موتور هیبریدی هیدروژنی ناسا: آیا این فناوری می تواند آینده هوانوردی را پاک و پایدار کند؟ - اهدا بلاگ

ناسا به عنوان یکی از سازمان های پیشرو در زمینه تحقیقات و توسعه فناوری های پیشرفته هوافضا، سال هاست که در پی یافتن راهکارهایی برای کاهش آلاینده های صنعت هوانوردی است. در تازه ترین اقدام خود، این سازمان از پروژه توسعه یک موتور هیبریدی هیدروژنی حمایت نموده که می تواند به کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانه ای در صنعت هوانوردی یاری کند. این پروژه که تحت حمایت برنامه مفاهیم پیشرفته ناسا (NIAC - NASAs Institute for Advanced Concepts) واقع شده است، به فیلیپ آنسل (Phillip Ansell)، استاد دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین واگذار شده است. این پژوهش در صورت موفقیت می تواند تحولی بزرگ در مسیر دستیابی به هوانوردی پایدار و بدون آلاینده ایجاد کند.

Hy2PASS: فناوری پیشرفته موتورهای هیبریدی هیدروژنی

نام این موتور هیبریدی نو Hy2PASS (Hydrogen Hybrid Power for Aviation Sustainable Systems) است که از ترکیب یک سلول سوختی (Fuel Cell) و یک توربین گازی (Gas Turbine) برای فراوری نیروی پیشرانش هواپیما بهره می برد. در حالی که استفاده از سیستم های هیبریدی در صنعت هوانوردی ایده نوی نیست، اما Hy2PASS دارای یک ویژگی منحصربه فرد است که آن را از سایر سیستم های مشابه متمایز می نماید: شیوه مدیریت هوای آن (Air Handling System).

در یک سیستم هیبریدی معمولی، سلول سوختی با دریافت هیدروژن، انرژی الکتریکی فراوری می نماید که این انرژی برای به حرکت درآوردن کمپرسور (Compressor) استفاده می گردد. کمپرسور سپس هوای فشرده مورد احتیاج برای عملکرد توربین را تأمین می نماید. اما در Hy2PASS، کمپرسور از نظر مکانیکی از توربین جدا شده است (Decoupled Compressor)، به این معنا که مستقیماً با توربین در ارتباط نیست، ولی همچنان اکسیژن مورد احتیاج آن را تأمین می نماید.

این روش عملکردی چندین مزیت کلیدی دارد که باعث بهبود راندمان و کاهش آلاینده های سیستم می گردد. مهم ترین تفاوت Hy2PASS با سایر موتورهای هیبریدی این است که اکسیژن تأمین شده به وسیله کمپرسور، علاوه بر توربین، برای سلول سوختی نیز استفاده می گردد. این موضوع باعث می گردد که تأمین اکسیژن برای واکنش های شیمیایی سلول سوختی بهینه تر انجام گردد و اندازه فراوری انرژی افزایش یابد.

مزایای کلیدی موتور هیبریدی هیدروژنی Hy2PASS

Hy2PASS از چندین جنبه، نسبت به سایر موتورهای هواپیمایی هیبریدی و حتی موتورهای توربینی رایج، مزایای قابل توجهی دارد:

افزایش بهره وری انرژی:

در موتورهای معمولی، کمپرسور به صورت مستقیم به توربین متصل است و این اتصال باعث اتلاف حرارتی قابل توجهی در طول انتقال انرژی مکانیکی می گردد. اما در Hy2PASS، این کمپرسور از توربین جدا شده و در نتیجه اندازه انرژی از دست رفته به حداقل می رسد.

بهینه سازی عملکرد کمپرسور:

در سیستم های سنتی، عملکرد کمپرسور وابسته به سرعت توربین است، اما در این مدل نو، یک الگوریتم هوشمند می تواند عملکرد کمپرسور را به طور مستقل تنظیم کند. این قابلیت باعث می گردد که فشار هوا در هر لحظه بسته به احتیاج سیستم تنظیم گردد و کارایی کلی موتور افزایش پیدا کند.

