Согласно новому исследованию, проведенному Массачусетским технологическим институтом, предложенный дизайн самолета может помочь сократить глобальные выбросы оксидов азота (NOx) на 95 процентов, сообщает Science Daily.
На крейсерской высоте самолеты выбрасывают постоянный поток оксидов азота в атмосферу. Эти химические вещества могут мешать образованию озонового слоя. Оксиды азота или NOx являются основным источником загрязнения воздуха и могут вызывать астму, респираторные и сердечно-сосудистые заболевания. Предыдущие исследования показали, что выбросы этих веществ мировой авиацией приводят к 16 000 преждевременным смертям ежегодно.
Инженеры из Массачусетского технологического университета придумали концепцию самолетного двигателя, которая, по их оценкам, поможет сократить выбросы NOx от авиации на 95 процентов. Таким образом удастся снизить количество связанных с этими выбросами преждевременных смертей на 92 процента.
На разработку этой концепции ученых вдохновили системы снижения выбросов, используемые в наземном транспорте. Многие дизельные грузовики оснащены системами, которые способны очищать выбросы, образующиеся после сжигания топлива для снижения количества оксидов азота, вырабатываемого двигателями. Теперь исследователи предлагают внедрить ту же концепцию для авиации с электроприводом.
Современные самолеты приводятся в движение реактивными двигателями, расположенными под каждым крылом. Каждый двигатель содержит газовую турбину, которая приводит в движение винт, а выхлопы из турбины выходят сзади и таким образом самолет передвигается по воздуху. Из-за такой конструкции установить систему снижения выбросов становится невозможным, так как она не позволит двигателям создавать тягу.
В новой гибридной электрической или "турбоэлектрической" конструкции самолета источником энергии тоже станет газовая турбина - она будет встроена в грузовой отсек самолета. Таким образом турбина будет приводить в движение винты не напрямую, а сначала запустит генератор для выработки электроэнергии, которая затем поступит в установленные на крыле самолета винты с электроприводом. Выбросы, производимые газовой турбиной, будут подаваться в систему контроля выбросов, аналогичную той, что используется в дизельных автомобилях. Система будет очищать выхлопы до того, как они попадут в атмосферу.
"Это все еще может быть сложной инженерной проблемой, но нет никаких основополагающих физических ограничений, – говорит Стивен Барретт, профессор аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте. – Если вы хотите получить авиационную отрасль с нулевым уровнем выбросов, то это возможный способ решения проблемы загрязнения воздуха, который можно реализовать технически".
Детали проекта, включая анализ потенциальных затрат на топливо и воздействие на здоровье, опубликованы в журнале Energy and Environmental Science.
Полуэлектрическая конструкция
Идея гибридного электрического самолета зародилась, когда Барретт и его команда расследовали скандал, связанный с дизельными выбросами Volkswagen. В 2015 году природоохранные органы обнаружили, что производитель автомобилей намеренно проводил манипуляции с дизельными двигателями, чтобы активировать бортовые системы контроля выбросов только во время лабораторных испытаний. Получалось, что они соответствовали стандартам выбросов NOx, но на самом деле в реальных условиях вождения количество выбросов превышало показатели испытаний в 40 раз.
Исследуя, как последствия этого обмана воздействуют на здоровье, Барретт ознакомился с работой системы контроля выбросов дизельных автомобилей. Примерно в то же время он изучал возможность создания большого, полностью электрического самолета.
"Исследование, проводимое на протяжении последних нескольких лет, показало, что существует возможность электрифицировать маленькие самолеты, но для больших самолетов в ближайшем времени этот вариант представляется маловероятным, если только не произойдет значительный прорыв в технических решениях для аккумуляторов, – говорит Барретт.
– Поэтому я подумал, что мы можем взять электрическую двигательную часть от электрических самолетов и газовые турбины, которые уже давно существуют и показали свою надежность и эффективность, и объединить это с технологией контроля выбросов, которая используется в автомобильных и аэродромных источниках питания, чтобы создать хотя бы полуэлектрические самолеты".
Полет с нулевым воздействием
До того, как за электрификацию самолетов взялись всерьез, можно было бы рассматривать такую концепцию, как, например, дополнительную деталь к задней части реактивных двигателей. Но такая конструкция, отмечает Барретт, “убьет любой поток тяги", который этот двигатель может создать, что не позволит самолету оторваться от земли.
Концепция Барретта позволяет обойти это ограничение, отделяя производящие тягу винты или вентиляторы от производящей энергию газовой турбины. Вместо этого винты или вентиляторы будут непосредственно питаться от электрического генератора, который, в свою очередь, будет вращаться от газовой турбины. Выхлопы от газовой турбины будут подаваться в систему контроля выбросов, которая может быть сложена в виде гармошки в грузовом отсеке самолета и полностью отделена от производящих тягу винтов.
Большую часть гибридной электрической системы, состоящую из газовой турбины, электрогенератора и системы контроля выбросов, планируется разместить в нижней части самолета, где может быть достаточно свободного места.
В своей новой работе исследователи подсчитали, что если бы такая гибридная электрическая система была реализована в самолете типа Boeing 737 или Airbus A320, то с учетом этого дополнительного веса потребовалось бы на 0,6 процента больше топлива для полета самолета.
"Это будет гораздо реальнее, чем то, что предложено для полностью электрических самолетов, – говорит Барретт. – Такая конструкция добавила бы несколько сотен килограммов к весу самолета, в отличие от многих тонн аккумуляторов, что стало бы дополнительным балластом".
Исследователи также рассчитали выбросы, которые произведет большой самолет с системой контроля выбросов и без нее, и обнаружили, что гибридная электрическая конструкция устранит 95 процентов выбросов NOx.
Если внедрить систему контроля выбросов во всех самолетах по всему миру, можно было бы избежать девяносто двух процентов смертей, вызванных загрязнением окружающей среды авиацией. Исследователи получили такой результат, используя глобальную модель, отображающую поток авиационных выбросов в атмосфере, и рассчитали, насколько различные группы населения по всему миру будут подвержены этим выбросам. Затем они преобразовали это воздействие в количество смертей, которые произошли бы в результате воздействия авиационных выбросов.
В настоящее время команда работает над концепциями самолета с "нулевым воздействием", который не производит выбросы NOx и других химических веществ, таких как СО2.
"Мы должны достичь практически нулевого воздействия на климат и нулевой смертности от загрязнения воздуха, – говорит Барретт. – Эта концепция самолета решит проблему загрязнения воздуха авиацией. Сейчас мы работаем над частью проекта, отвечающей за воздействие на климат".