في غضون 15 عامًا ، قد تبدأ طائرات الركاب الهجينة التي تجمع بين الكهرباء والوقود في العمل على الرحلات القصيرة والمتوسطة المدى. سوف تحرق الهجينة الوقود ، لكنها تفعل ذلك باعتدال.


مفهوم السماء الزرقاء. قادرة على الأكروبات ، نسخة Extra 330LE ، وهي طائرة خفيفة تم تعديلها من قبل شركة Siemens لتعمل بالكهرباء. في الاختبارات المبكرة لنهاية عام 2016 ، سجل رقمًا قياسيًا لارتفاع الرحلات الكهربائية ، حيث تسلق 3000 متر في 4 دقائق و 22 ثانية.

يقول جورج باي ، مدير Bye Aerospace ، الذي يزود طائرات التدريب الكهربائية مع شركة Siemens: "يمكننا إحداث فرق كبير في حجم طائرات التدريب الصغيرة التي تعمل بالكهرباء ، لأن الفيزياء لا تعمل ضدنا هناك". "ولكن من أجل زيادة السرعات والكتل المطلوبة للبطانات ، من الضروري التبديل إلى التثبيت الهجين. الصناعة تعمل بنشاط على هذا. "

حتى الآن ، هناك حاجة إلى السيارات الهجينة لأنه ، على الرغم من أن وقود الطائرات يعطي 12،500 واط * ساعة من الطاقة للكيلوغرام الواحد ، فإن بطاريات ليثيوم أيون تعطي 160 واط * ساعة / كجم فقط ، بالنظر إلى وزن البطاريات وجميع المعدات الأخرى التي تضمن سلامتها.

يتطلب رفع الهجينة في الهواء العديد من الاختراقات التكنولوجية. وبطبيعة الحال ، ستظهر نتيجة لبرامج البحث والتطوير. لكنهم سيأتون أيضًا بفضل محاولات ، مثل تلك التي قامت بها شركة سيمنز ، لتشغيل طائرات التدريب الكهربائية ، والأهم من ذلك ، والأهم من ذلك ، محاولات إنشاء صناعة تاكسي جوي حضري في شيء مثل الطائرات بدون طيار المتضخمة. تعمل شركة سيمنز نفسها مع طائرات الهليكوبتر ايرباص في مشروع كهربائي واحد ، CityAirbus. في موازاة ذلك ، تعمل إيرباص على مشروع فاهانا الذي يقوم بتطوير فرع سيليكون فالي. هناك العديد من الشركات المبتدئة الأخرى ، بما في ذلك Ehang الصينية ، أول المظاهرات لرحلات الركاب التي جرت هذا العام ، عندما أخذ مهندس طائرة الأوكتوكتر إلى السماء.


في مجال الطيران ، تعتمد معظم السيارات الهجينة على بنية متسقة يقوم فيها محرك يعمل على حرق الوقود - إما محرك احتراق داخلي أو توربين - بتغذية مولد يعمل على المحركات الكهربائية والمراوح الدوارة وشحن البطاريات. في هذا التصميم ، توفر البطاريات دفقات قصيرة المدى من الطاقة اللازمة للإقلاع ، مما يسمح للفنيين بضبط محركات حرق الوقود بدقة حتى تعمل بسرعات مثالية. تعمل المحركات النفاثة الضخمة المتدلية من أجنحة الطائرة بكامل طاقتها فقط أثناء الإقلاع ؛ طوال الوقت ، هم تقريبًا في وضع الخمول ويزيدون فقط من وزن الطائرة.

هناك فوائد أخرى. من خلال توزيع الطاقة على السلك ، مع التصميم الهجين ، يمكنك وضع المسامير في المكان الذي تريده بالضبط ، دون تجهيز كل شيء ، بناءً على موقع المحركات الضخمة فقط. تحاول بعض الدوائر الهجينة وضع المراوح خلف الطائرة أو حتى على مثبت رأسي.

