آینده هوانوردی سازگار با محیط زیست

هواپیماها به آلودگی شهرت دارند و صنعت هوانوردی 2 تا 3 درصد از انتشار دی اکسید کربن جهانی را تشکیل می دهد.

برخی فکر می کنند که هیدروژن بهترین راه حل است و انرژی هیدروژن برای سال‌ها در حال توسعه بوده است، با اولین پیل سوختی هیدروژنی ساده که در سال 1842 توسط ویلیام گرو اختراع شد و اولین خودروی کاربردی با موتور هیدروژنی که در سال 1860 توسعه یافت.

با این حال، در طول قرن بیستم، هیدروژن به سمت سوخت‌های فسیلی رفت.

پیشرفت عمده در انرژی هیدروژن اختراع پیل سوختی هیدروژنی در سال 1939 بود که یک سلول سوختی 5 کیلوواتی ساخته شد، اما چندین سال طول کشید تا آنقدر قدرتمند شود که مفید باشد.

در دهه 1960، جنرال الکتریک سلول های سوختی هیدروژنی 1.5 کیلوواتی را برای برنامه فضایی در اختیار ناسا قرار داد که نه تنها هیدروژن را به ماموریت های آپولو به عنوان سوخت، بلکه آب آشامیدنی را نیز به عنوان یک محصول جانبی مفید ارائه می کرد.

تویوتا یک خودروی هیدروژنی را در سال 2014 معرفی کرد با توجه به اینکه این فناوری اکنون با سرعت بیشتری در حال پیشرفت است، چگونه می تواند در مورد هواپیماها اعمال شود؟

یک پیل سوختی هیدروژنی با واکنش الکتروشیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن کار می کند، هیدروژن با عبور از روی آند پلاتین به یک پروتون اکسید می شود، در حالی که اکسیژن با عبور از روی کاتد پلاتین کاهش می یابد.

پروتون ها از یک غشای الکترولیت عبور می کنند و با اکسیژن موجود در کاتد واکنش می دهند و فقط آب و انرژی تولید می کنند که این باعث می شود که آن را دوستدار محیط زیست کند، زیرا آب را می توان به سیستم آب طبیعی بازیافت کرد و با وجود اینکه به نظر می رسد هیدروژن راه حلی برای هوانوردی سبز است، اما چالش هایی را برای زیرساخت ها و ایمنی ایجاد می کند.

از آنجایی که هیدروژن یک مولکول کوچک است، نشت آن رایج است.

این نه تنها یک نگرانی عمده در مورد بهره وری است، بلکه می تواند ناامن شود زیرا هیدروژن بسیار قابل اشتعال است.

اخیراً، پرتاب Artemis 1 توسط ناسا به دلیل نشت هیدروژن مایع به تعویق افتاد.

اگرچه در مقایسه با سوخت جت A، با محدودیت غلظت اشتعال پذیری 4% در مقابل 0.7% جت A کمتر قابل اشتعال است ولی با این حال، جت A به طور قابل توجهی کمتر فرار است و حداقل انرژی احتراق کمتری بین پنج میلی ژول تا یک ژول دارد، در حالی که هیدروژن 0.02 میلی ژول است.

این می تواند مشکلاتی را در تأیید هواپیماهای هیدروژنی ایجاد کند، زیرا دستورالعمل پذیرفته شده به طور گسترده ده برابر بیشتر از 0.2 میلی ژول است و هیدروژن به سرعت پخش می شود و دمای خود اشتعال بالاتری دارد، بنابراین ممکن است مشکلی ایجاد نشود؟

علیرغم اینکه هیدروژن حدود سه برابر بیشتر از سوخت جت معمولی در هر کیلوگرم انرژی دارد، هیدروژن تنها 0.0028 کیلووات ساعت در لیتر و سوخت جت 9.52 انرژی دارد، زیرا سوخت جت در شرایط جوی مایع است.

برای تولید انرژی مشابه با یک لیتر سوخت جت، به 3200 لیتر هیدروژن در همان فشار نیاز دارید.

این باعث می شود سوخت جت بسیار کارآمدتر شود؛ در شرایط استاندارد و با مخازن پر از هیدروژن، یک بوئینگ 787-9 فقط انرژی کافی برای پرواز 21 ثانیه خواهد داشت.

به همین دلیل است که توسعه روش‌های کارآمدتر برای ذخیره‌سازی هیدروژن مایع برای زنده ماندن آن به عنوان سوخت هوانوردی حیاتی خواهد بود.

حتی به عنوان مایع، هیدروژن به چهار برابر حجم نیاز دارد تا قدرتی برابر با سوخت جت داشته باشد و هیدروژن در مخازن بزرگ کروی ذخیره می شود، بنابراین نمی جوشد.

نقطه جوش هیدروژن 20 کلوین (-252.9 درجه سانتیگراد) است.

این یک مانع بزرگ و چالشی برای ذخیره سازی مقادیر زیاد و ارزان است همچنین مشکلاتی در مورد ذخیره هیدروژن در هواپیما وجود دارد؛ به طور معمول، سوخت جت در بال های هواپیمای مسافربری بارگیری می شود اما هیدروژن به دلیل اندازه و شکل مخازن مورد نیاز نمی تواند این کار را به طور موثر انجام دهد، بنابراین باید در بدنه جا شود و حجم بار و مسافر را تا 40 درصد در طرح های معمولی کاهش دهد.

اگرچه بدنه‌های بال ترکیبی ممکن است بتوانند بر این مشکل غلبه کنند، اما هنوز ساخته نشده‌اند و در فرودگاه‌های فعلی جایی ندارند.

در حالی که هیدروژن فراوان ترین عنصر روی زمین است، در مولکول های دیگر محبوس شده است.

Steam Methane Reforming (SMR) سالانه 99.9 درصد از هیدروژن جهان (19 میلیون تن) را تولید می کند و به ازای هر کیلوگرم هیدروژن تولیدی، 9 کیلوگرم دی اکسید کربن تولید می شود - این یک هزینه سربار چالش برانگیز برای اهداف زیست محیطی پایدار است.

هیدروژن سبز را می توان با الکترولیز تولید کرد، اما تنها کمتر از 0.04٪ از کل هیدروژن تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهد.

برای الکترولیز خورشیدی 5.10 تا 23.27 دلار به ازای هر کیلوگرم گران‌تر است، در حالی که هزینه هیدروژن تولید شده توسط SMR کمتر از 1 دلار در هر کیلوگرم است.

بوئینگ شش آزمایش فناوری هیدروژن انجام داده است و برخی از استارت آپ ها نیز در حال تلاش برای نوآوری هستند.

ماموریت ZeroAvia یک موتور هیدروژنی الکتریکی در هر هواپیما است و چالش‌های هواپیماهای هیدروژنی که پاسخی برای هوانوردی پایدار از نظر زیست‌ محیطی ارائه می‌کنند، تازه شروع به پاسخگویی کرده‌اند، اما برای توسعه این فناوری به سرمایه‌گذاری بسیار بیشتری نیاز است تا بتواند آن را توسعه دهد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.