حذف آلاینده های کربنی:

در موتورهای جت معمولی، سوخت فسیلی مانند نفت سفید (Kerosene) یا جت A-1 سوزانده می گردد که منجر به فراوری مقادیر زیادی دی اکسید کربن (CO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) می گردد. اما در این موتور هیبریدی، تنها محصول جانبی فرایند احتراق، بخار آب (H₂O) است. این یعنی هیچ گونه آلاینده مخربی وارد جو نمی گردد و در نتیجه تأثیر منفی سفرهای هوایی بر تغییرات اقلیمی کاهش پیدا می نماید.

کاهش مصرف سوخت:

به علت طراحی خاص این موتور، اندازه مصرف هیدروژن برای فراوری انرژی کمتر از موتورهای دیگر خواهد بود. این موضوع باعث می گردد که هزینه های عملیاتی کاهش یابد و ذخیره سازی سوخت هیدروژنی در هواپیماها آسان تر گردد.

افزایش انعطاف پذیری در طراحی هواپیماهای آینده:

به کارگیری این سیستم به طراحان هواپیما این امکان را می دهد که مدل های نوی از هواپیماهای هیبریدی را توسعه دهند که احتیاجی به موتورهای حجیم و آلاینده فعلی ندارند. این تغییر می تواند منجر به طراحی هواپیماهای کوچک تر، سبک تر و کارآمدتر گردد.

چالش های پیش رو و مسیر توسعه Hy2PASS

با وجود این مزایا، Hy2PASS هنوز در مراحل اولیه توسعه واقع شده است و راه طولانی ای برای تبدیل شدن به یک فناوری تجاری پیش رو دارد. در حال حاضر، این پروژه در مرحله اول (Phase I) تحقیقات NIAC واقع شده است که تمرکز آن بر اثبات امکان پذیری مفهومی این سیستم است.

یکی از چالش های کلیدی این پروژه، بهینه سازی مسیرهای پروازی و نحوه توزیع انرژی در شرایط مختلف پرواز است. این موضوع شامل تحلیل اندازه مصرف انرژی، نحوه توزیع اکسیژن بین سلول سوختی و توربین، و امکان سنجی استفاده از این موتور در هواپیماهای مسافربری و باربری تجاری خواهد بود.

بعلاوه، ذخیره سازی هیدروژن مایع (Liquid Hydrogen) در هواپیماها یکی دیگر از چالش های این فناوری است. هیدروژن در دمای بسیار پایین (-253 درجه سانتی گراد) نگهداری می گردد و سیستم های ذخیره سازی آن احتیاجمند فناوری های پیشرفته عایق سازی هستند.

نتیجه گیری: آیا این موتور می تواند آینده هوانوردی را تغییر دهد؟

اگرچه هنوز مسیر زیادی تا تجاری سازی این فناوری به جای مانده است، اما Hy2PASS می تواند گام بزرگی در راستای تحقق هوانوردی پایدار باشد. ترکیب بهره وری بالاتر، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی صفر، این موتور را به یکی از مجذوب نماینده ترین گزینه ها برای آینده صنعت هوایی تبدیل نموده است.

در صورت موفقیت، ممکن است در آینده نه چندان دور شاهد پرواز هواپیماهایی باشیم که تنها با هیدروژن کار می نمایند و هیچ گاز گلخانه ای منتشر نمی نمایند. چنین پیشرفتی نه تنها تأثیر مثبتی بر محیط زیست خواهد داشت، بلکه هزینه های عملیاتی شرکت های هواپیمایی را نیز کاهش خواهد داد. اگر ناسا و تیم تحقیقاتی آنسل بتوانند این پروژه را از مرحله آزمایشگاهی به واقعیت برسانند، هوانوردی بدون آلایندگی دیگر یک رؤیا نخواهد بود!