تعمل مجموعتان رئيسيتان على الهجينة. في أوروبا ، تعاونت إيرباص مع سيمنز ورولز رويس في تحالف منفصل عن مشروع CityAirbus. في الولايات المتحدة ، تعد كل من Boeing و JetBlue جزءًا من مشروع منافس تديره شركة Zunum Aero الناشئة ، ومقرها كيركلاند ، واشنطن. ويتوقع كل من الكونسورتيوم أن يرفع الهجينة في الهواء بحلول أوائل 2020.

تخطط إيرباص للبدء بنسخة معدلة من الطائرة الحالية ، British Aerospace 146 لـ 100 مقعد ، حيث لن يحتفظ أحد الجندول الأربعة على الأجنحة بمحرك ، ولكن بمحرك كهربائي بقدرة 2 ميجاوات. سوف يتلقى طاقة من مولد يدور بواسطة توربين غاز صغير يقع في جسم الطائرة (بسبب عدم تعرضه لمقاومة الهواء). إذا فشل النظام الكهربائي ، ستكون الطائرة قادرة على الطيران مع ثلاثة مراوح مدفوعة بمحركات تقليدية. تستعد إيرباص لمزج هجين للتظاهر في معرض باريس الجوي الدولي المقبل.

لم يقل الكونسورتيوم الأمريكي شيئًا تقريبًا عن خططه. في أغسطس 2017 ، أصدرت GE Aviation وصفًا للمفهوم والعمل الهائل الذي تدعي أنه يجري تنفيذه لإنشاء مولدات هجينة. في إحدى التجارب الأرضية ، استخدمت GE Aviation محركًا بقدرة 1 ميجاوات لتدوير مروحة بقطر 3.3 م ، وفي أخرى ، استخدم ضاغطًا من محرك GE F110 لتشغيل مولد بقدرة 1 ميجاوات ، بينما استمر المحرك في توفير الجر.


أدخل البطاريات هنا: قاد Magnus eFusion الطيار Janusz B. ومؤلف المقالة في مناورات حول حقل بالقرب من بودابست.

على الرغم من وجود القليل من المعلومات حول عمل كلا الاتحادين ، إلا أنه من الواضح من المقابلات أنهم يركزون على التحسينات في أربع فئات تكنولوجية: سعة البطارية ، ووزن المحرك والمولد ، وكفاءة إلكترونيات الطاقة ، والمواد وتصميم الإطار. تعمل شركة Siemens في الاتحاد الأوروبي في المحركات والمولدات والإلكترونيات. بالإضافة إلى ذلك ، قامت الشركة بتعديل العديد من الطائرات الصغيرة ، وإنشاء نماذج كهربائية بالكامل ، معتقدة أنه من الممكن تحسين جميع الأجزاء حقًا فقط باستخدامها جميعًا معًا على متن الطائرة.

يقول فرانك أنتون ، رئيس شركة Siemens eAircraft: "نحن نكتسب الخبرة باستخدام نظام الدفع الكهربائي بالكامل ، كل شيء بين الطيار والمروحة". "إن الطريقة الوحيدة لمعرفة ذلك هي إرسال التكنولوجيا أثناء الطيران."

يمكن أن تكون المحركات الكهربائية صغيرة وخفيفة نسبيًا ، مما يفتح العديد من الاحتمالات. يمكنك تثبيت مجموعة من البراغي الصغيرة على الأجنحة ، وتدويرها لتسهيل الإقلاع. تدرس وكالة ناسا حتى مخططًا يحتوي على مجموعة من البراغي الصغيرة الموجودة على طول الجناح بالكامل ، والتي توجه تدفق الهواء فوق السطح بشكل صحيح ، وتزيد من نسبة الرفع إلى السحب . ونتيجة لذلك ، يمكن جعل الأجنحة أقصر وأرفع.

يقول أنتون: "افصل الجيل عن المحرك ، وفجأة أصبح لديك العديد من خيارات توجيه الاتجاه المختلفة."

