Авиация + Солнечная энергия

Быть может поэтому, разочаровавшись в атомолетах, команда инженеров и ученых строит ныне самолет, способный пролететь вокруг Земли без посадки, используя лишь энергию солнца. Два смельчака намерены вверить свои жизни 60-метровым крыльям и двум электродвигателям, установленным на хвостовом оперении машины.

В марте 1999 года швейцарец Бертран Пиккар и англичанин Брайан Джонс уже совершили первое в мире успешное беспосадочное кругосветное путешествие на воздушном шаре Breitling Orbiter 3.

После успешного приземления кабину-капсулу их воздушного шара установили в Смитсоновском аэрокосмическом музее в Вашингтоне, неподалеку от «Аполлона» и знаменитых самолетов братьев Райт (первый моторный полет), Чарлза Линдберга (первый перелет через Атлантику на самолете) и Чака Егера (первое преодоление звукового барьера).

Тот же вызов возможностям человека, только теперь в сочетании с актуальной и модной заботой об окружающей среде, читается в новом проекте Пиккара — «Солнечный импульс». Самолет должен использовать только солнечную энергию, а ночью лететь на аккумуляторах.

Причем авторы проекта утверждают, что установление нового авиарекорда — не самоцель. Главное — привлечь внимание людей к проблеме широкого применения возобновляемых источников энергии.

Идеологический предшественник «Солнечного импульса» — беспилотный самолет NASA «Гелиос», который разбился летом 2003 года. В том полете на «Гелиосе» испытывали специальные топливные элементы. Они должны были днем накапливать электроэнергию, идущую от солнечных батарей путем разложения воды на водород и кислород. Водород запасали в баллоне, чтобы использовать его ночью или просто в плохую погоду.

Точные причины аварии «Гелиоса» не установлены, тем не менее Пиккар настроен оптимистично и замахнулся сразу на постройку пилотируемого «наследника» безвременно погибшего «Гелиоса».

В 2004 году партнеры намеревались построить первый образец самолета, а в 2006-м — поднять его в воздух. В 2007 году создатели «Импульса» предполагали научить его держаться в воздухе целую ночь в рамках 36-часового полета.

Если все пойдет удачно, мечтали конструкторы, то в том же 2007 году у первого самолета появится близнец, и обе машины начнут готовить к сверхдальним полетам, которые ориентировочно состоятся в 2009 году. Однако 2007 год миновал, а длительные полеты пока так и не состоялись. Сказались технические проблемы посложнее создания компьютеризированного жилета, который по идее позволит Пикару чувствовать самолет буквально всем телом. Силовое напряжение в каком-либо крыле вызовет пропорциональное давление на соответствующую сторону корпуса пилота. И, напротив, машина будет ощущать самочувствие человека и даст ему знать, если тот испытывает утомление, стресс и тому подобное. В общем, полное взаимопонимание человека и самолета — залог успеха миссии.

Пока же конструкторы продолжают эксперименты с беспилотными «солнечными самолетами». Так сверхлегкий летательный аппарат НАСА «Патфайндер плас» будет способен оставаться в воздухе и выполнять научные полеты на протяжении почти месяца.

Оставаться в воздухе ночью ему помогают новые литий-полимерные аккумуляторы. Аккумуляторы заряжаются днем во время полета на высоте около 19,5 км с помощью новых, более эффективных солнечных элементов «Санпауар».

По сравнению с предшественником — аппаратом «Патфайндер» — размах крыльев новой машины увеличен на 6 м и достигает 36 м. Причем и «Патфайндер плас» по плану станет очередным шагом на пути к созданию дистанционно управляемого летательного аппарата на солнечной энергии «Центурион» с размахом крыльев уже в 72 м.

В ходе полетов «Патфайндера» был установлен новый мировой рекорд высоты в 21 405 м для самолетов с винтовой тягой. С помощью «Патфайндер плас» создатели аппарата надеются установить новый рекорд в 30 000 м.

Затем, возможно, создатели аппарата попытаются отправить его в полет вокруг Земли. Поскольку из-за малой скорости (порядка 145 км/ч) самолет не поспеет за движущимся Солнцем, в ночное время питание электромотора будет поддерживаться за счет аккумулятора или топливных элементов, работающих на гидразине и кислороде.

«100 великих рекордов авиации и космонавтики», Станислав Николаевич Зигуненко, 2008г.

Схожую со Sky Station систему разрабатывает группа профессора Б.-Х. Креплина из Аэрокосмического института в Штутгарте (Германия). Одна воздушная платформа позволит Одновременно поддерживать до 100 тысяч телефонных переговоров. Аэростаты используют солнечную энергию и крейсируют на высоте 20 км. Диаметр охвата составит 400 км, что соответствует площади 20 тыс. кв. км. В настоящее время создан прототип аэростата Lotte длиной 16 м, функционирующий на солнечных батареях.

Испытания прототипа показали необходимость иметь легкие солнечные батареи с высоким КПД и эффективные системы аккумулирования энергии. В течение дня фотоэлементы снабжают энергией двигатели, которые удерживают аппарат в заданной точке, а также обеспечивают работу электронной аппаратуры. Однако ночью солнечные батареи бесполезны и приходится запасать энергию впрок. При этом использовать традиционные аккумуляторы не выгодно, поскольку они имеют большую массу. Более перспективным считается использование топливных элементов.

Днем солнечные батареи напрямую питают двигательную установку и аппаратуру, а часть энергии идет на расщепление воды из бортового бака в электролизере на водород и кислород.

