پرواز غول‌های برقی

عمادالدین قاسمی‌پناه- خبرنگار

در یک منطقه هوایی بزرگ که در مرکز ایالت واشنگتن با زمین‌های زراعی محصور شده است، یک هواپیمای برقی اخیرا تاریخ‌ساز شد. این بزرگ‌ترین هواپیمای تجاری تا امروز است که فقط با نیروی برق از زمین جدا می‌شود و پرواز می‌کند. این هواپیما در تاریخ 28مه به‌مدت 30دقیقه در آسمان فرودگاه بین‌المللی گرانت کانتی به پرواز درآمد و جمعیت زیادی که شاهد این اتفاق بودند، آن را تحسین کردند. آیا این هواپیما واقعا بزرگ‌ترین هواپیمای برقی تاکنون است؟ بله. این هواپیما نسخه اصلاح‌شده هواپیمای Cessna Caravan 208B است که حداکثر می‌تواند 9مسافر را حمل کند، این در حالی است که در هواپیمای آزمایشی فقط یک صندلی برای خلبان نصب شده بود. بی‌بی‌سی در گزارشی نوشته است: البته این هواپیما با جت‌هایی که 200 تا 300صندلی دارند و شما را در تعطیلات یا برای سفرهای کاری جابه‌جا می‌کنند تفاوت بسیاری دارد و نمی‌تواند با هواپیماهای عظیم دوطبقه که از قاره‌ای به قاره دیگر پرواز می‌کنند رقابت کند. با این حال، پرواز آزمایشی هواپیمای eCaravan یک موفقیت به‌شمار می‌آید. 2شرکت AeroTEC  و magniX که موتور الکتریکی این هواپیما را ساختند، باعث به پرواز در آمدن آن شدند. روئی گانزارسکی، مدیرعامل شرکت magniX، در بیانیه‌ای اشاره کرد که هزینه پرواز این هواپیما 6دلار برآورد شده است و این در حالی است که اگر آنها از سوخت معمولی استفاده می‌کردند، برای این پرواز 30دقیقه‌ای، رقمی معادل 300 تا 400دلار باید هزینه می‌شد.

در انتظار غول‌پیکرهای مدرن
این هواپیما با تکیه بر آزمایش‌های قبلی که با هواپیمایی کوچک‌تر انجام می‌شد، ساخته شده است. البته این هواپیمای کوچک هم به موتور الکتریکی ساخت شرکت magniX مجهز شده بود. حال این سؤال مطرح می‌شود که ما چه زمانی می‌توانیم به جای هواپیماهای مسافربری بزرگ که در آنها از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌شود، با هواپیماهایی پرواز کنیم که با نیروی برق آسمان را درمی‌نوردند؟ اولین موضوعی که باید به آن توجه کرد، این است که پروازهای طولانی با هواپیماهای بزرگی که کاملا با استفاده از انرژی برق به پرواز درمی آیند، به‌زودی امکان‌پذیر نیست. مطمئنا طی 50سال آینده ما شاهد این پروازها نخواهیم بود و حتی بعضی از متخصصان بر این باورند که این اتفاق در قرن حاضر رخ نمی‌دهد. دلیل این موضوع مربوط به «چگالی انرژی» است. به مقدار انرژی موجود در یک توده یا یک حجم یا یک سیستم خاص، چگالی انرژی (energy density) گفته می‌شود. چگالی انرژی معمولا برحسب میزان وات‌ساعت (Wh) که در هر کیلوگرم به‌دست می‌آید تعریف می‌شود. چگالی انرژی یک باتری لیتیوم-یون فعلی ممکن است به 250وات ساعت در هر کیلوگرم برسد، در حالی ‌که چگالی انرژی سوخت جت یا نفت سفید(کروسن) تقریبا 12هزار وات‌ساعت در هر کیلوگرم است. به همین‌خاطر، به‌نظر می‌رسد چنین هواپیماهای الکتریکی‌ای شانس زیادی برای صعود ندارند. با این حال، این تفاوت آنچنان بارز نیست که به‌نظر می‌رسد، زیرا سیستم‌های پیشران الکتریکی می‌توانند به‌گونه‌ای طراحی شوند تا کارآمدتر باشند، به این معنی که می‌توانند مسافت بیشتری را با انرژی کمتری بپیمایند. اما در شرایط فعلی، هنوز هم سیستم‌های سوخت فسیلی حدود 14برابر بیشتر از باتری انرژی آزاد می‌کنند. باتری‌ها به مایع تبدیل نمی‌شوند تا بتوان به‌راحتی از آنها استفاده کرد و از نظر شکل و اندازه هم مطلوب به‌نظر نمی‌رسند. سوزان لیسکوئیت هانکه، مهندس هوافضا در دانشگاه کنکوردیای مونترال، می‌گوید: سوخت‌های فسیلی به‌خوبی می‌توانند در بال‌های هواپیما جاگذاری شوند.

