طائرة تعمل بالهيدروجين
طائرة الهيدروجين hydrogen aircraft، هي طائرة تستخدم وقود الهيدروجين كمصدر للطاقة. يمكن حرق الهيدروجين في المحرك النفاث، أو نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي، أو يمكن استخدمه كمصدر للطاقة في خلية الوقود لتوليد الكهرباء لإدارة المروحة.
على عكس معظم الطائرات التي تستخدم الأجنحة لتخزين الوقود، عادة ما تكون طائرات الهيدروجين مزودة بخزانات وقود الهيدروجين المحمولة داخل جسم الطائرة.
حسب بحث أجرته جامعة ولاية پنسيلڤانيا عام 2006، يمكن بناء طائرات الهيدروجية التجارية الضخمة بحلول 2020 لكن "من غير المرجح أن تدخل الخدمة حتى 2040".[2] في الآونة الأخيرة، ازداد الاهتمام باستخدام الطائرات التي تعمل بخلايا الوقود كمركبات جوية شخصية.
قام مشروع بحثي شارك فيه الاتحاد الأوروپي بالتعاون مع إيرباص و34 شركة أخرى حمل اسم اسم "CRYOPLANE" بتقييم الجدوى الفنية والسلامة والتوافق البيئي والجدوى الاقتصادية لاستخدام الهيدروجين السائل كوقود للطيران. تم الانتهاء من التقييم في عام 2002 (ونشر التقرير النهائي في 2003).[3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
خصائص الهيدروجين
يمتلك الهيدروجين كثافة طاقة لكل وحدة كتلة أكبر بثلاث مرات من وقود النفاثات التقليدي، لكنه يمتلك كثافة طاقة أقل لكل وحدة حجم. تستخدم خزانات ألياف الكربون في الطائرات والتي يمكنها تحمل ضغط 700 بار، كما يتم استخدام الهيدروجين السائل المبرد.
فإذا كان الهيدروجين متوفرًا من حيث الكمية من مصادر الطاقة منخفضة الكربون مثل الرياح أو النووية، فسيقلل استخدامه في الطائرات من كمية الغازات الدفيئة (بخار الماء وكمية قليلة من أوكسيد النيتروجين) التي تنتج عن الطائرات الحالية. حاليا ينتج عن مصادر الطاقة قليلة الكربون كمية ضئيلة للغاية من الهيدروجين، كما توجد عقبات خطيرة أمام استخدام الهيدروجن في الطائرات والمركبات الأخرى.[4] وبسبب الطريقة التي يتم بها إنتاجه، وعدم الكفاءة النسبية في إنتاجه في ظل التكنولوجيا الحالية، فأن سعر الهيدروجن أغلى بكثير من سعر وقود الحفريات.
يعتبر الهيدروجين السائل من أفضل المبردات التي استخدمت في الهندسة، وقد اقترح استخدام هذه الخاصية في تبريد هواء السحب في الطائرات عالية السرعة ( أنظر إلى محرك النفاثات مسبق التبريد)، أو حتى لتبريد سطح الطائرة نفسه، وخاصة للطائرات ذات المحرك النفاث الفرطي.[5]
اعتبارات التصميم
ينتج الهيدروجين السائل أربع أضعاف حجم الطاقة التي تنتجها كمية مماثلة من وقود النفاثات المعتمد على الكيروسين، بالأضافة إلى ذلك طبيعته المتقلبة للغاية والتي تحول دون تخزين الوقود في الأجنحة، كما هو الحال مع طائرات النقل التقليدية، لذلك فأن معظم تصميمات طائرا الهيدروجن السائل تقوم بتخزين الوقود في هيكل الطائرة نفسها، لهذا يكون طول الهيكل وقطره أكبر من هيكل الطائرات التقليدية التي تعمل بالكيروسين. يؤدي هذا إلى خفض الأداء بسبب زيادة المساحة الرطبة من جسم الطائرة، فكلما اتسع حجم الهيكل زاد مقاومة احتكاك السطح و مقاومة الدفع. من ناحية أخرى ينتج الكيروسين المستخدم كوقود للثفاثات ثلث الطاقة التي تنتجها كمية مماثلة من الهيدرروجين، مما يعني أن بنفس النطاق والأداء (مع تجاهل تأثير الحجم)، سوف تستهلك طائرات الهيدروجن ثلث حجم الوقود. وهذا من شأنه أن يقلل من الوزن الإجمالي للإقلاع 360.000 كگ إلى 270.00 كگ بالنسبة للطائرات طراز بوينگ 747-400، وعلى هذا فإن أداء الطائرات التي تعمل بالهيدروجين يعتبر تعويضاً عن ضخامة حجم المنطقة الرطبة وانخفاض حجم الوقود، يعتمد هذا التعويض بشكل أساسي على حجم الطائرة.
