O echipă de ingineri din SUA a creat cel mai mare motor de avion care foloseşte hidrogenul lichid pentru a-şi extrage energia necesară propulsiei

Dacă lumea automobilelor are maşinile electrice drept direcţie principală de dezvoltare, cu avantaje clare de eficienţă a acestei tehnologii în faţa altora, precum hidrogenul, atunci în lumea aviaţiei lucrurile sunt mai dificile, din cauza limitărilor de greutate şi autonomie pe care trebuie să le aibă un avion. Avioanele electrice cu baterii există deja fie sub formă de prototipuri de studiu, fie lansate ca mici modele cargo, dar bateriile cântăresc foarte mult şi asta le menţine la dimensuni mici, cu o sarcină utilă foarte redusă. Aşa că tehnologiile de alternativă, precum combustibilii sintetici sau hidrogenul sunt mult mai atractive în aviaţie, pentru că importanţa densităţii energetice a mediului în care e stocată energia e crucială. Acum o echipă de ingineri din SUA, de la startup-ul Universal Hydrogen, a creat şi testat cu succes cel mai mare şi mai puternic motor de avion, parte a unui sistem de propulsie ce va folosi hidrogenul lichid drept sursă primară de energie.

Hidrogenul conţine de 3 ori mai multă energie per kilogram decât combustibilul de aviaţie, spun inginerii, iar acest fapt îl face soluţia cea mai tangibilă şi mai apropiată ce poate fi implementată pentru o aviaţie cu zero emisii. Şi asta inclusiv datorită faptului că limitările sunt mai mici şi mai uşor de depăşit decât la avioanele electrice cu baterii.

Însă această calitate a hidrogenului de a stoca atât de multă energie e un avantaj atât timp cât hidrogenul poate fi menţinut în stare lichidă, iar volumul necesar de stocare e mic. Dacă acesta devine gazos, raportul de energie pe kilogram rămâne acelaşi, doar că volumul necesar stocării creşte foarte mult, până acolo unde o mare parte din avion ar trebui să fie ocupat de rezervoare de stocare. Deci, pentru ca hidrogenul să poată fi folosit fără exagerări volumetrice, e nevoie ca acesta să fie lichid, doar că hidrogenul devine lichid abia la -253 grade Celsius. Iar asta înseamnă că e nevoie de izolare termică foarte avansată a rezervorului de stocare, plus consum de energie pentru un sistem criogenic, care să asigure această temperatură.

Partea bună la avioane e că la altitudine mare temperatura din jurul lor poate fi de -55 grade Celsius, aşa că sistemul criogenic va consuma mai puţină energie în aer decât la sol ca să menţină temperatura necesară.

Ei bine, sistemul de propulsie creat de cei de la Universal Hydrogen presupune un sistem de stocare a hidrogenului în formă lichidă, cu tot cu partea criogenică. Pe parcursul propulsiei, din rezervorul de stocare lichidă sunt pompate cantităţi de hidrogen printr-o conductă spre un schimbător de căldură, în care circulă şi un agent de refrigerare ce preia căldură de la motor. Astfel, hidrogenul lichid se transformă rapid în formă gazoasă. De aici prin conducte hidrogenul gazon ajunge la instalaţii cu pile de combustie, sau celule electrochimice de hidrogen, unde are loc reacţia de oxidare a acestuia cu degajarea de electricitate şi vapori de apă. Practic, aici are lor acelaşi proces ca şi în pilele de combustie ale unei Toyota Mirai, doar că totul e la altă scară de putere.

Electricitatea generată de pilele de combustie ajunge într-un sistem electric cu o baterie cu rol de tampon, iar din acest sistem electric e alimentat şi cel mai puternic motor electric de avion din lume, care e parte a unui sistem de propulsie cu hidrogen. Acest motor are 1 MW putere, deci 1.360 CP.

Foto: Electromotorul cu instalaţiil de pile de combustie alăturate

Electromotorul a fost de curând testat pentru prima dată în funcţionare reală, timp de 40 minute în continuu, de rând cu întreg sistemul de alimentare, stocare a hidrogenului lichid, transformare a lui în gaz şi trecere prin pile de combustie şi generare de electricitate. Şi totul a funcţionat ireproşabil, demonstrând viabilitatea creaţiei inginereşti într-un prim test la sol.

Tot sistemul e proiectat pe module, cu ideea că sistemul de pile de combustie va fi încorporat eventual în construcţia apropiată unui motor, iar sistemele de stocare lichid şi conversie la hidrogen gazos sunt în module separate, care pot fi poziţionate în interiorul fuzelajului unui avion, eventual la nivelul inferior. Un asemenea modul poate stoca aproximativ 200 kg de hidrogen lichid. Un avion care ar avea două motoare cu instalaţii aferente de pile de combustie şi două module de stocare a hidrogenului ar putea avea o autonomie de 500 mile nautice, spun inginerii, echivalentul a 926 km, pe baza unui avion de talia lui ATR72, fără a lua în calcul rezervele obligatorii adiţionale de autonomie, stipulate de standardele în aviaţie.

Asta înseamnă că 400 kg de hidrogen ar asigura în mod realist cam 1.100 km, dacă includem şi rezervele, ceea ce rezultă într-un consum mediu de circa 36,4 kg/100 km. Dacă luăm în calcul că la o producţie la cară industrială mare a hidrogenului de consumă între 57 şi 62 kWh/kg, atunci avem un echivalent între 2,07 MWh/100 km şi 2,26 MWh/100 km. E o cifră mai mare decât la avioanele electrice, bineînţeles, dar aici contează mai mult că o autonomie reglementată de 926 km ar deveni în sfârşit posibilă, cifră care e deocamdată imposibil de atins cu avioane electrice cu baterii.

Aici trebuie să spunem că şi Airbus de curând a dezvoltat cea mai puternică instalaţie de pile de combustie cu hidrogen pentru aviaţie, de 1,2 MW putere maximă, dar motorul de le Airbus are doar 500 kW putere. Şi creaţii de principiu similar mai există la scară mai mică şi la startu-up-ul H2Fly. Însă ceea ce au reuşit să creeze cei de la Universal Hydrogen pare cel mai avansat spre o eventuală producţie de serie şi, desigur, e vorba şi de cel mai mare şi mai puternic motor dintr-un asemenea sistem de propulsie.

Foto: Instalaţia cu pile de combustie a celor de la Airbus

Acum, după ce acest prim test din Mohave, California, a trecut cu bine, inginerii spun că pregătesc deja montarea sistemului pe un avion de test şi un prim zbor complet de test cu o aeronavă propulsată cu toate componentele sistemului lor.