Мир все больше беспокоится о климатических изменениях и углеродном следе. Ветряные генераторы, солнечные панели и другие альтернативные источники энергии находят применения в самых неожиданных отраслях. Вот только главным стопором их развития остается по-прежнему не самая высокая эффективность в сравнении с традиционными источниками.
Однако даже в такой требовательной к затратам энергии сфере, как авиация, уже есть действующие проекты на базе водородного двигателя с практически нулевым выбросом. А главный пионер в этом деле — Бертран Пиккар, сын и внук знаменитых первопроходцев воздухоплавания и глубоководного погружения.
Проект самолета Climate Impulse: беспосадочное кругосветное путешествие
В 2024 году авиаторы Бертран Пиккар и Рафаэль Динелли объявили, что запускают проект самолета с водородным двигателем, на котором вдвоем облетят весь мир. Важный момент: весь полет пройдет на 100% с нулевыми выбросами. По сути, Climate Impulse станет демонстрационным стендом, который покажет, что даже такая «грязная» с точки зрения выбросов отрасль, как авиация, может перейти на новые экологичные рельсы. Ну или хотя бы попробовать.
Самолет для полета будет использовать жидкий водород, хранящийся при температуре -253 ˚С в баках под крыльями. Причем это будет так называемый «зеленый» водород, который получают за счет электролиза воды с помощью возобновляемых источников: энергии солнца, ветра или гидроэлектроэнергии.
Это важно для проекта, поскольку есть разные промышленные методы получения водорода. И сейчас самый распространенный, более 70% всего производимого в мире объема H2 — при помощи паровой конверсии метана, так называемый «серый водород».
Газ реагирует с водяным паром при высокой температуре, и в результате образуется водород и углекислый газ — тот самый, ради снижения выбросов которого все затевается. Использовать его для «чистого» проекта было бы настоящим лицемерием: ежегодно при производстве этим методом выбрасывается до 900 млн тонн CO2.
Дальше небольшая часть хранимого при сверхнизкой температуре водорода выпаривается и пропускается через топливные элементы. Благодаря происходящей в них химической реакции, из «зеленого» водорода» получается электричество. Оно питает электродвигатели мощностью 270 л.с. каждый, вращающие два воздушных винта.
Если кратко, водородный топливный элемент работает так: есть два электрода, разделенных мембраной. Выпаренный водород поступает к аноду, а кислород — к катоду, через воздухозаборники. В электролите происходит реакция, и гидроксид-ионы перемещаются между катализаторами, от катода к аноду. В результате на электродах создается разность потенциалов, и в соединяющей их цепи протекает электрический ток.
Уже есть примерные ТТХ будущего самолета:
Размах крыльев — 34 метра;
Общий вес — 5 500 кг, включая топливо;
Конструкция типа рама;
Потолок — 3 000 метров;
Средняя скорость — 180 км/ч;
Запас хода — больше 40 000 км;
Двухместная кабина.
Водород будет храниться в двух баках объемом по 11 м3 каждый. По предварительным расчетам, этого должно хватить на полностью беспосадочный кругосветный перелет, который займет 9 дней.
В качестве партнеров Пиккар и Динелли смогли привлечь:
Syensqo — бельгийского производителя композитных материалов, который взял на себя изготовление всех частей самолета: фюзеляжа, крыльев, топливных баков с термоизоляцией и так далее.
49Sud — швейцарскую компанию, которая займется силовой частью: водородными топливными элементами и электродвигателями, а также общей сборкой самолета.
Airbus — аэродинамические расчеты.
И еще несколько компаний — полный список можно посмотреть здесь.
Старт проекта запланирован на 2028 год — работа идет. И ее главный вдохновитель — Бертран Пиккар, представитель великой семьи и выдающийся испытатель.
История Бертрана Пиккара: случайное продолжение семейного дела
Бертран Пиккар родился в Лозанне в 1958 году и, как ни странно, в детстве боялся высоты. Но в 16 лет он занялся дельтапланеризмом, чтобы побороть свой страх. И добился значительных успехов: в 1985 году, в возрасте 27 лет, стал чемпионом Европы по высшему пилотажу.
