به عصر هواپیماهای برقی نزدیک می‌شویم!

قرن نو ـ گروه فناوری اطلاعات ـ سمیه شیرپور: با توجه به اینکه انتظار می‌رود خطوط هوایی تا سال 2037 سالانه 8.2 میلیارد نفر را جابه‌جا کنند، به منظور خنثی کردن تأثیر این صنعت بر گرمایش زمین، جایگزین‌های بدون کربن برای جت A-1 ضروری خواهد بود.

ما به عصر هواپیماهای برقی نزدیک می‌شویم اما باتری‌ها هنوز خیلی سنگین هستند و قدرت لازم برای امکان‌پذیر کردن سفر هوایی الکتریکی را ندارند.

محققان، دانشمندان و کارآفرینان پیشگام از اواخر قرن نوزدهم؛ یعنی زمانی‌که برای تأمین نیروی ملخ هواپیماهای اولیه، روی آنها باتری‌های سنگین اسید ـ سرب استفاده می‌شد، روی رویای پرواز الکتریکی کار می‌کردند. همچنین در طول سال‌ها، تعدادی از ابزارهای جدید برای تأمین انرژی هواپیما در حین پرواز مشاهده شده‌اند، از اتصالات رسانا که به سمت زمین برمی‌گردد تا پنل‌های خورشیدی برای انتقال انرژی مایکروویو. این مسئله امکان‌پذیر نبود اما در زمان ظهور فناوری باتری نسبتاً متراکم‌تر نیکل ـ کادیوم (نیکاد) پرواز هواپیماهای الکتریکی آزاد پرواز در مقیاس انسانی (برای انسان‌ها)  از نظر فنی امکان‌پذیر شد.

با اینکه طی چند دهه گذشته، علم شیمی مرتبط با باتری تکامل یافته است و چگالی انرژی افزایش یافته است، باز هم امروزه پیشرفته‌ترین سلول‌های لیتیوم برای صنعت هوانوردی همان مشکلی را ایجاد می‌کند که برای خودروها ایجاد می‌کند: چگونه برای باتری‌هایشان نسبت انرژی به وزن را به‌درستی متعادل کنند؟

باتری ۵۴۴ تنی برای تامین نیاز موتور جت

امیلی پیکرل، عضو هیئت علمی بخش انرژی دانشگاه هیوستون، در اوایل سال جاری در مصاحبه با مجله فوربز اظهار کرد:‌ اگر قرار بود یک جامبو جت از باتری‌های امروزی استفاده کند، تنها برای تولید نیروی موتور جت نیاز است که یک باتری با وزن 544 تن جایگزین شود. این وزن به هشت هواپیمای جت دیگر نیاز دارد که فقط وزن آن را تحمل کنند.

با رشد کامل فناوری لیتیوم یون، چگالی انرژی آن با هر تکرار سالانه به کمتر از پنج درصد کاهش یافته است، به‌همین‌دلیل است که تعدادی از محققان و شرکت‌های مرتبط با ساخت باتری درحال‌حاضر به دنبال پیشرفت شیمیایی باتری هستند که این تحقیقات روی هر کدام از هر دسته باتری‌های سدیم ـ یون، لیتیوم ـ فلز، لیتیوم ـ گوگرد یا روی ـ هوا انجام می‌شود.

صرف‌نظر از ترکیبات آنها، اگر این باتری‌ها بخواهند جایگزین سوخت جت با یک چگالی سوخت 9.6 کیلووات ساعت بر لیتر شوند، باید بسیار سبک‌تر باشند و چگالی انرژی بیشتری داشته باشند، یک مایع قابل‌اشتعال با حدود پنجاه برابر چگالی انرژی به نسبت آنچه که بهترین لیتیوم ـ یون‌های امروزه ایجاد می‌کنند. اگر بخواهیم منصف باشیم، به دلیل ناکارآمدی موتورهای احتراق داخلی، اگر وزن مساوی سوخت و باتری‌ها را مقایسه کنید، این رقم تا حدود چهارده برابر چگالی انرژی یک باتری لیتیوم یونی کاهش می‌یابد.

