Europa szykuje się na rewolucję z lotnictwie. Walka z ogniem i dźwiękiem

Obecne lotnictwo opiera się na paliwach kopalnych, takich jak kerozyna (nafta lotnicza), które odpowiadają za emisję dużej ilości CO2 – szacuje się, że samoloty emitują około 3 proc. globalnych gazów cieplarnianych. W obliczu kryzysu klimatycznego, przemysł lotniczy potrzebuje alternatyw, które zminimalizują wpływ na środowisko. Wodór wydaje się być odpowiedzią – jego spalanie nie emituje CO2, co czyni go "paliwem przyszłości" dla bezemisyjnych podróży.

Europa już przygotowuje się do latania neutralnego dla klimatu z wykorzystaniem wodoru. W zeszłym roku Unia Europejska ogłosiła projekt mający na celu wsparcie przemysłu i uczelni w opracowaniu napędzanego wodorem samolotu średniodystansowego. Na nowe paliwo trzeba będzie przestawić między innymi silniki odrzutowe. Dzisiejsze silniki są zoptymalizowane pod kątem spalania nafty.

Eksperymenty przeprowadzone przez zespoły naukowców z ETH Zurich stanowią ważny krok w kierunku budowy europejskiego silnika dla samolotów na wodór. Wyniki badań szwajcarskich badaczy zostały opublikowane w czasopiśmie Combustion and Flame.

Więcej o samolotach przyszłości przeczytasz na Spider's Web:

Jednym z problemów przy projektowaniu silników lotniczych są wibracje, które inżynierowie starają się ograniczyć: w komorze spalania silnika odrzutowego znajduje się około dwudziestu wtryskiwaczy paliwa ułożonych w pierścień. Tam spalane jest paliwo, co powoduje powstawanie fal dźwiękowych.

Fale dźwiękowe odbijają się od ścian komory spalania i wpływają na płomienie. Wibracje, które mogą powstać w wyniku wzajemnego oddziaływania fal dźwiękowych i płomieni, powodują duże obciążenie silnika. Powoduje to zmęczenie materiału, co w najgorszym przypadku doprowadzi do pęknięć i uszkodzeń.

Kiedy inżynierowie opracowywali dzisiejsze silniki lotnicze na naftę, musieli zapanować nad tymi wibracjami. Osiągnięto to poprzez optymalizację kształtu płomieni oraz geometrii i akustyki komory spalania.

Rodzaj paliwa ma duży wpływ na interakcję pomiędzy dźwiękiem i płomieniem. Inżynierowie i badacze muszą zatem teraz zadbać o to, aby w nowym silniku wodorowym nie występowały wibracje.

I to właśnie jest przedmiotem badań w obiekcie testowo-pomiarowym w ETH Zurich, gdzie mierzony jest poziom akustyki płomieni wodorowych.

Zespół badawczy Noiraya przeprowadza szczegółowe eksperymenty, które mają pomóc w rozwoju nowoczesnych, wodorowych silników odrzutowych. Dzięki ich badaniom naukowcy są w stanie przewidzieć, jak wodór zachowuje się w różnych warunkach – w tym w ekstremalnych temperaturach i przy wysokich ciśnieniach, jakie występują w silnikach odrzutowych.

Te informacje są niezbędne, aby opracować technologie, które zagwarantują silnikom wodorowym wysoką moc, długowieczność i bezpieczeństwo.

W swoich eksperymentach naukowcy badali pojedynczą dyszę wtryskową. Następnie wykorzystali swoje dane do modelowania zachowania akustycznego licznych dysz znajdujących się w silniku. Badanie pomaga inżynierom zoptymalizować wtryskiwacze i utorować drogę działającemu silnikowi wodorowemu. Za kilka lat powinien być on gotowy do wstępnych testów na ziemi.

Większość pojazdów można zelektryzować za pomocą akumulatorów. Baterie są jednak zbyt ciężkie dla potężnych samolotów. Energię potrzebną do przetransportowania 200 pasażerów na tysiące kilometrów w powietrzu można zmagazynować w postaci wodoru w zbiorniku chłodzącym o masie co najmniej 30 razy mniejszej niż byłoby to możliwe w akumulatorze.

W przypadku samolotów pasażerskich i cargo jedyną alternatywą dla dzisiejszej nafty są paliwa syntetyczne. Spośród paliw syntetycznych wodór jest najbardziej zrównoważonym ekonomicznie paliwem.

W zależności od wielkości i zasięgu omawiane są dwa różne napędy wodorowe. W przypadku mniejszych samolotów regionalnych o małej prędkości przelotowej i zasięgu wodór znajdujący się na pokładzie można przekształcić w energię elektryczną w ogniwie paliwowym. Napędza to śmigło za pomocą silnika elektrycznego.

Jednak ogniwa paliwowe nie nadają się do samolotów komercyjnych o dużym zasięgu, ponieważ są zbyt duże i zbyt ciężkie. W przyszłości takie samoloty będą napędzane silnikami odrzutowymi wykorzystującymi wodór jako paliwo. Nad rozwojem takich napędów pracuje obecnie kilka konsorcjów przemysłowych.

Mimo że technologia wodorowa nabiera rozpędu, minie jeszcze kilka lat, zanim wejdzie do użytku na masową skalę. Eksperci przewidują, że pierwszy wodorowy samolot pasażerski mógłby wystartować na krótkich trasach już w latach 2030.

Czy przyszłość lotnictwa będzie należeć do wodoru? Wszystko wskazuje na to, że tak – badania ETH Zurich dają temu solidne podstawy naukowe. Turbiny wodorowe mogą nie tylko radykalnie zmienić sposób podróżowania, ale także pomóc w walce z globalnym ociepleniem.