Однако Пиккар не планировал связывать свою жизнь с полетами. В середине 90-х он получил степень доктора медицины в области психологии и открыл частную практику. Но генетика все-таки взяла верх. Поэтому когда его и товарища случайно позвали принять участие в гонках на воздушных шарах, те не смогли отказаться, и… выиграли. После этого Бертран поставил себе амбициозную цель — облететь на воздушном шаре Землю без посадок.
В 1999 году он исполнил свою мечту: с Брайаном Джонсом облетел на воздушном шаре Breitling Orbiter 3. Полет продлился 19 дней, 21 час и 47 минут (рекорд по самому длительному беспосадочному перелету) — за это время шар прошел 40 813 км, что тоже стало рекордом. При этом скорость аппарата достигала 228 км/ч, а высота — 11 с лишним километров
В 2003 году Бертран Пиккар объявил о запуске нового амбициозного проекта — Solar Impulse, самолета-моноплана на солнечных батареях. За техническую сторону вопроса отвечал швейцарский бизнесмен и инженер Андре Боршберг. Самолет был одноместным, длиной 21,8 метров и с размахом крыльев 63,4 метра, при этом весил 1600 кг.
За питание четырех электродвигателей мощностью 7,5 кВт каждый отвечала литий-ионная батарея емкостью 21 кВт*ч. Приводились во вращение четыре воздушных винта диаметром 3,5 метров. Крейсерская скорость составляла 70 км/ч, потолок — до 12 000 метров. Площадь крыла составляла 200 квадратных метров, на которых размещались 11 628 фотоэлектрических элементов, рассчитанных на пиковую мощность 45 кВт. По расчетам, длительность полета могла достигать 36 часов.
В 2009 году первая модель, Solar Impulse 1, была представлена публике на авиабазе Дюбендорф. 3 декабря успешно прошел первый испытательный полет, показавший жизнеспособность концепции.
В 2011-2014 годах был построен самолет Solar Impulse 2, на котором в 2015-2016 году Бертран Пиккар совершил кругосветное путешествие после многочисленных испытаний и доработок. Полет начался 9 марта 2015 года в Абу-Даби, а завершился 23 июля 2016 года в Каире. Всего было 16 остановок на всем маршруте для ожидания лучших погодных условий, отдыха и технического обслуживания.
После успеха предприятия Пиккар создал Всемирный альянс за чистые технологии и продолжал верить, что в любой отрасли можно найти эффективное, выгодное и экологичное решение.
Но как мы уже упоминали выше, такая страсть к полетам у героя нашей статьи в крови. Например, вот чем знамениты другие представители династии Пиккаров:
Огюст Пиккар (дедушка). Разработал первый стратостат FNRS-1 и в 1931 году поднялся на нем в стратосферу, достигнув высоты свыше 15 км. Позже создал аппарат FNRS-2 для глубоководных погружений.
Жак Пиккар (отец). Вместе с Огюстом модернизировал аппарат FNRS-2 и создал батискаф «Триест», на котором Жак 23 января 1960 года погрузился в Марианскую впадину на глубину 10 916 метров.
Жаннет Риддлон-Пиккар. Супруга Жана Пиккара — брата-близнеца Огюста. Первой среди женщин достигла стратосферы в 1934 году.
Дон Пиккар. Один из трех детей Жана и Жаннет Пиккар, в 1963 году первым пересек Ла-Манш на воздушном шаре.
Так что Бертран Пиккар стал достойным продолжателем семейного дела: установил уже не один рекорд и летал на дельтаплане, воздушном шаре и самолете на солнечных батареях. Теперь перед ним новый вызов: кругосветное беспосадочное путешествие на самолете с водородным двигателем. И оглядываясь на предыдущие его достижения и членов его семьи, кажется, у Бертрана есть все шансы.
Будущее проекта водородного самолета
В 2025 году планируется закончить сборку самолета Climate Impulse и провести стендовые испытания модели: силовой установки и аэродинамических характеристик. 2026 год — получить одобрение для проведения испытательных полетов и провести их. И наконец, в 2027 году, после доработок тестовых моделей, начать подготовку пилотов к проведению кругосветного полета, чтобы в 2028 году за 9 дней преодолеть больше 40 000 км без дозаправок.
