Когда цены на традиционные энергоносители (нефть, уголь, газ) штурмуют исторические максимумы на биржах, проекты, связанные с альтернативной энергетикой, проявляются с новой силой. Безусловно, что в наши дни без какого-либо субсидирования они нерентабельны, а потому ни при высоких, ни, тем более, при низких ценах на энергоресурсы без определённых государственных дотаций сильного желания вкладываться у инвесторов в них нет. Но какой бы ни была экономическая обстановка в мире, швейцарцы: психиатр по профессии, изобретатель и воздухоплаватель в третьем поколении, Бертран Пикар (род. 1958)(рис.1) и предприниматель, военный лётчик и инженер, Андре Боршберг (род. 1952)(рис.1) твёрдо верят в неизбежность перехода к «зелёной» энергетике. В стране, которая славится своими сырами, часами и банками, они занялась абсолютно новым направлением – разработкой самолёта будущего. Целью их проекта Solar Impulse (в переводе с англ. Солнечный импульс) стало создание самолёта, использующего исключительно энергию солнца за счёт использования солнечных батарей. В истории было немало подобных проектов, но в этой статье пойдёт речь именно о Solar Impulse, так как именно этот проект «продвинулся» дальше всех остальных.
Несмотря на то, что за спинами Андре и Бертрана стоит огромная команда специалистов, на сегодняшний день данный проект даже в среднесрочной перспективе не ставит своей целью создание полноценного самолёта, способного осуществлять коммерческие пассажирские перевозки, но, как минимум, три аспекта делают подобный «Солнечный импульс» привлекательным.
Экономическая составляющая подобного проекта выглядит более, чем убедительно: согласно исследованию Международной ассоциации воздушного транспорта, затраты на авиатопливо в среднем составляют 29% расходов авиакомпаний. Обнуление или существенное сокращение данной статьи расходов, несомненно, сулит авиакомпаниям высокую маржинальность в будущем. Общеизвестно, что пассажирские перевозки – один из самых неприбыльных бизнесов. Как однажды сказал британский миллиардер Ричард Брэнсон (род. 1950), «если Вы хотите стать миллионером, начните с миллиарда долларов в кармане и запустите авиакомпанию». Тем не менее, отрасль уже на пороге тектонических изменений: к 2025 году ожидается внедрение беспилотных технологий, которые позволят управлять самолётом дистанционно, принимая решения на земле и отсылая команды на пульт лайнера.
Вторая не менее важная составляющая – это отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Сегодня гражданская авиация ответственна за 3% выбросов парниковых газов в мире. Это само по себе очень много, однако из-за того, что осуществляется загрязнение верхних слоёв атмосферы, эффект от такого загрязнения ещё сильнее. Например, самолёт Airbus A320 во время выполнения рейса Москва – Санкт-Петербург пролетает порядка 750 км и сжигает около 2700 литров авиационного топлива, что сопоставимо с количеством бензина, который сжигается одним легковым автомобилем за год при его интенсивном использовании, при этом количество выбросов углекислого газа составляет около 7 тонн.
Третий аспект касается запасов нефти в мире. По оценке компании BP, если взять все страны мира, то средняя ресурсообеспеченность нефтью, которая рассчитывается как отношение разведанных запасов к уровню добычи, составляет около 51 года. Существует много споров и гипотез на данный счёт, но даже по самым пессимистическим оценкам Солнце погаснет только через 5 миллиардов лет!
История создания солнечного самолёта уходит в последний год 20-го столетия, когда Брайн Джонс (род. 1947) и Бертран Пикар совершили первый в истории человечества кругосветный полёт на воздушном шаре без посадки. Из 3,7 тонн жидкого пропана при взлёте осталось только 40 кг при посадке. После успеха данной миссии, Бертран пообещал снова отправиться в кругосветное путешествие, но на этот раз, не используя ни капли ископаемого топлива. Именно тогда и зародилась идея солнечного самолёта.