به عنوان مثال یک باتری مبتنی‌بر لیتیوم ـ یون تسلا مدل 3 دارای چگالی انرژی 260 وات ساعت بر کیلوگرم است درحالی‌که شرکت CATL در اوایل سال جاری اعلام کرد که یک باتری سدیم ـ یون با چگالی 160 وات ساعت بر کیلوگرم ساخته است. البته این شرکت امیدوار است که تا سال 2023 آن را به دویست وات ساعت بر کیلوگرم برساند. باتری‌های لیتیوم ـ سولفور این ظرفیت را نشان داده‌اند که ظرفیت نگهداری تا ششصد وات ساعت بر کیلوگرم را دارند. اگرچه این فناوری قبل از اینکه آنها بتوانند آن را به صورت گسترده استفاده کنند، با موانع قابل‌توجهی مواجه می‌شود؛ برای مثال ماده شیمیایی تمایل دارد از طریق الکترود‌ها تحلیل برود و دچار خوردگی شود.

خوش‌بینی ایلان ماسک

درحال‌حاضر هواپیمای کوچک دونفره و چهارنفره مجهز به سیستم‌های قدرت الکتریکی معمولاً با انرژی ویژه 250 تا 270 وات ساعت بر کیلوگرم کار می‌کنند اما کارشناسان این صنعت انتظار دارند قبل از اینکه صنعت هوانوردی برقی واقعاً رشد کند، چگالی انرژی به 350 تا 400 وات ساعت بر کیلوگرم برسد؛ هدفی که براساس گفته ایلان ماسک، مدیرعامل تسلا، می‌تواند تا چند سال آینده اتفاق بیفتد.

پیشگیری از فرار حرارتی یکی دیگر از آزمایشات حیاتی برای هوانوردی الکتریکی است. وقتی که یک سلول باتری یا حتی یک ناحیه درون یک سلول، به علت نقص مکانیکی، حرارتی یا الکترونیکی دچار اختلال می‌شود، دمای آن می‌تواند فراتر از حد ایمن بالاتر رود و باعث شود که سلول ابتدا گاز لیتیوم آزاد کند.

این مسئله باعث می‌شود دیواره‌های سلول برآمده شده و سپس پاره شود. پس از آن همه انرژی ذخیره‌شده‌اش را آزاد می‌کند. وقتی یک سلول می‌ترکد، می‌تواند به سلول‌های اطراف صدمه بزند و آنها را بیش از حد گرم کند و باعث خرابی آبشاری شود که منجر به انفجار و آتش‌سوزی می‌شود. وقتی این اتفاق برای یک شوی ولت (Chevy Volt: خودروی هیبرید شورولت) بیفتد، احتمالاْ خودرو غیرقابل تعمیر خواهد شد اما اگر چنین نقصی در حین پرواز برای یک 747 برقی اتفاق بیفتد، از دست دادن زندگی فاجعه‌بار خواهد بود.

برای به حداقل رساندن شانس یک فرار حرارتی تمام‌عیار، تشخیص زودهنگام شکست سلولی بسیار کلیدی و مهم است. از آنجا که خارج شدن گاز معمولاً چند دقیقه قبل از پاره شدن سلول اتفاق می‌افتد، تعدادی سنسور نزدیک به یک باتری لیتیوم ـ یون این گازها را اندازه می‌گیرند و یک سنسور مرجع هم گازها را در جایی دورتر از باتری اندازه می‌گیرد و در نهایت یک سیستم نظارتی اعدادی که توسط دو سنسور جمع‌آوری شده‌اند را مقایسه می‌کند. تفاوت این دو مقدار می‌تواند وجود یک سلول از کار افتاده را هشدار دهد.

برای خنثی کردن هرگونه گازی که درحال‌حاضر منتشر شده، سیستم‌های اطفای حریق مجهز به گاز بی‌اثر نیز می‌تواند استفاده شود تا زمانی‌که با اکسیژن اتمسفر مخلوط می‌شود از رسیدن به سطح قابل‌احتراق جلوگیری کند. البته نگهداری منظم و بازرسی‌های دقیق نیز به جلوگیری از خرابی سلول‌ها قبل از وضعیت انفجار کمک می‌کنند.

رولز رویس: فقط سرعت!

هواپیماهای الکتریکی باتری‌ای هم چالش‌های منحصربه‌فردی را در ایجاد تعادل بین سرعت و برد هوایی ایجاد می‌کنند؛ هرچند برای رولز رویس، هیچ ابهامی در کار نبوده است، فقط سرعت در تمام مسیر.