تعتمد المهمة الرئيسية لتقليل وزن محطة الطاقة الكهربائية على شيئين. أولاً ، من الضروري زيادة كثافة طاقة البطاريات ، التي ستنمو بسلاسة ، على الأقل حتى تفسح بطاريات الليثيوم أيون الحديثة لتقنية جديدة تمامًا ، مثل بطاريات الهواء الحديد . ثانيًا ، يجب أيضًا زيادة كثافة طاقة النظام من المحرك والمولد. هذه تجارة سيمنز.

في أنف الطائرة من شركة سيمنز ، القادرة على أداء الأكروبات ، يجلس محرك الطائرات SP260D ، الذي يبلغ وزنه 50 كجم وقوة 260 كيلوواط ، لديه نسبة مذهلة 5.2 كيلو واط / كجم. طائرة أخرى ، غير قادرة على جميع الأكروبات ، لديها نفس النسبة ، على الرغم من أن حجمها أكبر مرة ونصف. طار أول إضافي أمام الجمهور في عام 2016 في ألمانيا. في عام 2017 ، سجل رقمًا قياسيًا في الرحلات الكهربائية ، وكسر العارضة بسرعة 340 كم / ساعة. يعمل مهندسو شركة سيمنز بنشاط لزيادة كثافة الطاقة للمحرك.

في أحد مراكز الأبحاث في بودابست ، أحضرني Balasz إلى منضدة عمل في أحد المختبرات وأعطاني جزءًا من المحرك نصف مقطوع. هذا جزء من الجزء الثابت - الجزء الثابت الذي يدور حوله الدوار - وفي القسم الخاص به ، يتم رؤية الأقسام المتعامدة من لف النحاس ، والتي تتطابق مع بعضها البعض مثل الطوب. هذا الاستقامة طريقة رئيسية لتحقيق مستويات طاقة عالية. لا تترك فجوة هوائية يمكن أن تتداخل مع إزالة الحرارة من الأسلاك إلى صندوق التبريد السائل. يجب إزالة هذه الحرارة من عزل الأسلاك ، وإلا فإنها ستذوب وستحدث ماس كهربائي .

يقول بالاش: "نحتاج إلى نقل حرارة أكثر تجانساً يمكن أن يوفره سلك مستدير ، ونأمل أيضًا في تحسين العزل الكهربائي - كل هذا مهم لمحرك الطائرة". تطلب شركة Siemens هذا الكابل من شركة Furukawa Electric Co. ، مورد ياباني.

هنا ، يقوم المهندسون بإجراء أبحاث يومية ، ليقطعوا الوزن الزائد للجرام للجرام. هذا النهج الذي يستغرق وقتًا طويلاً يجعل هذه الأحجار الكريمة المصنوعة يدويًا أكثر تكلفة من أي ساعة رولكس. عندما أرفع قطع الغيار لتقدير وزنها ، يرتعد بلاش بشكل ملحوظ. أنا أعيدها بعناية.

ويقول إنه في غضون بضع سنوات ، سيتم تصنيع الآلاف من هذه المحركات سنويًا لاستخدامها في سيارات الأجرة الجوية ، والتي ، كما تتوقع شركة سيمنز وجميع منافسيها في المنطقة ، ستغمر مدننا بأسلوب الجراد. عندها ستنخفض تكلفة إنتاج المحركات ، وربما أقل من تكلفة محركات الاحتراق الداخلي المماثلة اليوم ، والتي تتكون من مئات الأجزاء وتجري عددًا لا يحصى من التفاعلات الميكانيكية المعقدة.

لكن عمل التخلص من الوزن الزائد للجرام بالجرام يفسح المجال في نهاية المطاف للتحسينات الثورية. حدث أحد هذه الأشياء في أوائل الثمانينيات عندما قدمت جنرال موتورز وسوميتومو سبيشال ميتالز بشكل مستقل مغناطيس نيوديميوم للخدمة الشاقة في المحركات. سوف ترتبط الثورة القادمة بالمغناطيسات الكهربائية ، التي سيتألف لفها من أسلاك فائقة التوصيل.