مشکلات استفاده از باتری
علاوه بر انرژی کمتر و شکل و شمایل نامناسب، نکته مهم دیگر این است که وزن باتری حتی در زمانی که شارژ آن پایان می‌یابد، کاهش نمی‌یابد. هنگامی که یک هواپیمای معمولی پرواز می‌کند، سوخت آن مصرف و در نتیجه هواپیما سبک‌تر می‌شود. این اتفاق میزان سوخت مورد نیاز برای ماندن در هوا را کاهش می‌دهد. دانکن واکر، از دانشگاه لوفبورو، این موضوع را به‌منظور بررسی استفاده از هواپیماهای برقی محاسبه کرده است. او می‌گوید که بزرگ‌ترین هواپیمای مسافربری جهان (ایرباس A380) با باتری‌های موجود فقط هزار کیلومتر می‌تواند پرواز کند، درحالی‌که محدوده استاندارد این هواپیما 15هزار کیلومتر است. او ادامه می‌دهد: این هواپیما برای اینکه بتواند این دامنه پروازی خود را حفظ کند، نیاز به باتری‌هایی دارد که وزن آنها 30برابر سوخت معمولی خود است، بنابراین ایرباس A380 هرگز نمی‌تواند از زمین بلند شود. این عوامل محدودکننده به آن معنی است که اکثر کارشناسان این صنعت به این موضوع فکر می‌کنند که انواع خاصی از هواپیما باید وجود داشته باشد که در ابتدای کار شارژ شوند و این بدان معنی است که آنها باید کوچک باشند، اما این کوچک بودن به معنای باریک بودن نیست.

اهمیت محیط‌زیست
مهندسان اکنون در تلاشند تا یک جت کاملا برقی با 180صندلی بسازند که بتواند حدود 500کیلومتر پرواز کند. شرکت هواپیمایی EasyJet با استارتاپ هواپیمایی Wright Electric برای طراحی و توسعه نمونه اولیه این هواپیما در حال همکاری است که در صورت موفقیت، از اوایل سال2030 وارد خدمات تجاری خواهد شد. مسیرهای سفر این هواپیما محدود خواهد بود؛ به‌عنوان مثال از پاریس تا لندن. به گفته مشاوران مرکز رولان برگر، هواپیماهای باریک که مسیرهای کوتاه 1500کیلومتری یا کمتر از آن را طی می‌کنند، تقریبا باعث انتشار یک‌سوم از گازهای گلخانه‌ای ناشی از هواپیماها هستند. با عرضه تدریجی هواپیماهای برقی که می‌توانند در این نوع از سفرهای کوتاه، جایگزین هواپیماهای معمولی شوند، میزان قابل‌توجهی از تأثیرات زیست‌محیطی پروازها کاهش می‌یابد.
نمی‌توان خیلی زود به این موفقیت دست یافت، زیرا همانطور که مرکز رولان برگر هم اشاره می‌کند، حمل‌ونقل هوایی تنها صنعت بزرگ اتحادیه اروپاست که میزان انتشار دی‌اکسید کربن از طریق آن به میزان قابل‌توجهی در حال افزایش است. در حالی ‌که این صنعت، اکنون فقط 3درصد از سهم انتشار جهانی دی‌اکسید‌کربن را داراست، اما تا سال2050 هواپیماهای تجاری به‌دلیل رشد پیش‌بینی‌شده در این بخش، می‌توانند تا 24درصد از تولید گازهای گلخانه‌ای در سراسر جهان را به‌خود اختصاص دهند.