Вот что в целом о проекте говорит Бертран Пиккар:
«Почему я сейчас вкладываю свое время в проект Climate Impulse? Потому что это — возможность испытать новые технические решения, которые никто никогда не видел. Это способ показать миру, что другое будущее возможно. Мне уже 67 лет, и это — самое важное, что я сделаю за оставшееся время моей жизни».
Конечно, на столь сложном проекте есть множество технических проблем и вызовов. Например:
Проблема 1. Сохранение водорода в жидком состоянии, при -253 ˚С на любых этапах перелета, в том числе в жаркую погоду, под лучами палящего солнца. И для ответа на этот вопрос Пиккар обратился к аэрокосмической компании ArianeGroup, которая вместе с Syensqo сейчас разрабатывает решение на основе опыта производства космических ракет.
Проблема 2. Длительность полета. Большая часть веса самолета приходится на топливные водородные баки. Для работы топливных элементов требуется определенный расход, чтобы получить требуемую мощность. Таким образом, нужно найти баланс между объемом баков, общим весом самолета и расходом водорода, иначе про девять суток непрерывного перелета можно забыть. Не говоря о том, что баки должны быть еще и прочными: любая утечка водорода может быть фатальна.
По словам Пиккара, Syensqo частично решило эту проблему: самолет из углеродного волокна уже получается на 10% легче, чем ожидалось, при этом прочность соответствует предварительным спецификациям.
Проблема 3. Топливо и катализаторы. Сейчас объемы производства «зеленого» водорода катастрофически маленькие — менее 0,4% от общего объема производства. Соответственно, его стоимость примерно в 25 раз больше. Это делает себестоимость перелетов просто огромной, а объемы, которые дадут новые электролизные заводы, не покроют потребности и малой доли требуемого авиапарка. Всему виной — относительно низкая эффективность возобновляемых источников энергии.
Другая проблема — в катализаторах нужны очень дорогие металлы платиновой группы (МПГ): палладий и платина. Тем более есть опасения, что их запасов в мире хватит, чтобы покрыть весь объем рынка средств передвижения на водородных элементах. И это неизбежно приводит к еще большему удорожанию.
Например, по этой причине Airbus (партнер Пиккара в проекте) ухудшило прогноз по срокам появления их пассажирского самолета ZEROe на водородном топливе, способного перевозить до 100 пассажиров на расстояние до 1800 км. Вместо 2035 года теперь речь идет о 2050 годе. Это не говоря о еще одном свежем примере — рынке автомобилей на водородных элементах, за 9 лет не показавшем бурного роста.
Конечно, это далеко не все проблемы. Но Бертран Пиккар уверен, что они смогут преодолеть все трудности. Цитата:
Водород — интересное топливо с точки зрения плотности энергии. И оно абсолютно чистое с точки зрения углеродного следа. А еще для полета используются бесшумные электродвигатели, и у аэропортов будет меньше проблем с соседями (ха-ха).
<...> Конечно, проект многие критикуют. «Водород и связанная с ним технология слишком дорогая и сырая. А еще придется менять всю инфраструктуру и авиапарк. Ни у кого в мире нет на это свободных денег». А я отвечаю этим критикам: «Конечно, будет сложно. Но когда-то мобильный телефон стоил 15 000 долларов и был размером с чемодан. А сейчас у всех в кармане компактные легкие штуки, хотя прошло каких-то 20-25 лет. Нужно с чего-то начинать».
Тем более в авиационной индустрии есть и свежие примеры удачного использования водородных двигателей для летательных аппаратов. 24 июня 2024 года самолет компании Joby пролетел 840 км с использованием водородного топливного элемента.
Увидим ли мы в 2028 году кругосветный перелет Climate Impulse c Бертраном Пиккаром за штурвалом, которому исполнится 70 лет? Посмотрим.
Конечно, искренне хочется, чтобы у этого смелого энтузиаста все получилось, как и в прошлый раз. Ведь на самолете с солнечными батареями он смог облететь земной шар, хотя в 2000-х в этом многие сомневались.
Но пока что перспектива водородных двигателей для авиации (и не только) в ближайшие 10-20 лет выглядит довольно туманной.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