مع مثل هذا اللف ، لن يفقد المولد المحرك الطاقة عمليًا على شكل حرارة طائشة - ولكن هذا الحلم لن يتحقق إلا بعد ظهور الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. تحقق مواد السيراميك الآن الموصلية الفائقة عند درجات حرارة -135 درجة مئوية ، وهي أكثر دفئًا من المعدن الأصلي. لذلك ، بدلاً من تبريد الأسلاك بالهيليوم السائل ، وليس أعلى بكثير من الصفر المطلق ، يمكن للمصممين الاعتماد على النيتروجين السائل.

تعمل شركة سيمنز على هذا المفهوم منذ ما يقرب من عقدين. في البداية ، خططت الشركة لوضع محركات فائقة التوصيل على السفن ، حيث يكون المكان والوزن مهمين بشكل خاص. ومع ذلك ، فإن الإصدار الحالي من محركهم (يستخدم كمولد) هو مثل هذه الخزانة ، فالارتفاع أكبر من ارتفاع الشخص. لذلك ، يعمل مهندسو الشركة في تصغيرها لاستخدامها في الطيران. كثافة الطاقة المستهدفة هي 10 واط لكل جرام. لم تُظهر لي شركة Siemens هذه التطورات - فقط صورة لآلة أكبر مع تبريد ، ومخطط لنسخة طيران مستقبلية.

وتستهدف شركات أخرى هذا أيضًا. تعمل GE Aviation على المحركات المبردة بالتبريد لناسا ، لكنها لم تكشف عن التفاصيل. كل هذه الشركات صامتة. قد لا يرغبون في الكشف عن البطاقات ، أو ليس لديهم ما يظهرونه الآن. على أي حال ، تقدر وكالة ناسا أن طائرات الركاب ذات الأنظمة المبردة بسعة 30 ميجاوات أو أقل لن تظهر حتى منتصف 2030 على الأقل.

من أجل الاستفادة الكاملة من مزايا محرك موصل فائق - ومولد ، في نظام هجين - من الضروري إنشاء محولات فائقة التوصيل. تعمل وكالة ناسا مع GE لإنتاج واحدة قادرة على العمل بسرعة 19 كيلو واط / كجم بكفاءة 99٪.

لا يزال دمج المحرك في الدائرة الهجينة - ربما باستخدام توربين غاز لتدوير المولد - قيد التنفيذ. يقوم مهندسو شركة سيمنز أولاً بمحاكاة كل شيء في جهاز كمبيوتر ، في محاكاة تفاعلية ، حيث أظهروا لي فقط إطارين على الشاشة. كان هذا جزءًا من محاكاة آلة مبردة بشكل تقليدي. يقول بالاش: "إنه هجين تسلسلي ، والمحاكاة تُظهر لنا توزيع الطاقة".

في الوقت الحالي ، تُستخدم وحدات التوربينات الغازية بشكل أساسي كطاقة احتياطية لشبكات الطاقة ، حيث لا يهم وزن المكونات. ومع ذلك
تستهلك العديد من الطائرات العسكرية الحديثة الكهرباء من التوربينات التي تعمل بواسطة ضواغط المحرك النفاث أو تدفق الهواء.

قد يبدو أنه يتم بذل الكثير من الجهد لإنقاذ بضعة كيلوغرامات - ولكن هنا كل شيء صغير مهم. يوفر الكيلوغرام الذي تم توفيره على وزن المحرك رطلًا إضافيًا ثمينًا للبطاريات. عندما بدأت يونايتد إيرلاينز مؤخرًا في طباعة مجلة الركاب الخاصة بها على ورق تزن أقل من المعتاد ، مما يوفر 28 جرامًا للغرفة ، أو حوالي 5 كيلوغرامات لكل رحلة ، سيوفر ذلك للشركات 640،000 لتر من الوقود سنويًا ، أو 290،000 دولار.