В 2002 году выходец из знаменитой династии Пикаров, Бертран – дед которого, Огюст, первым поднялся в стратосферу на аэростате в 1931 г., а его отец, Жак, вместе с напарником первым достиг дна Марианской впадины (около 11 км ниже уровня моря) на батискафе «Триест» в 1960 году – начал активно воплощать в жизнь свой замысел. Самолёты на солнечных батареях летали и раньше, но только днём, и без каких-либо устройств для хранения электроэнергии, но основная новация, которую планировалось внедрить, заключалась в способности самолёта находиться в воздухе круглосуточно, чтобы излишки энергии солнечной энергии, полученной за день, накапливались в системе конденсаторов, которые можно было использовать при полёте ночью.
Во время презентации проекта в Лозанне Бертран познакомился с профессиональным лётчиком и инженером Андре Боршбергом, который взял на себя техническую часть проекта.
К 2004 году идея была полностью сформулирована, и оставалось только найти людей, которые могли бы воплотить её в реальность. Обширные связи Пикара помогли привлечь финансирование. Основными партнёрами стали компании, основная деятельность которых была тесно связана с защитой окружающей среды и внедрению инновационных «чистых» технологий в энергетике, и они прекрасно понимали преимущества этого долгосрочного проекта и его значения для всего человечества.
После подписания соглашений с рядом компаний Андре приступил к набору команды инженеров, экспертов и специалистов из разных отраслей науки, обладающих разнообразными навыками, и, самое главное, людей, которые бы всей душой «болели» за этот проект. С этого момента началась разработка концепта самолёта будущего.
В марте 2007 году к проекту присоединился Deuthsche Bank, что обеспечило проекту дополнительную финансовую помощь. Многие крупные компании, такие как Toyota, Solvay, Swisscom и т.д., внесли весомый вклад в технические разработки и производство, а также осуществляли консультационные услуги.
В мае 2008 года появился симулятор полётов, который позволил пилотам совершить первый полёт на новом летательном аппарате в виртуальной реальности.
26 июня 2009 года после долгой исследовательской работы, проведения сложных расчётов и моделирования Бертран и Андре представили первый прототип самолёта на презентации, на которой присутствовало около 800 гостей. Вес самолёта составил 1600 кг, размах крыла: 63 м (рис.2). Для сравнения: у самолёта Airbus A320 – одного из самых распространённых в мире – вес пустой машины составляет около 42 т, а размах крыла - 34 м).
7 июля 2010 года после нескольких успешных дневных полётов Андре совершил первый ночной полёт в истории солнечной авиации без использования горючего топлива и без какого-либо негативного воздействия на окружающую среду. А в сентябре того же года самолёт пролетел уже через всю Швейцарию.
В 2011 году самолёт прибыл в Брюссель, а затем и на всемирно известный международный авиасалон Ле Бурже в пригороде Парижа, где стенд с самолётом будущего вызвал небывалый интерес.
В 2012 году по приглашению короля Мохаммеда VI для содействия строительству солнечной электростанции в 10 км северо-западнее города Уарзазат в Марокко Андре и Бертран совершили первый межконтинентальный рейс, перелетев через Средиземное море. Расстояние, которое преодолел солнцелёт, составило 6000 км. Весь путь туда и обратно состоял из 7 этапов: Пайерн – Мадрид – Рабат – Уарзазат – Рабат – Мадрид – Тулуза – Пайерн. Во время перелёта были установлены 2 мировых рекорда: самое большое расстояние в свободном полёте и дальность свободного полёта с приземлениями.
В 2013 году был совершён полёт длиной 5650 км от западного побережья США до восточного, после чего к проекту в качестве технологического партнёра присоединился IT-гигант Google Inc. К концу года был построен усовершенствованный экземпляр Solar Impulse 2 (рис. 3), для разработки которого инженеры использовали технологии мирового лидера в области 3D-проектирования, французской компании Dassault Systèmes. Тестировать все новые наработки на живом макете – значило бы тратить годы и годы лишней работы. Эту проблему вполне решила платформа 3DExperience, которая позволила техникам провести все необходимые расчеты. Специализированные компьютерные приложения помогли в точности разработать и внешний вид самолёта (рис. 4) и технически важные элементы управления (рис.5).