ایده‌هایی برای دستیابی به موفقیت
رولزرویس هواپیماهای برقی دیگری برای توسعه دارد، ازجمله هواپیمای کاملا برقی ACCEL که قرار است امسال با هدف ثبت رکورد سریع‌ترین هواپیمای برقی پرواز کند. اگرچه این هواپیما یک صندلی کوچک تک‌نفره دارد، اما برای رسیدن به سرعت تقریبی 500کیلومتر بر ساعت و پیمایش بیش از 320کیلومتر مسافت طراحی شده است.
آرمسمیت مانند بسیاری از کارشناسان این صنعت می‌گوید که مهم‌ترین پیشرفت‌ها ممکن است هنگامی اتفاق بیفتد که بدنه هواپیما به‌گونه‌ای مجددا طراحی شود تا بتواند موتورهای بیشتری را در مقایسه با یک هواپیمای معمولی در خود جا دهد. مطالعات نظری نشان می‌دهد که استفاده بیشتر از موتورهای کوچک می‌تواند باعث کاهش کشش شود و بازده کلی را بهبود بخشد. چنین طراحی‌هایی گزینه‌های بالقوه بهتری برای هواپیماهای برقی فراهم می‌کند. این یکی از اصول شرکت Wright Electric است که با شرکت EasyJet همکاری می‌کند.
لیسکوئیت هانکه می‌گوید که تعداد بالای پروژه‌ها و آزمایش‌ها در صنعت هواپیماهای برقی دلگرم‌کننده است. این بدان معنی است که شانس بیشتری برای موفقیت یکی از این هواپیماها وجود دارد. ریچارد ابولافیا، معاون بخش تجزیه و تحلیل شرکت پژوهشی هوانوردی Teal Group هم می‌گوید: مهم نیست که همه این پروژه‌ها موفق نباشند. اگرچه محدودیت‌های فنی پیش روی هواپیماهای بزرگ‌تر قابل توجه است، اما ابولافیا، آزمایش اخیر هواپیمای eCaravan را تحسین کرد. بازار کوچکی، در حدود 100وسیله نقلیه در هر سال برای هواپیماهای کوچکی که تعداد معدودی مسافر یا مقدار کمی بار حمل می‌کنند، وجود دارد. هواپیماهای برقی از این نوع، برای کار کردن نیاز به تغییرات زیاد در فناوری باتری ندارند و پروازها را می‌توان بر فراز مناطق دارای ساختمان کمتر انجام داد تا امنیت بیشتری وجود داشته باشد. ابولافیا می‌گوید: این یک بازار آزمایشی مطلوب است.
این موضوع البته کسانی را که در رؤیای سفر با جت‌های برقی در تعطیلات هستند یا حتی کسانی را که در نزدیکی فرودگاه‌های شلوغ به امید آسمانی بی‌سروصدا زندگی می‌کنند، هیجان‌زده نمی‌کند، اما ممکن است یک گام کوچک برای رسیدن به نقطه مطلوب باشد.

همه فناوری‌ها برای سفر سبز
در این میان، 2فناوری دیگر برای کاهش انتشار گازهای ناشی از هواپیماها با عنوان سوخت‌های زیستی و سیستم‌های پیشران هیدروژنی مطرح است. البته هرکدام از آنها مشکلات خاص خود را دارند. سوخت‌های زیستی حاصل از مواد آلی می‌توانند به وسیله هواپیماهای موجود مورد استفاده قرار گیرند و ممکن است سبزتر یا پاک‌تر از کروسن باشند، اما هنوز بازار آن کوچک است و بسیاری از سوخت‌های زیستی همچنان با مشکلات زیست‌محیطی همراه هستند. هیدروژن اگر از یک منبع تجدیدپذیر به دست آید، به‌طور بالقوه پاک محسوب می‌شود، اما با مشکلاتی شبیه مشکلات باتری‌های الکتریکی روبه‌روست. تامسون می‌گوید: شما برای ذخیره هیدروژن به‌عنوان سوخت هواپیما به حجمی بیش از 3برابر کروسن نیاز دارید که در طراحی هواپیماهای فعلی جایی برای قرار دادن آن وجود ندارد. به‌عبارت دیگر، هر سه این فناوری‌های امیدوارکننده (باتری‌ها، سوخت‌های زیستی و هیدروژن) نیاز به پیشرفت‌های اساسی دارند تا بتوانند در حمل‌ونقل هوایی تحول ایجاد کنند. با این حال، بیماری همه‌گیر کووید-19 که صنعت هوایی را به‌شدت تحت‌تأثیر قرار داده، ممکن است باعث پیشرفت‌های بیشتری شود.
البته علاقه به سفرهای سبزتر و پاک‌تر همچنان رو به افزایش است. لیسکوئیت هانکه می‌گوید که با حمایت سیاسی از برقی کردن وسایل حمل‌ونقل، شرکت‌های ایرباس، EasyJet، رولزرویس و بسیاری دیگر، انگیزه بیشتری برای پیگیری پروژه‌های آزمایشی خود خواهند داشت. او می‌گوید: اگر عزمی برای پشتیبانی از این فناوری وجود داشته باشد، حتما نتایج آن را خواهیم دید.

