Поборы с мировых авиакомпаний за вредные выбросы в атмосферу от использования углеродного топлива вынуждают рассматривать варианты на водороде и аккумуляторах. Так, к примеру, Boeing разрабатывает ZEROe (обзор), работающий на водородном топливе. С появлением лёгких и более безопасных литий-керамических батарей стал возможен электровариант пассажирского лайнера. С подобным предложением выступили сразу две компании, объединив совместные усилия: тайваньская ProLogium и голландская Elysian Aircraft. По предварительным расчётам, создаваемый пассажирский лайнер должен преодолевать 621 милю (примерно 1000 км) на одном заряде батарей. На фоне этой новости сразу возникает вопрос существования подобных технологий у нас в России.
Цель совместной работы тайваньской компании ProLogium, занятой производством батарей, и голландской Elysian Aircraft, специализирующейся на проектировании электрических летательных аппаратах, проверить дальность полёта большого пассажирского электросамолёта, работающего на новейших литий-керамических аккумуляторах. Если говорить просто, инженеры хотят понять, станут ли безопасные, лёгкие и очень энергоёмкие батареи основой для авиаперелётов с нулевым выбросом CO₂ на расстояние до 1000 километров.
Как показывает практика, подобный перелёт получился у американского инженера Мигеля Итурменди из Helios Horizon, только самолёт был небольших размеров, рассчитанный на короткие, региональные полёты. Здесь же речь идёт о крупных пассажирских лайнерах. ProLogium, как производитель литий-керамических батарей, постарается вписаться в требования коммерческой авиации. Главная задача — создать аккумуляторные блоки, которые будут одновременно мощными, лёгкими и сверхнадёжными, ведь самолёту нельзя позволить, чтобы источник энергии отказал в небе или загорелся.
Технические требования электроавиации.
Европейская, как, впрочем, и любая авиация задаёт очень жёсткие требования. Согласно отчётам инженеров-разработчиков, разрабатываемые элементы питания должны иметь плотность энергии от 320 до 420 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг). Обычные литий-ионные батареи сегодня дают порядка 250–270 Вт·ч/кг, а их вес снижает полезную нагрузку. Иными словами, самолёт "тащит" только пилота и свои аккумуляторы, а должен перевозить пассажиров и их чемоданы. Поэтому, чем выше число ватт-часов на килограмм, тем больше энергии несёт в себе каждый килограмм аккумулятора, а значит, самолёт может пролететь дальше без подзарядки, взяв на борт полезный груз.
Ориентир 320–420 Вт·ч/кг рассчитан на то, чтобы крупный коммерческий лайнер на одной зарядке мог покрыть дистанцию от 750 до 1000 километров (465–621 милю). Это стало главным требованием.
Как показал прошлогодний V Конгресс молодых учёных, собравший исследователей и разработчиков из более 90 стран мира, китайские инженеры добились создания аккумуляторов с плотностью энергии 500 Вт·ч/кг, но по соображениям безопасности планируют их использовать только в электромобилях. Поэтому, технические условия для электросамолётов вполне понятны.
Проведение испытаний.
Испытания пройдут в два этапа.
Сначала стандартные тесты: инженеры проверят, можно ли без каких-либо доработок вставить уже существующие батарейные блоки ProLogium в электрические системы самолёта. Если нынешняя архитектура будет совместимой с бортовой сетью, конструкцией и местами креплений, это сильно ускорит дело.
Второй этап — разработка "под заказ". Если батареи не удастся сразу встроить в конструкцию лайнера, то придётся проектировать новые, улучшенные варианты аккумуляторных ячеек, которые будут специально заточены под уникальные авиационные стандарты. Сюда относятся не только конструкторские особенности, но и повышенная безопасность, и максимально возможное снижение веса.
Для электросамолётов решено использовать литий-керамические батареи по нескольким причинам. Во-первых, обычные литий-ионные батареи слишком тяжёлые. Во-вторых, в них используется жидкий электролит — горючая и довольно капризная химическая среда, способная воспламеняться при повреждениях или перегреве.
Литий-керамические (твердотельные) батареи заменяют жидкость стабильным твёрдым материалом, похожим по свойствам на керамику. В него интегрируют специальные соли, переносящие ионы между катодом и анодом. Такие батареи более безопасные и не зависят от перепадов температур окружающей среды. Они тоньше, легче и занимают меньше места.
Правда, компании трезво замечают: одно дело сделать прорыв в лаборатории, а совсем другое — подтвердить работу на всех режимах, от взлёта до посадки в турбулентность, и доказать стабильность характеристик на протяжении многочисленных циклов зарядки.
Поэтому инженеры и собираются объединить десятки и сотни ячеек в модули, а модули в полноценную силовую установку. Испытания такой установки покажут то, как вся батарея охлаждается, как соединительные шины влияют на вес, как конструкция ведёт себя при вибрациях и аварийных сценариях.
Всё сделают сразу в Европе.
Чтобы не тратить лишних денег на изготовление и транспортировку батарей, компании решили собирать аккумуляторные блоки недалеко от европейских сборочных цехов Elysian. Если удастся организовать локальную цепочку поставок аккумуляторов, то получится сократить дальность перевозки компонентов, а значит в случае неисправностей быстрее их устранять или заменять дефектные блоки.
Хорошо, что некоторые страны рассматривают альтернативные источники энергии и развивают технологии авиаперелётов. Однако, меня больше всего интересует вопрос существования аналогичных разработок в моей родной стране - России.
Чем может ответить Россия?
В России пока нет серийного производства крупных пассажирских электросамолётов. Однако движение в сторону электрической и гибридной авиации идёт, только немного другим путём.
Во-первых, когда на канале рассматривался американский электросамолёт Helios Horizon, в качестве его более перспективного аналога мне удалось найти наш Як-40, использующий гибридную силовую установку. Экспериментальный аппарат оснащён электродвигателем на сверхпроводниках, который работает в паре с газотурбинным генератором. Разработку и испытания этого летательного аппарата совместно с другими организациями ведёт Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ). Гибрид позволяет совместить плюсы электрической тяги: низкий шум, экономия топлива на отдельных этапах, с привычной дальностью и мощностью обычного двигателя.
Во-вторых, в открытых источниках мне удалось найти описание разработок лёгких учебно-тренировочных и региональных самолётов на электротяге. В основном они рассчитаны на перелёты порядка 100–300 км и перевоза малого числа пассажиров.
Что касается литий-керамических батарей с плотностью энергии за 300–400 Вт·ч/кг, то у нас есть лаборатории в институтах РАН и университетах, исследующие твердотельные электролиты, но, к сожалению, стоит признать, что до создания промышленных образцов, готовых к лётным испытаниям с такими показателями, как у тайваньской ProLogium, нам пока ещё далеко.
Таким образом, на тайваньско-голландское стремление создать лайнер крупной коммерческой электроавиации на базе литий-керамических батарей наша страна может ответить гибридом, в основе которого лежит дешёвый природный газ. Керамические батареи российского производства, способные поднять в небо большой пассажирский лайнер, остаются пока делом будущего.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.