Pohon letadel budoucnosti

Za největšího nepřítele ovzduší jsou považována fosilní paliva. V brzké budoucnosti by je už neměla používat auta ani elektrárny. Vůbec se však nemluví o pohonu letadel, která ovzduší také notně zamořují. Dočkáme se tedy i letounů na elektrický či vodíkový pohon?

Ptá se Marie Fronková, Žirovnice

Postupující ohřívání naší planety a s ním související globální změna klimatu je současnou největší výzvou. Věda, technika, inženýrství a politika reagují technickými a politickými opatřeními zaměřenými na zajištění udržitelného života na planetě. Jedním z hlavních faktorů, kterými civilizační rozvoj ovlivňuje růst teploty a klimatickou změnu, je produkce skleníkových plynů, oxidu uhličitého (CO₂) ze spalování fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu) v průmyslu, domácnostech a dopravě. K dalším faktorům patří exhalace metanu zemědělskou produkcí, těžbou ropy, zemního plynu a jejich dopravou.

Téměř čtvrtinu provozních nákladů vynakládají letecké společnosti na pohonné hmoty. V roce 2019 to bylo 23,7 %, což představovalo 13% nárůst oproti roku 2001. Podíl pravděpodobně dále poroste s tím, jak se budou zvyšovat ceny pohonných hmot. Sama o sobě je to současně hlavní motivace pro celý průmysl, aby se zaměřil na účinnost paliva. Poznámky: A) Odhad z období před vypuknutím koronaviru. B) Odhadovaný údaj z roku 2021. Graf podle Statista 2022

Emise z letectví představují 2,1 % celosvětových emisí (obr. 2), ale po započtení jiných vlivů, než jsou emise CO₂, přispívá letectví ke globálnímu oteplování odhadem 4,9 %.¹⁾ Smyslem změn v leteckém průmyslu proto nejsou jen nulové emise CO₂, ale obecně nulové účinky na globální změnu klimatu. Jde o cíl, který je součástí úsilí politiků dosáhnout do roku 2050 uhlíkově neutrální ekonomiky. Pokud jde o letadla a jejich emise, úsilí inženýrů se nyní soustředí na změny pohonné jednotky letounů. Záměrem je snížit spotřebu leteckého petroleje, pocházejícího z ropy, zejména zlepšováním tahové účinnosti dvouproudových motorů. Cestou je zvyšování jejich obtokového poměru (zvětšování průměru ventilátoru, tedy průměru turbínového motoru) a zvyšování tepelné účinnosti turbínových motorů (zvyšování tlakového poměru a teploty hnacích plynů). Aby toho mohli konstruktéři docílit, zlepšují současně aerodynamickou účinnost letounů (obr. 1) sloučením pohonných jednotek a draku letounu. Dalším opatřením, ovlivňujícím příznivě spotřebu paliva, je snížení hmotnosti konstrukce letounů výraznějším využitím lehkých konstrukčních materiálů, jako jsou kompozitní vláknové materiály s uhlíkovými, skleněnými a aramidovými vlákny. K snížení spotřeby paliva v letecké dopravě přispívá také inteligentní řízení letecké dopravy, napřimování tras a zkracování přepravního času.

Uhlíková stopa vybraných druhů dopravy na kilometr cesty v roce 2018. Graf podle Statista 2022

Biopaliva jako slepá ulička

I maličkosti dokážou zázraky. Křidélka (winglety) na koncích hlavních nosných ploch letadel nejsou ozdoba, jejich dodatečná montáž na již provozovaná letadla zabránila jen od roku 2000 vzniku celkem 80 milionů tun CO₂. To je stejné množství oxidu uhličitého, jaké všechna letadla světa vyprodukují za tři dny, 15 hodin a 36 minut.  volné dílo, CC0

Aby letadla snížila množství vypouštěného oxidu uhličitého, vznikajícího při spalování fosilních paliv, přimíchávají se do leteckého petroleje (ale i automobilových paliv) alternativní paliva vyráběná z obnovitelných biologických zdrojů. Biosložka v leteckém petroleji obvykle tvoří méně než 10 % objemu. Kvůli materiálové kompatibilitě biopaliva s konstrukcí palivové soustavy smí biosložka tvořit maximálně 50 % objemu.

Z hlediska zachování udržitelného života je ale využívání biopaliv pro dopravu kontraproduktivní, proto se používají v pozemní, námořní a letecké dopravě velmi omezeně. Navíc množství sluneční energie, akumulované na celé planetě v ústrojných látkách rostlin, zdaleka není schopno pokrýt potřeby leteckého průmyslu. Problémem je tu mimo jiné i fakt, že zdrojem takové energie jsou převážně plodiny, jejichž využití jako zdroje leteckého paliva by bylo v konfliktu s potřebou zajištění výživy obyvatelstva. Diskutabilní je navíc i účinnost výrobních technologických procesů výroby takového paliva. Zvyšování rozlohy zemědělských ploch jako zdroje biopaliv způsobuje značnou devastaci přírodních zdrojů a druhové různorodosti, které jsou podmínkou udržitelného života.

