هل طائرة ناسا التي تعمل بالكهرباء بالكامل هي مستقبل الطيران الخالي من الانبعاثات؟

ومن المقرر أن تطير الطائرة التجريبية X-57 ، التي طورتها وكالة ناسا ، لأول مرة هذا العام.

لديها 14 مروحة مثيرة للإعجاب على طول أجنحتها ويتم تشغيلها بالكامل بالكهرباء. هذا يبدو رائعًا بالنظر إلى أنه يتعين علينا التخلي عن الوقود الأحفوري ومع ذلك فإن طلبنا على الطيران آخذ في الازدياد. لكن إلى أي مدى ستقربنا طائرة ناسا من هذا الهدف؟

سيكون العثور على بديل لوقود الطائرات مثل الكيروسين أمرًا أساسيًا إذا أردنا مواصلة الطيران. تستخدم X-57 بطاريات الليثيوم لتشغيل المحركات الكهربائية لمراوحها. لكن الطاقة التي تحصل عليها من البطاريات ، بالنسبة إلى وزنها ، أقل 50 مرة مما يمكنك الحصول عليه من وقود الطائرات.

X-57 هي طائرة Tecnam P2006T إيطالية الصنع معدلة بأربعة مقاعد. وهي تعتمد على مزيج من الكثير من المراوح والمحركات الصغيرة والعديد من البطاريات المنتشرة عبر الطائرة ، والمعروفة باسم “الدفع الموزع”. يمثل هذا النهج مجالًا مثيرًا للبحث والتطوير يمكن العثور عليه في العديد من تصميمات الطائرات الكهربائية التجريبية.

الأمر المختلف في X-57 هو إعادة تصميم الأجنحة بالكامل مع وضع المراوح لتحسين تدفق الهواء حولها. عندما لا تكون هناك حاجة إلى مروحة ، يمكن طي ريشها للخلف لتقليل السحب.

إن تقنية المروحة بشكل عام لها ولادة جديدة. لم تصبح التصميمات أكثر كفاءة فحسب ، بل أصبحت أيضًا أقل ضوضاءً وبأسعار معقولة. يمكن أيضًا تغيير سرعة المراوح وزاوية انحدارها أثناء الرحلة للتكيف مع سرعات الطائرات المختلفة المطلوبة للإقلاع والهبوط والإبحار.

تتغير كثافة الهواء مع الارتفاع وتؤثر على الدفع الذي تحصل عليه من المروحة. الآن بعد أن أصبح بإمكاننا صنع مراوح تعمل بفاعلية على جميع الارتفاعات والسرعات ، يمكننا حقًا الحصول على أقصى استفادة من الطاقة المخزنة في البطاريات. يمكن للتصميمات الجديدة ، مثل أول مروحة ذات 11 ريشة (على متن طائرة بايبر شايان) ، تحقيق قوة دفع عالية جدًا حتى في ظل كثافة الهواء العالية.

حتى أن بعض الطائرات تستخدم “الدفع الموجه” من خلال السماح للمحركات والمراوح بالدوران ، مما يعطي خيار الإقلاع والهبوط العمودي. قد تشبه هذه الطائرات المروحيات أكثر من الطائرات ، وقد تعني أن المطارات التقليدية ذات المدارج الطويلة والمحطات الكبيرة ستكون شيئًا من الماضي.

تقنية البطارية

يستخدم X-57 بطاريات ليثيوم أيون جاهزة. وذلك لأن المشروع يعالج في المقام الأول إمكانية تكوين المروحة والجناح الجديد بدلاً من تطوير البطارية المثالية.

لكن هذا سيكون تحديًا مهمًا لمطوري الطائرات الكهربائية للتغلب عليه. تعد بطاريات الليثيوم أفضل ما لدينا حتى الآن ، لكنها لا تزال ثقيلة. معدن الليثيوم خطير أيضًا لأنه يشتعل بسهولة.

هناك مزايا في استخدام البطاريات. يظل وزنهم ثابتًا طوال الرحلة ، مما يعني أنهم لا يحتاجون إلى التخزين في الأجنحة كما كان وقود الطائرات تقليديًا. مع الوقود السائل ، ينخفض ​​وزن الطائرة بشكل كبير حيث يتم استهلاك الوقود ويضمن الاحتفاظ بالوقود في الأجنحة عدم تغيير توازن الطائرة.

ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة حقًا – مقدار الطاقة التي تحتويها البطارية مقارنةً بوزنها أو حجمها – هو ما يهم. تُحرز تطورات جديدة باستمرار ، مثل البطاريات التي تم إنشاؤها على أساس تكنولوجيا الكم. ولكن في حين أن هذه الشحنات أسرع من البطاريات العادية ، فإنها لن تحل محل بطاريات الليثيوم ومن غير المرجح أن تغير احتمالات الطيران بالطاقة الكهربائية.

ما ننتظره حقًا هو ثورة في تكنولوجيا البطاريات ، ثورة تمنح كثافة طاقة مماثلة لوقود الطائرات.

هل X-57 المستقبل؟

مع مدى يبلغ حوالي 160 كم ووقت طيران يبلغ حوالي ساعة واحدة ، لا يُتوقع أن تؤدي الطائرة X-57 إلى تقنية بديلة للطيران لمسافات طويلة. على الأقل ليس على الفور. بدلاً من ذلك ، تعد الرحلات القصيرة التي تقل عشرة ركاب أو نحو ذلك هدفًا جيدًا ومحتملًا للرحلات المبكرة التي تعمل بالبطارية.

تعتبر الطائرات التي تعمل بالطاقة الهيدروجينية أيضًا ذات أهمية كبيرة لأن كثافة طاقة الهيدروجين أكبر بثلاث مرات من كثافة وقود الطائرات التقليدية. لكن الهيدروجين غاز ويجب تخزينه في خزانات وقود مضغوطة لتقليل حجمه.

سيتطلب ذلك إعادة التفكير بشكل كامل في تصميم الطائرة. تم إجراء بعض الأعمال باستخدام الهيدروجين المخزن كسائل عند -253 درجة مئوية. لذلك فإن استخدام الهيدروجين في الطيران مثير ، لكنه غير عملي على الأرجح.

الوقود الاصطناعي جاهز للاستخدام كبديل لوقود الطائرات – بسعر. ربما مع تطور التقنيات ، ستصبح أرخص ، لكن لا يزال من المحتمل أن ترتفع تكلفة الطيران مع الابتعاد عن الوقود الأحفوري. من شبه المؤكد أن البطاريات ستشغل رحلاتنا القصيرة المدى في المستقبل القريب ، وإذا حدثت ثورة في تكنولوجيا البطاريات ، فسيتم تغيير مستقبل الطيران تمامًا.

في النهاية ، سنواجه إنذارًا نهائيًا: إما أن نكتشف كيفية صنع طائرات لا تحتاج إلى وقود أحفوري ، أو نتوقف عن الطيران.

بقلم هيو هانت ، أستاذ ديناميكيات الهندسة والاهتزاز ، جامعة كامبريدج

تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation بموجب ترخيص المشاع الإبداعي. اقرأ المقال الأصلي هنا.