Могут ли самолеты отказаться от топлива и перейти на электричество
Когда на заре прошлого века писатели-фантасты воображали себе будущее, у них оно неизменно было связано с электричеством. Электрические (а не газовые) фонари на улицах, электрические (а не угольные) утюги в домах, электрические поезда, электрические автомобили, электрические летательные аппараты… Не было такой сферы человеческой жизни, куда, по мнению фантастов, в будущем не проникло бы электричество.
Но вот будущее наступило, и оказалось, что фантасты были правы: оно действительно тесно связано с электричеством. Электропоездами давно никого не удивишь, не говоря уже об утюгах и фонарях. Электромобили тоже становятся частью повседневного ландшафта. Загвоздка лишь с электрическими летательными аппаратами, которые сегодня называются самолетами: из области фантастики они, может, и вышли, но широкого распространения пока не получили.
Электродвигатели на воздушных судах пытались использовать еще в XIX веке: 8 октября 1883 года французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полет на дирижабле La France, чей двигатель питался от 435-килограммовой батареи. Однако это было слишком дорого и громоздко, поэтому электричество в авиации надолго уступило место жидкому топливу. Но навсегда ли?
ЛИТИЙ ВМЕСТО КЕРОСИНА
Авиаспециалисты различают три типа электрификации самолетов: «частично электрический», «полностью электрический» и «гибридный». Первый тип – обычный лайнер, оснащенный двигателями внутреннего сгорания, где мотор, преобразуя химическую энергию в механическую, создает тягу, ведущую лайнер сквозь поток воздуха. Электричество на таком судне задействовано лишь отчасти – оно осуществляет регулировку рулей, выпуск шасси, обеспечивает работу приборов и т.д. У полностью электрического самолета нет двигателей внутреннего сгорания: для создания тяги в нем используют двигатели, питающиеся от аккумуляторов.
Над разработкой аппаратов, чьи моторы питаются от литийионных батарей, инженеры начали трудиться еще в конце прошлого века. 29 апреля 1979 года в калифорнийском городе Риверсайде 35-минутный полет совершил небольшой самолет Mauro Solar Riser, оснащенный электромотором и аккумулятором, снятым с вертолета Hughes 500. Однако дальше испытаний дело тогда не пошло.
7 июля 1981 года электросамолет Solar Challenger перелетел через Ла-Манш за 5 часов 23 минуты. В 1990-м электросамолет Sunseeker I пересек территорию США, затратив на это 21 перелет от аэропорта к аэропорту и 121 час в воздухе. С 1983 по 2003 год американское агентство NASA финансировало создание электросамолета Pathfinder. Однако серьезный рывок в этой области произошел лишь в начале 2000-х, когда созданием электролайнеров заинтересовались частные фирмы.
ДЕШЕВЫЕ И ЧИСТЫЕ
Главной причиной стало повышение экологических требований. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% всех выбросов углекислого газа. За один не самый долгий перелет, например из Рима в Лондон, образуется 234 кг углекислого газа на человека – больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год. Электрический же самолет не создает выхлопа.
Кроме того, в начале 2000-х появились более емкие аккумуляторы, а также легкие и прочные материалы, что позволило начать работу над самолетами нового типа. В июле 2014 года на авиасалоне в Ле-Бурже был представлен тренировочный электросамолет Airbus E-FAN, способный выполнять фигуры высшего пилотажа.
Американская компания Bye Aerospace трудится сегодня над разработкой восьмиместного электросамолета eFlyer 800, обещая выпустить его к 2027 году. Норвегия к 2040-му планирует перейти на электрическую авиацию. Ее примеру намерены последовать Исландия и Швеция. Проекты по созданию электролайнеров имеются в Канаде, Германии, Китае и других странах мира.
Еще один важный фактор при переводе самолета на электричество – снижение затрат на топливо. Именно это мотивирует многие авиакомпании вкладывать средства в разработку. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль. В 2020 году электросамолет Cessna Caravan 208B компаний MagniX и AeroTEC совершил успешный 30-минутный полет, стоимость которого составила всего 6 долларов. Если бы использовалось обычное топливо, полет обошелся бы в 300–400 «зеленых».
Значение также имеет снижение затрат на эксплуатацию: электродвигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания, у них меньше соприкасающихся частей, а значит, они меньше подвержены износу. То есть электросамолеты будут реже нуждаться в техобслуживании. В общем, сплошные плюсы на первый взгляд. Что же мешает авиакомпаниям перейти на электролайнеры уже сегодня?
ПОДСЧИТАЛИ – ПРОСЛЕЗИЛИСЬ
Перспективы электроавиации зависят от прогресса в области электротехники и электрохимии, а он пока не шибок. Слабое звено электросамолета – недостаточно емкие аккумуляторы. Воздушному судну, перевозящему десятки пассажиров, нужно много энергии для взлета и дальнейшего полета. Но даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости, т.е. в количестве энергии, которую они могут накопить. Реактивное топливо содержит ее примерно в 30 раз больше, чем литийионная батарея.
Да, современные авиалайнеры легче и экономичнее самолетов прошлого, но ни одно топливо, кроме авиационного керосина, не имеет нужной для них энергоемкости. Самый большой пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 тыс. км за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам экспертов, то же воздушное судно с аккумуляторными батареями в качестве источника энергии сможет преодолеть не более 1 тыс. км.
Чтобы A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем текущий расход топлива. Из-за такого веса он просто не сможет оторваться от земли. Даже если заменить всех пассажиров и груз на батареи, дальность его полета все равно будет менее 2 тыс. км по сравнению с 15 тыс. км на обычном топливе.
Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сжигает часть топлива, так он становится легче, и расход керосина, необходимого для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.
По оценкам экспертов, для безопасных и рентабельных полетов подойдут лишь батареи с энергоемкостью не менее 2000 Вт·ч/кг. Сейчас это показатель не превышает 250 Вт·ч/кг, и за год энергоемкость батарей растет всего на 3%, так что электролайнер, который мог бы летать на значительные расстояния, похоже, появится еще нескоро.
ГИБРИДНОЕ БУДУЩЕЕ
Столкнувшись с проблемой энергоемкости, инженеры стали рассматривать альтернативные варианты получения энергии. К примеру, солнечные батареи. Или особые двигатели, преобразующие химическую энергию в электрическую без процессов горения – топливом для них может стать, например, водород, который в разы легче авиационного керосина. Так зародилась идея «гибридного» самолета.
Ключевым направлением ее развития стало увеличение доли электричества в энергопотреблении судна. Его можно использовать в системах двигательного привода шасси для наземного руления, запуска двигателей, кондиционирования и т.д. Можно также спроектировать гибридные самолеты, где для взлета будет применяться один тип двигателя, а для полета – другой.
Ведущие производители авиатехники внимательно изучают как эти, так и другие варианты. Недавно авиакомпания Airbus представила проект развития авиации будущего «Умное небо». По ее прогнозам, гибридные самолеты займут обширную нишу в мировой авиации уже к 2050 году.
Леонард КАПЛЕНКО