هذا هو السبب في أن الطائرات الجديدة ، مثل بوينج 787 ، تستخدم الكثير من البوليمرات المعززة بألياف الكربون. يفعل Magnus eFusion الشيء نفسه - لإخراج طائرة من حظيرة الطائرات ، فإن جهود شخص واحد كافية.

دعنا ننتقل بسرعة إلى المنتج النهائي. ستظهر في غضون عشر سنوات ، وستستخدم شركات الطيران طائرات هجينة هادئة يمكنها الطيران فوق المدينة ليلاً. بفضل البراغي الدوارة ، سيتمكنون من الإقلاع من أشرطة أقصر ، ربما تكون موجودة في العام مباشرة. سيوفر الطاقة بسبب الكفاءة وانخفاض الوزن. هذا يعني أن صيانتها وملكيتها ستكون أرخص - طائرات اليوم لديها وضع معاكس ، حيث أن تكلفة صيانتها أعلى بكثير من سعر الشراء.

صيد واحد: في السنوات العشر المقبلة ، ستكون السيارات الهجينة البسيطة أكثر صداقة للبيئة قليلاً من الطائرات التقليدية. سيأتي التحسن الملموس نتيجة لوفورات الحجم ، عندما تسمح السيارات الهجينة للصناعة بالتحول إلى الطائرات الكهربائية بالكامل ، ربما في وقت مبكر من 2030s. يقول أوتو أولاف ، رئيس المبيعات وتطوير الأعمال في مكتب سيمنز ميونيخ: "سيسمح لنا التهجين بتوفير ما بين 4٪ و 20٪ من الطاقة". "إذا قمنا بتزويد الطائرة بالكهرباء بالكامل ، فسيكون التوفير أكبر."

وبالمثل ، فإن شركات النقل الجوي مهتمة بتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. يقول انطون من شركة سيمنز: "تحاول مبادرة الاتحاد الأوروبي لمسار الرحلة 2050 تقليل الانبعاثات بأكثر من مرتين ، ولكن بحلول ذلك الوقت كان يجب أن تتضاعف حركة الركاب ، لذلك نحتاج إلى تحسين أربعة أضعاف على الأقل".

من غير الواضح كيف يتم الحصول على هذه الأرقام بالضبط. أسهل طريقة لمقارنة الانبعاثات بأميال الركاب. سيكون من الأكثر صدقًا أن نأخذ في الاعتبار المصدر المتوقع للكهرباء التي يمكن توليدها على الأرض وتخزينها في البطاريات لاستخدامها لاحقًا في الهواء. في الحسابات ، من الضروري أيضًا مراعاة مقدار الطاقة المستخدمة لإنتاج البطاريات والمحركات والأجزاء المركبة من الكربون الخفيف للغاية في الطائرة وكل شيء آخر.

تهدف نفس مبادرة الاتحاد الأوروبي إلى خفض ضوضاء الطائرات إلى النصف بحلول عام 2050.اتضح أن هذا هو الدافع الأعظم الآن لصناعة الطائرات. من أجل الوفاء بالقيود المفروضة على الرحلات الليلية ، تنفق شركات النقل الجوي أحيانًا أموالًا على الطائرات القديمة البارزة.

يقول أنطون: "كانت المفاجأة الكبرى عندما بدأت شركة Siemens في التحدث إلى شركات النقل الجوي". - لطالما اعتقدت أن التشغيل الهادئ للمحركات أولوية في المرتبة الثالثة بعد الطاقة والانبعاثات. والآن هذه هي الأولوية الأولى ".

لن تكون هذه أول تقنية يتم تنفيذها بنجاح لأسباب لا تتعلق بالاحترار العالمي. يشتري الناس بريوس هجين لتوفير الغاز. يشترون تسلا لتجاوز بورش. ستقوم شركات النقل الجوي بشراء طائرات هجينة بسبب تشغيلها الهادئ ، وسيثبت انخفاض انبعاثات غازات الدفيئة أنه تأثير جانبي تقريبًا. لكنها ستظل كذلك.