Emise CO₂ z letecké dopravy sice nejsou v porovnání s automobilovou dopravou tak vysoké, představují ale nejrychleji rostoucí zdroje emisí, přispívajících ke změně klimatu. Graf s využitím dat Mezinárodní energetické agentury (IEA) za rok 2018 podle ATAG

Je tak zřejmé, že současný trend snižování množství do atmosféry vypouštěného oxidu uhličitého zvyšováním podílu biologické složky ve směsi s fosilním palivem má zásadní omezení a je slepou uličkou. Proto je i v oblasti letecké dopravy v současné době výzkum a vývoj zaměřen na jiný obnovitelný zdroj energie pro pohon, kterým může být energie akumulovaná v elektrickém akumulátoru na palubě letadla a čistě elektrická pohonná jednotka. Vhodnými zdroji elektrické energie jsou v takovém případě sluneční záření a solární panel s fotovoltaickými polovodičovými články nebo energie větru, vodních toků či mořských proudů a zdrojem energie pak větrné nebo vodní turbíny. Jinou možností je využití takzvaného zeleného vodíku, produkovaného rozkladem vody s pomocí elektrické energie vytvořené slunečním zářením.

Nadějný, ale komplikovaný vodík

Využít vodík k pohonu letadla lze dvěma způsoby. Prvním je pohon v turbínovém motoru plynem, uloženým v nádržích buď v plynném, nebo kapalném stavu. Komplikací je velmi nízká hustota vodíku, a to i v kapalném skupenství, která vyžaduje zcela odlišnou konstrukci letounu. Hlavní výzvou je objem palivových nádrží, které pro zajištění daného doletu musí být v porovnání se stávajícími několikanásobně větší. Další komplikaci představuje vypařování kapalného vodíku v nádržích. Přebytek výparu nad spotřebou motorů je nutné opět zkapalnit a do nádrží vrátit, což představuje značnou konstrukční komplikaci. Vývojem velkých dopravních letadel s vodíkovým pohonem se mezi světovými výrobci zabývají především Airbus a Boeing a na výzkumu pracují renomované výzkumné ústavy NASA, ONERA a další.

Letoun ALIA-250 má v cestovní verzi místo pro pět cestujících a pilota. Dokáže startovat a přistávat vertikálně, poté přejde do horizontálního letu, při němž dokáže vyvinout rychlost až 270 km/h. Baterie, umístěné pro snížení těžiště pod pilotní kabinou, dovolují dolet do vzdálenosti 463 km. Opětovné nabití trvá přibližně 50 minut. Prvním zákazníkem, který si letoun objednal, je americká biotechnologická společnost United Therapeutics, zabývající se vývojem umělých orgánů. Stroje chce využít k distribuci lidských orgánů.Snímek Brian Jenkins, BETA Technologies

Druhou možností využití vodíku pro pohon dopravních prostředků je transformace chemické energie vodíku na energii elektrickou. Zařízení známé jako palivový článek slučuje atmosférický kyslík s ionty vodíku produkovanými průchodem tohoto plynu polymerní membránou, ve které se oddělují jádra atomů vodíku od elektronů. Podmínkou této metody je dodání elektronů z elektrického okruhu zásobovaného elektrickou energií palivového článku. Pohonnou jednotkou je pak elektromotor, jehož účinnost je ve srovnání s tepelným spalovacím motorem více než dvojnásobná.

Krok po kroku k pokroku

V současné době se vývoj letadel se sníženými exhalacemi oxidu uhličitého soustřeďuje na malá vrtulová dopravní letadla s krátkým a středním doletem. Pro jejich pohon se využívají dva principy. Prvním je hybridní systém pístového spalovacího motoru a elektromotoru v různých konfiguracích, zajišťující vzlet letounu s využitím výkonu obou motorů a v cestovním režimu čerpající energii pouze z elektrického akumulátoru. Druhým principem je čistě elektrický pohon letounu s doletem 150 až 400 kilometrů.

Jako příklad praktického pokroku v této oblasti uvedu dvě americké startupové firmy – AMPAIR s přestavěným hybridním pohonem letounu Cessna 337 Skymaster a BETA TECHNOLOGIES s čistě elektrickým letounem s kolmým startem a přistáním ALIA-250 (obr. 4) o maximální vzletové hmotnosti 2720 kg, užitečném zatížení 630 kg a doletu 400 km při cestovní rychlosti 270 km za hodinu.

Hybridní křídlové tělo N3-X má mít nižší parazitní aerodynamický odpor, spotřebu paliva, emise škodlivin a hlučnost, současně má mít i pevnější konstrukci. Na konceptu nyní americký NASA testuje v počítačových simulacích a aerodynamických tunelech, zda se očekávané výhody v praxi skutečně projeví. Snímek NASA

Pro dlouhodobou perspektivu vývoje hledají konstruktéři pro dobu po roce 2050 nové koncepce letounů středního a dlouhého doletu pro 150 až 300 cestujících. Nové řešení má sloučit trup letounu s křídlem a vytvořit aerodynamicky výhodnější tvar (angl. blended wing body, obr. 3). Letadla by měla mít nový systém pohonu s větším počtem elektricky poháněných ventilátorů rozložených v odtokové části hřbetní strany trupu (angl. distributed propulsion), kde budou odsávat mezní vrstvu vzduchu, a tak zlepšovat aerodynamickou účinnost letounu. Zdrojem elektrické energie pro pohon by podle autorů konceptu měly být dva velké turbínové motory, umístěné spolu se supravodivými elektrickými generátory na koncích křídel. Vodík pro pohon turbínového motoru by si letoun nesl ve zkapalněné podobě (k uchování vodíku v tomto stavu je zapotřebí udržet teplotu pod –253 °C), což by rovněž dovolilo ochlazovat jím elektrické vodiče na teplotu, při níž je materiál vodičů elektricky supravodivý. Díky tomu by se dal zmenšit průřez vodičů a snížit hmotnost celého letounu.