در چند سال گذشته رولز رویس بی‌سروصدا روی یک پروژه به نام ACCEL (شتاب‌دهی به برقی کردن پرواز) کار می‌کند و یک هواپیمای مسابقه‌ای به نام Spirit of Innovation (روح نوآوری) می‌سازد که از باتری نیرو می‌گیرد و تلاش می‌کند که یک رکورد جهانی جدید در سرعت هوایی ثبت کند.

این رکورد قبلاً در سال 2017 به ثبت رسیده بود؛ زمانی‌که یک Extra 330LE با موتور الکتریکی از یک برق تولیدشده توسط Siemens eAircraft به حداکثر سرعت 209.7 مایل بر ساعت معادل 337.5 کیلومتر بر ساعت رسید و آن را در مسیری به طول سه کیلومتر ثبت کرد. این شاهکار توسط فدراسیون جهانی ورزش‌های هوایی (FAI) به عنوان سریع‌ترین پرواز الکتریکی با یک هواپیمای به وزن کمتر از هزار کیلوگرم در هنگام برخاستن، تأیید شد و رکورد قبلی که در سال 2013 با سرعت هشت مایل بر ساعت (سیزده کیلومتر بر ساعت)  ثبت شده بود، شکسته شد.

رولز رویس این فرصت را دارد که علاوه‌بر رکورد سه کیلومتری، رکوردهای FAI را برای مسافت پانزده کیلومتر و زمان ارتفاع گرفتن نیز ثبت کند. زمان ارتفاع گرفتن به این معنی که هواپیما چقدر سریع می‌تواند بلند شود و به ارتفاع مشخص برسد.

سیمون بور، مدیر مهندسی و فناوری هواپیماهای غیرنظامی رولز رویس، گفته است: این عدد باید قابل‌توجه باشد. ما در حال برنامه‌ریزی برای پرواز با سرعت بالای سیصد مایل بر ساعت، معادل 483 کیلومتر بر ساعت، هستیم. باید ببینیم که چقدر می‌توانیم ارتفاع بگیریم.

رولز رویس برای این تلاش خود که به وسیله همکاری با تولیدکننده بریتانیایی موتور الکتریکی YASA و استارت‌آپ الکتروفلایت که سیستم‌های باتری سفارشی تولید می‌کند، یک جفت هواپیمای دونفره مسابقه‌ای Sharp Nemesis NXT را خریده است. اولی برای آزمایش زمینی استفاده شده؛ درحالی‌که دومی پروازهای واقعی را انجام خواهد داد.

درحال‌حاضر هواپیمای  Nemesis NXT رکورد سه کیلومتری FAI را با حداکثر سرعت ثبت شده 415 مایل بر ساعت معادل 667.8 کیلومتر بر ساعت با استفاده از موتور احتراق داخلی چهارصد اسب بخار در دست دارد.

تیم رولز رویس موتور Lycoming را با سه موتور الکتریکی 750 وات YASA که حدود چهارصد کیلووات (530 اسب بخار) تولید می‌کنند، جایگزین کرده است؛ درحالی‌که مخزن سوخت با سه بسته باتری مستقل جایگزین شده است.

Andy Roberts، مهندس تست پرواز رولز رویس، طی یک نشست خبری در ماه سپتامبر گفت: چالش اصلی برقی‌سازی هواپیماها، وزن است. نه‌تنها سیستم باتری شش هزار سلولی خارج از Nemesis NXT مرکز تعادل هواپیما را تغییر داد، سیستم باتری 450 کیلوگرمی نیز به مرور زمان به دلیل مخازن سوخت معمولی، سبک‌تر نمی‌شوند که می‌تواند در طول مراحل بعدی از حرکت بر عملکرد هواپیما تأثیر بگذارد. باتری‌ها به‌قدری سنگین هستند که Phill O’Dell، خلبان آزمایشی رولز رویس، مجبور شد دو کیلوگرم از وزنش را برای کمک به نگه داشتن وزن کلی هواپیما در محدوده عملیاتی کم کند.

ناپایداری حرارتی یک نگرانی بسیار واقعی برای تیم رولز رویس است. به منظور کاهش این مشکل، سلول‌ها به‌وسیله صفحات خنک‌کننده مایع جدا می‌شوند و در جعبه‌های نسوز پوشیده شده با چوب پنبه نگهداری می‌شوند. مواد متخلخل چوب‌پنبه به انتشار گرما کمک می‌کند. یک سلول باید بیش از حد گرم شود تا جایی که گازهای خروجی را تخلیه کند، هواپیما به سیستم تهویه و سرکوب گاز بی‌اثر مجهز شده است.