Ночью водород и кислород в топливных ячейках снова превращаются в воду. При этом вырабатывается электрическая энергия. На следующие сутки процесс повторяется.

Другой возможностью энергообеспечения беспилотных летательных аппаратов или свободных аэростатов является использование СВЧ-излучения, передаваемого на борт аппарата с земли. Были проведены испытания этой технологии с передачей энергии на расстояние с мощностью 30 кВт. Эффективность передачи — 54 %.

Однако против такой системы протестуют экологи. «Только подумайте, что случится с птицей при попадании в зону излучения!» — говорят они.

«100 великих рекордов авиации и космонавтики», Станислав Николаевич Зигуненко, 2008г.

Построенный в Испании швейцарскими учеными реактор использует солнечный свет, воду и углекислый газ в качестве исходных материалов для производства керосина. Синтезированное топливо полностью совместимо с существующей авиационной инфраструктурой и может использоваться в качестве топлива для реактивных двигателей.

Зачем синтезировать авиационное топливо

Суть разработки в том, что вместо выкачивания углерода из-под земли и последующего выбрасывания его в атмосферу из сопел двигателей, процесс генерации и сжигания топлива можно зациклить, используя экологически чистую энергию солнца.

Дело в том, что количество CO2, выделяемого при сгорании керосина в реактивном двигателе равно тому же количеству углекислого газа, участвующего в процессе солнечной, назовем ее так, генерации горючего. Это делает полученное топливо нейтральным с точки зрения углеродного баланса, особенно если углекислый газ получать непосредственно из воздуха, что возможно в не слишком отдаленном будущем.

Почему это важно для авиации

Силовые установки, пока еще массово применяемые в автотранспорте (т.е. двигатель внутреннего сгорания, работающие на бензине или дизельном топливе) с технической точки зрения нетрудно перевести на электротягу. Но с самолетами дело обстоит сложнее — достаточно тяжелые батареи ограничивают дальность, время полета и грузоподъемность электрических летательных аппаратов.

Между тем на авиационный сектор приходится около 5% глобальных антропогенных выбросов, вызывающих изменение климата. К примеру, за один рейс из одной части Европы в другую (грубо за 2,5 часа полета) образуется 250 кг углекислого газа в пересчете на пассажира — примерно столько же сам человек производит (выдыхает) CO2 за целый год.

Как в настоящее время производится углеродно-нейтральное топливо

Существует множество способов получения углеродно-нейтрального топлива, но не все из них приемлемы по следующим причинам. Биотопливо, выращенное из кукурузы создает свои собственные выбросы от удобрений и сельхозоборудования. К тому же для данного производства выделяется земля, которая в противном случае могла бы производить продукты питания. Вырубка лесов на дрова или использование древесины в качестве биомассы исключены по очевидным причинам.

Все больше появляется заводов по переработке отходов, мусора и старого растительного масла в газ и жидкое топливо. Но используемый в реакции процесс пиролиза требует много энергии — грязной, либо чистой, но в любом случае той, которую можно было бы использовать где-то еще. При этом исходное сырье зачастую не всегда хорошо отсортировано и получаемое топливо требует дополнительной и энергоемкой очистки, прежде чем оно будет готово отправиться спасать планету в баках Dreamliner’а.

Еще один способ — улавливать углерод непосредственно из других источников выбросов и преобразовывать его в топливо. Например, используя зеленое электричество в процессе электролиза, а затем смешивая полученный водород с окисью углерода для создания синтезированного газа, который затем можно перерабатывать в топливо, но на каждом из этих этапов происходят потери энергии.

Это подводит нас к этой новой, гораздо более простой конструкции, разработанной в высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich), которая была построена и испытана в Энергетическом институте IMDEA в Испании.

Пилотный реактор мощностью 50 кВт использует энергию солнечного света, поступающего от 169 рефлекторов, площадью 3 кв.м каждый. Зеркальные панели отслеживают солнце, перенаправляя лучи на приемник, расположенный на вершине 15 метровой башни. Аккумулированный в концентраторе тепловой поток величиной 2500 кВт/кв.м создает температуру в 1450 градусов Цельсия и запускает двухступенчатый термохимический цикл.

Вода и углекислый газ в процессе окислительно-восстановительной реакции в присутствии оксида церия, превращаются в водород и монооксид углерода (СО) или синтетический газ. Далее газ подается на установку преобразования газа в жидкость у основания колонны. Жидкая фаза состоит из 16 % керосина, 40 % дизельного топлива, а также парафиновой фазы с 7 % керосина и 40 % дизельного топлива.

Общий вид установки концентрации солнечной энергии и выработки углеводородного топлива

Схема солнечного реактора для разделения воды и углекислого газа в термохимическом окислительно-восстановительном цикле.

Пористая керамическая структура с подложкой на основе оксида церия

Сколько получается топлива

В общей сложности экспериментальная установка за 9 дней произвела около 5 тысяч литров синтезированного газа, но исследователи не указывают точно, сколько керосина и дизельного топлива получилось после переработки. Однако в настоящее время это не столь принципиально, поскольку синтетическое топливо в любых доступных пропорциях можно смешивать с обычным топливом, каждый литр которого будет снижать суммарное количество выбросов углерода в атмосферу. Сейчас пилотная установка способна преобразовывать в топливо только около 4% солнечной энергии, но команда исследователей говорит, что работает над повышением эффективности до 15-20%.

Источники:

- New Atlas

- Scimex

- Cell

Материал подготовлен дата-центром и веб-студией ITSOFT