По сравнению с первой версией самолёт был оптимизирован для полёта в любых погодных условиях, включая пересечение облачных зон. Solar Impulse 2 смог пересекать зоны турбулентности, на что Solar Impulse 1 был неспособен. Максимальная скорость самолёта – 140 км/ч, что больше, чем у первой версии (около 50 км/ч). Теоретически, самолёт может находиться в воздухе неограниченное количество времени. Практически – пилоту нужно отдыхать, так как он «просто человек», поэтому периодически приходится спускаться с небес на землю. В 2014 году начались тестовые полёты Solar Impulse 2.
В 2016 году произошло одно из важнейших событий всего проекта: самолёт Solar Impulse 2 с двигателями, работающими от солнечных батарей, завершил первое кругосветное путешествие. Полёт, который стартовал 9 марта 2015 года в Абу-Даби (ОАЭ), проходил в 17 этапов и завершился только 26 июля 2016 года в том же аэропорту.
В общей сложности самолёт преодолел около 35 тыс. км, перелетев через 2 океана двигаясь со скоростью 60-120 км/ч. За 16 месяцев самолёт приземлялся в 15 городах мира, установив рекорд самого длительного безостановочного пребывания в воздухе, непрерывно пролетев более 120 часов, однако данный рекорд дался непросто: хотя литиево-ионные батареи работали исправно, они перегрелись из-за слишком толстого слоя изоляции и затруднённого регулирования их температурного режима. Последующий ремонт батарей на несколько месяцев отсрочил продолжение кругосветного полёта.
Чтобы продержаться пять дней в крошечной неотапливаемой кабине (около 3,8 м3) Solar Impulse 2, которая рассчитана только на одного человека (пилоты сменяли друг друга) и больше похожа на кабину малолитражной машины (рис.6), лётчики много тренировались - провели по 72 часа в специальных симуляторах, изучили техники йоги, дыхания и самогипноза, что позволяло быстро войти в фазу глубокого сна. Пилотское сиденье работает одновременно и как откидывающаяся койка, и как спортивный тренажер, и как туалет. Пилот спал отрезками по 20-40 минут - в эти моменты он ставил самолёт на автопилот. Парашют, спасательный плот и комплект выживания - тоже были упакованы в спинке сиденья.
За время кругосветного полёта солнечные батареи сгенерировали около 11000 кВт·ч - ровно столько потребляет среднестатистическая российская семья за 2 года.
Питание лётчиков во время полётов было 11-разовое, с одним приёмом горячей пищи, специально для проекта разработанное учёными из Nestle. В сухпайки вошли бутилированная вода и кофе. Масса еды на сутки составила 1,8 килограмма, энергия – около 3,5 тысячи калорий. При этом масса всего груза, который пилот берёт на борт, включая кислородные баллоны, не должна была превышать 30 килограммов.
Маршрут был сознательно проложен через благополучные погодные регионы (рис. 7), с максимальным количеством солнечных дней, а также регионы со стабильной геополитической обстановкой. Однако и организаторы перелёта, и сами пилоты прекрасно понимали, насколько высока степень риска, особенно при перелете через Тихий океан и Атлантику. Не исключался даже самый «худший сценарий» - катапультирование и приводнение в океан.
Самолёт Solar Impulse 2 состоит из углеводородного волокна и имеет огромные крылья: размах - 72 м. Это чуть меньше¸ чем у самого большого в мире пассажирского самолета Airbus 380 (79,75 м) и больше, чем у Boeing-747 (68,5 м). При этом весит "солнечник" всего 2,3 тонны, а вес пустого Airbus 380 - 280 тонн и Boeing 747 - 214,5 тонны!
Плоскости гигантских крыльев и верхняя часть фюзеляжа самолета покрыты солнечными элементами - это свыше 17 тысяч ячеек монокристаллических кремниевых солнечных батарей. Толщина каждой - всего 135 микрон (толщина человеческого полоса). В действие их приводят четыре электромотора мощностью по 17,5 лошадиных сил.
Эксперты в своих оценках перспектив "солнечника" не столь оптимистичны: «Такие коммерческие самолёты мы не увидим еще очень долго. У них маленькая мощность, они не могут поднимать в воздух большой вес и летать с большими скоростями. Солнцу не хватает "энергетической плотности" для того, чтобы поднимать самолеты, которые должны куда-то долететь в разумно короткие сроки.»