النماذج الأولية
في 21 سبتمبر 2020، كشفت شركة تصنيع الطائرات الأوروپية إيرباص عن أن هناك ثلاث تصميمات جاري دراستها لبناء طائرة تعمل بالهيدروحين في الوقت الذي تتسابق فيه لتشغيل طائرة ركاب خالية من إنبعاثات الكربون بحلول عام 2035.[6]
وتشمل هذه التصميمات طائرة نفاثة مزودة بمروحة توربينية سعة 200 راكب - تشبه هيكل الطائرة إيه321 نيو في هيكلها الضيق - باستطاعتها أن تطير لأكثر من 2.000 ميل بحري، وسوف تعمل الطائرة بواسطة محرك توربيني معدل يعمل بغاز الهيدروجين.
كما قامت الشركة المصنعة بعرض تصميم لمروحية سعة 100 راكب للمسافات الصغيرة، وflying-wing concept سعة 200 مقعد.
تزايد اهتمام شركة إيرباص بالهيدروجين، حيث تقوم الشركة بتقييم التقنيات الخاصة بالرحلات الجوية الخالية من الانبعاثات.
تعاني إيرباص من ضغط الحكومتين الفرنسية والألمانية، بصفتهم أكبر مساهمين في الشركة، حيث تقومان بحثها على تسريع مسار تطوير الطائرت الجديدة وخاصة بعد مساعدتهما لها خلال جائحة ڤيروس كورونا، فالتزمت البلدان بتقديم ملبغ قدره 2.5 مليار يورو (2.9 مليار دولار) من أجل نظام دفع أكثر نظافة.
وصرحت إيرباص أنه بجانب تلك التصميمات الثلاث المختلفة، من المحتمل أن يتم استخدام الهيدروجين في صناعات المجال الجوي وغيرها من الصناعات الأخرى تحقيقا لأهداف الحياد المناخي. وكانت الشركة قد صرحت من قبل بأنها تهدف إلى إصدار أول طائرة ركاب ثفاثة بدون انبعاثات بحلول 2035.
ويمثل تطوير طائرة تعمل بالهيدروجين بحلول هذا التاريخ تحدياً حقيقياً بسبب الكميات الهائلة من البنية التحتية والاستثمارات الحكومية المطلوبة.
ويقول گلين لولن، نائب رئيس تكنولوجيا الانبعاثات الصفرية في إيرباص "السؤال هنا هو إلى أين يمكننا الذهاب باستخدام البطريات، باختصار نحن لا نعتقد أنها هي التكنولوجيا المناسبة للطائرات التجارية في عصرنا هذا ونرى أن للهيدروجين إمكانيا أكبر." وأعلنت الشركة أنها تنوي اختبار التصميمات الثلاث على مدار الخمس سنوات القادمة.
في تصميم المحرك المروحي، سيتم تخزين الهيدروجين السائل وتوزيعه من خلال خزانات موجودة خلف الحاجز الخلفي للضغط، وفي نفس الوقت تقوم خلايا الوقود الهيدروجيني بتوليد الطاقة الكهربائية التي ستكون مكملاً لتوربين الغاز، وستستخدم الدعامة التوربينية أيضاً محركات الغاز المعدل التوربينية.