در 15 سپتامبر Spirit of Innovation اولین پرواز آزمایشی خود را از فرودگاه Boscombe Down وزارت دفاع بریتانیا انجام داد و به مدت پانزده دقیقه پرواز کرد. این شرکت امیدوار است تا قبل از پایان سال جاری، Nemesis را برای یک اجرای رسمی آماده کند.

وارن ایست، مدیرعامل رولز رویس، در بیانیه‌ای چنین گفت: اولین پرواز یک دستاورد بزرگ است. ما روی تولید پیشرفت‌های فناوری که جامعه برای کربن‌زدایی حمل‌ونقل در هوا، زمین و دریا نیاز دارد و همچنین بهره‌برداری از موقعیت‌های اقتصادی انتقال به (کربن) صفر خالص، تمرکز کرده‌ایم. این تنها درباره شکستن یک رکورد جهانی نیست؛ باتری‌ پیشرفته و فناوری نیروی محرکه توسعه‌یافته برای این برنامه کاربردهای هیجان‌انگیزی برای بازار حمل‌ونقل هوایی شهری دارد.

تلاش‌های ناسا و بوئینگ

رولز رویس تنها شرکتی نیست که فناوری هواپیمای الکتریکی را دنبال می‌کند، مهم نیست که چقدر سریع‌تر از رقبا است. از استارت‌آپ‌های کوچک تا پیشتازان صنعت، حتی ناسا، شرکت‌ها و دولت‌ها در سراسر جهان برای توسعه هواپیماهای الکتریکی تجاری که هم برای پروازهای مسافربری و هم پروازهای حمل بار مناسب باشند، رقابت می‌کنند.

برای مثال شرکت Bye Aerospace یک هواپیمای آموزشی برقی با دو صندلی می‌سازد که eFlyer نام دارد و از نظر عملکردی مانند eAircraft از Diamond Aircraft است. سازنده هواپیمای اسلوونیایی، Pipistrel از سال 2018 هواپیمای Alpha Electro (آلفا الکترو) 140 هزار دلاری را فروخته است. آلفا الکترو اولین هواپیمای برقی است که گواهینامه FAA (اداره هوانوردی فدرال) دریافت کرده است.

ازسوی‌دیگر غول‌های هوافضا مانند ایرباس را می‌بینید که Air Race E را توسعه می‌دهند و این شرکت ادعا می‌کند این هواپیما اولین سری هواپیمای تمام الکتریکی مسابقه‌ای در دنیا است و وقتی اواخر امسال شروع به کار کند، تولیدکنندگانی مانند سیتی ایرباس یک هواپیمای الکتریکی با قابلیت برخاست و فرود عمودی (eVTOL) با چهار صندلی خواهند داشت.

این وسایل حمل‌ونقل الکتریکی با قابلیت نشست و برخاست عمودی مانند مدل مفهومی تک‌سرنشین کادیلاک، هواپیمای خودساز جتسون آئرو، محصول چینی ایهانگ آآو، طرح تاکسی هوایی اوبر یا طرح تاکسی هوایی در حال پیشرفت وولوکوپتر (Volocopter)، به گزینه‌ای محبوب برای سفرهای هوایی بدون سوخت فسیلی تبدیل شده‌اند.

متأسفانه علی‌رغم همه تحقیقات در این حوزه و تبلیغات پیرامون سفرهای هوایی برقی، بسیاری از کارشناسان حداقل برای هواپیماهایی با مقیاس بزرگ مانند بوئینگ 787 یا ایرباس 350A، نسبت به پذیرش گسترده آن دست‌کم تا چند دهه دیگر نامطمئن و مشکوک مانده‌اند.

تا وقتی که فناوری‌های باتری به اندازه کافی قوی شوند، ما به‌احتمال‌زیاد خواهیم دید که هواپیماهای الکتریکی با قابلیت برخاست و فرود عمودی در آینده حتمی به وظایف کوتاه‌مدت درون‌شهری محدود می‌شوند و در نهایت به سفرهای بین‌شهری و جت‌های مسافربری منطقه‌ای گسترش می‌یابد. بااین‌حال ترافیک را شکست می‌دهد.

5965