А один из авиационных авторитетов прямо заявил: «У солнечных самолётов цель - всего лишь находиться в воздухе, а не лететь с подобающей скоростью. Как ни крути, а кругосветка без капли керосина - скорее, демонстратор возможностей использования солнечной энергии в экспериментальных целях».
В свою очередь Бертран Пикар уверен в будущем электросамолётов:
«Когда я начал проект Solar Impulse, все производители самолетов сказали – у него нет будущего. Я разговаривал и с руководством Boeing, и с руководством Airbus – на очень высоком уровне. Но за две недели до того, как я приземлился в финальной точке кругосветного путешествия, Абу-Даби, Airbus и NASA каждый объявили о запуске программы производства электросамолётов. Они передумали!
Понадобится предварительный этап – создание электрических транспортных средств, не целиком работающих на солнечной энергии. Solar Impulse – электрический самолёт. Он набирает в аккумуляторы солнечную энергию, когда летит. То есть это идеальное прикладное решение для концепции электросамолёта.
Мой прогноз на ближайшее десятилетие – появятся электросамолёты, рассчитанные на 50 пассажиров. Они будут летать на короткие расстояния – может быть, 500 км. Самолеты на аккумуляторах, которые заряжаются от розетки. Они не будут способны лететь вечно благодаря солнечной энергии, как Solar Impulse, но это первый этап, очень интересный. Потому что появятся бесшумные, безотходные, не загрязняющие ни Землю, ни атмосферу самолёты, которые смогут приземляться близко к городу, и это никого не потревожит.
Даже с современным уровнем развития технологий было очень сложно построить самолёт, который может лететь без топлива днём и ночью. Это был вызов, и мы справились. Но я уверен, что через 20 лет это будет легко и очевидно. Может быть, эти самолёты не будут рассчитаны на сотни пассажиров. Но это случится, потому что появятся более легкие материалы, более энергоемкие солнечные батареи. И сами самолёты будет легче использовать. Это такая же история, как с компьютерами. Первые компьютеры были размером с дом, и рынок был ограничен пятью экземплярами. А теперь у каждого из нас компьютер в кармане».
Спустя всего пару лет после интервью, в 2019 году, Израильская компания Eviation из города Кадима-Цоран представила на авиасалоне Ле-Бурже новинку — полностью электрический самолет Alice (рис.9), предназначенный для региональных полетов. Салон электросамолёта рассчитан на 9 пассажиров, экипаж – 2 человека. Eviation планирует запустить коммерческие полеты в 2022 году, первым коммерческим клиентом компании стала Cape Air, которая работает в США и на Карибах.
Самолёт работает от литий-ионной батареи. Оснащён тремя толкающими винтами: один расположен в хвосте, два – на крыльях.
Генеральный директор компании, Омер Бар-Йохай, обещает, что полёты станут дешевле, удобнее, менее шумными и тряскими, поскольку в самолёте применены различные технологические новшества. С его слов, Alice – это не гибрид, а электрический летательный аппарат. Энергия и обслуживание обходятся дешевле, следовательно, самолёты становятся доступнее. Благодаря таким машинам всё больше людей станут летать. Заряд батареи позволяет преодолеть более 1000 км с крейсерской скоростью 480 км/ч на высоте 10 тысяч метров. Зарядка с нуля занимает 1 час 20 минут. Максимальная взлётная масса – 6350 кг, длина – 12 метров, размах крыла – 16 метров. Салон рассчитан на 9 пассажиров, экипаж – 2 человека. Вредные выбросы трёх двигателей равны нулю.
И пока солнечные технологии осваивают воздух, тем временем, они активно применяются и на земле: так, на некоторых моделях Audi планирует внедрить тонкоплёночные солнечные батареи. Они будут интегрированы в структуру стеклянных панорамных крыш электромобилей. Предполагается, что за счет этих батарей можно увеличить запас хода машин.
Генерируемая солнечными батареями энергия будет поступать в электрическую систему автомобиля. Она способна обеспечить питанием, например, систему кондиционирования или подогрева сидений.