أما الطائرة ذات الأجنحة المختلط، التي تشبه حرف v، سوف تفتح خيارات جديدة لتخزين الهيدروجين وتوزيعه، بجانب تصميم المقصورة. وبحسب ما قاله جين برايس دومونت كبير مهندسي الشركة، فأن هذا التصميم هو الأكثر تحدياً من بين التصاميم الثلاثة.
ويقول أيضاً أنه إذا صار كل شئ يشكل جيد بالنسبة للشركة فبإمكانها المضي قدما بطراز v "الجديد كلياً"، أما في حالة عدم حدوث ذلك فمن المحتمل أن نقوم باختيار أحد التصميمن الأخرين وهما أكثر اعتيادية وسنقوم بالنظر إلى هذا النوع من الطائرات في وقت لاحق.
وتنوي الشركة التي يقع مقرها في تولوز، فرنسا إطلاق عدة برامج عرض هيدروجين في الشهور القادمة، ومن المتوقع أن يستغرق اختيار الموردين ومواقع التصنيع عامين أخرين قبل أن يتم تحديد موعد البرنامج المقررد إطلاقه بحلول عام 2028، وتشغيل الطائرة بحلول عام 2035. ومن المتوقع أن يكلف البرنامج الشركة المليارات وذلك حسب ما صرح به دومون.
وتقول إيرباص يعتمد نجاح أي برنامج على البنية الأساسية للمطارات ودعم الحكومات لتمويل التطوير، بالأضافة إلى الحواقز المقدمة لخطوط الطيران من أجل سحب الطائرات قديمة الطراز. وقد بدأت الشركة بالفعل في محادثات مع المطارات و خطوط الطيران و شركات الطاقة، كما أنها طلبت من الحكومات أن تقوم بتقديم الحوافز الصحيحة لدفع الصناعة نحو الطاقة الهيدروجينية.
طائرات مقترحة
تاريخية
- لوكهيد سيإل-400 صنتان، مفهوم لطائرة الهيدروجين لاسائل عام 1950 والذي تم التخلي عنه لصالح إسآر-71.
- أقترح استخدام الهيدروجين السائل للطائرة روكول إكس-30 التي تستخدم [[محرك نفاث فرطي|المحرك النفاث الفرطيي].
- مرصد إيروڤيرومنت العالمي
حالية
- الطائرة النفاثة المدارية سكايلون التي تعمل بالهيدروجين.
- ديإلآر سمارتفيش
- بوينگ فانتوم آي
- گرينلاينر (تييو دلفت)[7]
- كريو-ڤي [8]
- زيروآڤيا هايفلاير (خلية وقود)[9]
انظر أيضاً
المصادر
- ^ Robertson, David (2008-04-03). "Boeing tests first hydrogen powered plane". The Times. London.
- ^ Maniaci, David C. "Operational Performance Prediction of a Hydrogen-Fueled Commercial Transport" 2006 symposium paper Archived 2006-09-05 at the Wayback Machine
- ^ Airbus Deutschland "Liquid Hydrogen Fuelled Aircraft - CRYOPLANE Final Technical Report" 2003
- ^ "Hydrogen aircraft". H2 Vehicles. Archived from the original on 2012-06-18. Retrieved 2016-05-06.
- ^ Segal, Corin (2010). The Scramjet Engine Processes and Characteristics. Cambridge University Press. p. 4. doi:10.1017/CBO9780511627019. ISBN 9780511627019.
- ^ "Airbus Unveils Hydrogen Designs for Zero-Emission Flight". بلومبرگ. 2020-09-21. Retrieved 2020-09-27.
- ^ ""The Greenliner", Green Flying Final Report DSE Group 8". Researhgate. Retrieved 31 July 2020.
{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link) - ^ The Cryo-V Final DSE Report, June 30, 2020
- ^ ZeroAvia Conducts UK's First Commercial-Scale Electric Flight, June 23, 2020
وصلات خارجية
- Bjorn Fehrm (February 7, 2020). "Bjorn's Corner: Why e in ePlane shall stand for environment, Part 8". Leeham News.
- Dan Thisdell (9 July 2020). "Forget batteries, is hydrogen the holy grail for carbon-free commercial aviation?". Flightglobal.