Τεχνολογίες Ηλεκτρικής Πρόωσης Αεροσκαφών

Εισαγωγή
Η ηλεκτρική πρόωση στον τομέα της αεροπλοΐας, που ηγείται της παγκόσμιας προσπάθειας για περιβαλλοντική βιωσιμότητα, δεν είναι πλέον ένα μακρινό όνειρο. Οι αεροπορικές εταιρείες προσπαθούν να επιτύχουν το σημείο ισορροπίας, σε έναν κλάδο όπου τα περιθώρια κέρδους μπορεί να είναι ελάχιστα και τα καύσιμα αντιπροσωπεύουν σχεδόν το ήμισυ του λειτουργικού κόστους, γεγονός που την καθιστά μία από τις πιο περιζήτητες μεθόδους για τη μείωση των γενικών εξόδων.

Ένα πλήρως ηλεκτρικό αεροπλάνο, τροφοδοτείται αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές, αντί για ορυκτά καύσιμα. Τα ηλεκτρικά αεροσκάφη αναμένεται να είναι ιδανικά για σύντομες πτήσεις έως και αρκετές εκατοντάδες μίλια, ενώ ο σχεδιασμός τους εξαλείφει μεγάλο μέρος του βάρους που σχετίζεται με τα καύσιμα. Αν και απέχουμε ακόμη πολύ από την ευρεία υιοθέτηση της τεχνολογίας των πλήρως ηλεκτρικών αεροσκαφών, λόγω των σχετικά χαμηλών επιδόσεων σε σύγκριση με τα παραδοσιακά, ο συνδυασμός τωρινών και μελλοντικών τεχνολογιών, ανάλογα με τις απαιτήσεις χρήσης του αεροσκάφους, μπορεί να προσφέρει σημαντικά αποτελέσματα.

Είδη ηλεκτρικής πρόωσης

• Στροβιλοηλεκτρικά αεροσκάφη: Ένας αεριοστρόβιλος κινεί μια ηλεκτρική γεννήτρια, η οποία παρέχει προωθητική ισχύ χωρίς τη χρήση μπαταριών [1].
• Πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη: Χρησιμοποιούν μπαταρίες [1] ή κυψέλες υδρογόνου [2] για να τροφοδοτήσουν τους ηλεκτροκινητήρες.
• Υβριδικά αεροσκάφη: Συνδυάζουν θερμικούς κινητήρες και ηλεκτροκινητήρες [1].

Στροβιλοηλεκτρικά αεροσκάφη

Στην στροβιλοηλεκτρική διαμόρφωση, ένας αεριοστρόβιλος κινεί μία ηλεκτρική γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στην συνέχεια προς τους μετατροπείς ισχύος, σε επιμέρους ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος, ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ισχύς για την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan). Να σημειωθεί πως ο αεριοστρόβιλος συνδέεται απευθείας με την ηλεκτρική γεννήτρια, με συνέπεια να χρησιμοποιείται το σύνολο της ισχύος εξόδου του αεριοστροβίλου για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και δεν περιλαμβάνονται συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (βλ. Εικόνα 1).

Πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη

Τα πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη αποτελούν μία εφικτή λύση για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους, για πτήσεις μικρών αποστάσεων [4]. Η διαμόρφωση ενός πλήρους ηλεκτρικού αεροσκάφους είναι η απλούστερη όσον αναφορά τη διάταξή της.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αποτελούν την μοναδική πηγή ενέργειας και συνδέονται απευθείας με έναν ηλεκτρικό κινητήρα, μέσω ενός συστήματος διαχείρισης ισχύος που κινεί την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan) (βλ. Εικόνα 2). Οι μπαταρίες δε μπορούν να φορτίσουν κατά την διάρκεια της πτήσης, όπως στην υβριδική διαμόρφωση που θα αναφερθεί παρακάτω, με συνέπεια να πρέπει να φορτίζονται στο έδαφος πριν από κάθε πτήση.

Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου καταναλώνουν υδρογόνο στην άνοδο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, και οξυγόνο (συχνά με τη μορφή ατμοσφαιρικού αέρα) στην κάθοδο, το θετικό ηλεκτρόδιο. Τα ηλεκτρόνια από το υδρογόνο αποσπώνται και ρέουν μέσω του κυκλώματος, τροφοδοτώντας το ηλεκτρικό φορτίο. Σε μια κυψέλη υδρογόνου τύπου PEM (polymer electrolyte membrane), τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου ρέουν μέσω του ηλεκτρολύτη και συναντώνται με το οξυγόνο και τα ηλεκτρόνια στην κάθοδο, σχηματίζοντας νερό. Σε μια κυψέλη τύπου SOFC (solid-oxide fuel cell), τα ηλεκτρόνια συναντούν το οξυγόνο στην κάθοδο, σχηματίζοντας αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου. Αυτά τα ιόντα οξυγόνου ρέουν μέσω του κεραμικού ηλεκτρολύτη πίσω στην άνοδο, όπου συναντούν τα ιόντα υδρογόνου και παράγουν νερό [2] (βλ. Εικόνα 3).

Το ρεύμα είναι άμεσα ανάλογο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που ρέουν μέσω του κυκλώματος. Όσο πιο γρήγορα συμβαίνει η αντίδραση, τόσο περισσότερο ρεύμα παράγεται. Η αντίδραση συμβαίνει στη διεπαφή του ηλεκτροδίου, του ηλεκτρολύτη και του υδρογόνου ή του οξυγόνου. Ένα μεγαλύτερο στοιχείο έχει περισσότερες θέσεις αντίδρασης και, επομένως, μπορεί να παράγει περισσότερο ρεύμα [2].