ظهور هیبریدی‌ها
رابرت تامسون، یکی از شرکای رولان برگر می‌گوید که پرواز یک هواپیمای کاملا برقی با 180صندلی تا سال2030، بسیار جاه‌طلبانه است. یک دیدگاه متعادل‌تر این است که تا سال2030 احتمالا شاهد پرواز هواپیماهای هیبریدی-برقی خواهیم بود. در این هواپیماها، پیشران با استفاده از باتری‌ها و موتورهای برقی به‌همراه سیستم‌های احتراق معمولی باعث پرواز می‌شود. تامسون می‌گوید: یک هواپیمای پنجاه‌نفره هیبریدی احتمالا تا سال2030 یا اواخر دهه2020 می‌تواند قابل بهره‌برداری باشد. فکر می‌کنم این مدت زمان قابل‌قبول باشد.
او ادامه می‌دهد: شرکت او برای بیش از 200هواپیمای برقی برنامه‌ریزی کرده است و تعداد این پروژه‌ها بین سال‌های 2018 و 2019 تا 30درصد افزایش داشته است. بسیاری از این هواپیماها، مدل‌های هیبریدی هستند. تامسون می‌گوید که این مدل‌ها با انواع و اقسام ذائقه‌ها و سلیقه‌ها سازگار هستند و الکتریسیته در آنها می‌تواند 10 تا 20درصد نیروی پیشران هواپیما را تأمین کند. با این حال، با بهره‌گیری از بدنه هواپیماهای موجود، توسعه این طرح‌ها آسان‌تر خواهد بود.
یکی از دقیق‌ترین آزمایش‌های سال‌های اخیر، مربوط به هواپیمای هیبریدی E-Fan X بود که یک پروژه مشترک بین ایرباس، زیمنس و رولزرویس محسوب می‌شد. این ایده برگرفته از هواپیمای صدنفره  BAE 146 بود که قرار بود به‌گونه‌ای اصلاح شود که یکی از 4موتور آن با یک موتور 2مگاواتی تغذیه شود. این مقدار برای تأمین انرژی تقریبا 2هزار خانه کافی است. این برنامه قرار بود امسال طی یک پرواز آزمایشی انجام شود، اما این پروژه به‌طور ناگهانی در‌ ماه آوریل متوقف شد.
ریونا آرمسمیت، مهندس ارشد پروژه پیشران برقی هیبریدی در شرکت رولزرویس، می‌گوید که این فناوری برای هواپیمای E-F X ساخته شده و به‌طور کامل تعطیل نشده است. او می‌گوید: من تصور می‌کنم که ما فقط یک قدم به عقب برگشتیم تا ببینیم که آیا واقعا لازم است با این سیستم‌ها پرواز کنیم یا نه. من فکر می‌کنم که در این مورد به ‌اندازه کافی آموخته‌ایم.
آرمسمیت تصدیق می‌کند که هیچ برنامه‌ای برای پرواز یک هواپیمای دیگر با استفاده از فناوری E-Fan X وجود ندارد، اما با وجود این درس‌های زیادی از آن گرفته شده است. او می‌گوید، نکته مهم این است که اجزایی مانند ژنراتورهای برقی، کابل‌ها و سیستم‌های سوئیچ نیاز به طراحی مجدد دارند یا کاملا باید از ابتدا ساخته شوند تا برای پرواز به اندازه کافی قابل اعتماد و ایمن باشند. او از این واقعیت صحبت می‌کند که تقریبا کسی نتوانسته سیستم‌های برقی را برای پرواز هواپیماهایی با این اندازه مناسب‌سازی‌ کند.
آرمسمیت می‌گوید که قطعات الکتریکی برای اطمینان از آتش نگرفتن نیاز به عایق‌بندی بیشتری دارند. در ارتفاع زیاد، ولتاژهای بالا خسارت بیشتری به عایق‌بندی می‌زنند و به همین علت، عایق‌بندی‌ها باید بسیار مستحکم باشند. این بدان معنا بود که او و تیمش مجبور بودند کابل‌ها و سوئیچ‌بردهای کاملا جدیدی را طراحی کنند. او می‌گوید: در واقع این موضوع بسیار چالش‌برانگیزتر از آن چیزی است که فکر می‌کردیم.