Οι κυψέλες υδρογόνου, βέβαια, πρέπει να υπερβούν τις δικές τους τεχνικές προκλήσεις. Η ειδική ενεργειακή πυκνότητα του υγρού υδρογόνου είναι σχετικά χαμηλή και οι σημερινές κυψέλες καυσίμου δεν μετατρέπουν το καύσιμο σε ηλεκτρική ενέργεια με υψηλή απόδοση. Αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα υγρού υδρογόνου που απαιτείται για την πρόωση ενός εμπορικού αεροσκάφους θα καταλάμβανε τόσο πολύ όγκο, που ο χώρος για φορτίο ή επιβάτες θα περιοριζόταν σημαντικά [5].

Επιπλέον, η αποθήκευση του υδρογόνου σε υγρή μορφή, απαιτεί θερμοκρασίες της τάξης των -253 °C. Αυτές οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβάλουν την αυστηρή και ιδιαίτερα προσεκτική επιλογή υλικών για τις δεξαμενές, τις σωληνώσεις, τις βαλβίδες, τις αντλίες και άλλα εξαρτήματα του συστήματος καυσίμου των αεροσκαφών. Ωστόσο, η θερμοκρασία είναι μόνο ένα μέρος του προβλήματος. Το υδρογόνο, καθώς είναι το μικρότερο στοιχείο που απαντάται στη φύση, μπορεί να διεισδύσει ευκολότερα στα υλικά με την πάροδο του χρόνου και να αυξήσει την ευθραυστότητά τους. Τέλος, πιθανές απότομες πτώσεις πίεσης του συστήματος, μπορούν να προκαλέσουν διαστολή του υδρογόνου και να καταστρέψουν φλάντζες και άλλα υλικά [5].

Υβριδικά αεροσκάφη

Στη σειριακή υβριδική διαμόρφωση, ο αεριοστρόβιλος είναι αποσυνδεδεμένος από τον άξονα της έλικας ή του ανεμιστήρα (fan), ο οποίος κινείται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα. Η διαμόρφωση είναι παρόμοια με τη στροβιλοηλεκτρική, με την διαφορά ότι μία μπαταρία αποθηκεύει ενέργεια και συμβάλλει στην πρόωση. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3, μια γεννήτρια χρησιμοποιείται για να μετατρέψει την μηχανική ενέργεια από τον αεριοστρόβιλο σε ηλεκτρική ενέργεια. Στην συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την κίνηση των ηλεκτροκινητήρων ή να αποθηκευτεί στις μπαταρίες [4] (βλ. Εικόνα 4). 

Δεδομένου ότι δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ της έλικας και του αεριοστροβίλου, ο αεριοστρόβιλος μπορεί να λειτουργεί με την μέγιστη απόδοση σε όλη την διάρκεια της πτήσης. Στην παράλληλη υβριδική διαμόρφωση, ο ηλεκτροκινητήρας και ο αεριοστρόβιλος είναι τοποθετημένοι σε έναν κοινό άξονα για να κινήσουν την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan) [4] (βλ. Εικόνα 5).

Η εν λόγω διαμόρφωση απαιτεί λιγότερα ηλεκτρικά εξαρτήματα σε σχέση με την αντίστοιχη σειριακή, οδηγώντας σε σημαντική εξοικονόμηση βάρους.

Ωστόσο, η παράλληλη διαμόρφωση συνεπάγεται μεγαλύτερη μηχανική πολυπλοκότητα, ενώ και οι κινητήρες δε λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα μέγιστης απόδοσης, με συνέπεια την αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου [4].

Συμπεράσματα

Τα ηλεκτρικά αεροσκάφη, αναμφίβολα, θα αποτελέσουν το μέλλον της αεροπορίας, λόγω της ανάγκης για πράσινη μετάβαση και απανθρακοποίηση του κλάδου. Η ηλεκτρική πρόωση και οι υβριδικές αρχιτεκτονικές, έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενες ιδέες για την επίτευξη των αυστηρών περιβαλλοντικών στόχων που έχουν θέσει οι ρυθμιστικοί φορείς, λόγω της σημαντικής μείωσης εκπομπών ρύπων (ηλεκτρικά αεροσκάφη σχεδόν μηδενικές και υβριδικά μείωση έως 40% σε NO_X και 15% σε CO₂).

Ασφαλώς, υπάρχουν ακόμη αρκετά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν, σε ό,τι αφορά την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών και του υδρογόνου, τα συστήματα αποθήκευσης και διανομής υδρογόνου εντός των αεροσκαφών, την εμβέλεια των πτήσεων, την αναπροσαρμογή στόλων και υποδομών. Έως τότε, διαφαίνεται ότι οι αεριοστρόβιλοι θα συνεχίσουν να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην πρόωση των αεροσκαφών, ειδικά για τις μεσαίες και μεγάλες αποστάσεις.

Βιβλιογραφικές Αναφορές

1. Adu-Gyamfi, B., and Good, C., 2022, “Electric aviation: A review of concepts and enabling technologies”, Transportation Engineering, Elsevier, 9, 100134.
2. Adler, E. J., and Martins, J. R. R. A., 2023, “Hydrogen-powered aircraft: Fundamental concepts, key technologies, and environmental impacts”, Progress in Aerospace Science, Elsevier, 141, 100922.
3. Clean Aviation: Towards Disruptive Technologies for new Generation Aircraft by 2035
4. Zhang, J., Roumeliotis, I., and Zolotas, A., 2022, “Sustainable Aviation Electrification: A Comprehensive Review of Electric Propulsion System Architectures, Energy Management, and Control”, Sustainability, MDPI, 14(10), 5880.
5. ANSYS: Hydrogen Propulsion Systems