Ūdeņradis, elektrība, atomi? Kā aviācijai izdzīvot zaļajā nākotnē  (5)

Mūsdienās galvenais aviācijas dzinējspēks ir aviācijas degviela, ko iegūst no naftas. Lidmašīnas ar šo degvielu ir lidojušas gadu desmitiem, taču idille tuvojas beigām. Ir divas galvenās problēmas.

Pirmā ir CO₂ emisijas. Aviācijas nozare ir atbildīga par 2,5–3% no pasaules oglekļa dioksīda emisijām. Lielākā daļa pasaules valstu Parīzes nolīgumā ir iekļāvušas mērķi līdz 2050. gadam samazināt emisijas līdz nullei, lai apturētu klimata pārmaiņu tempu. Tas nozīmē, ka arī aviācijai ir jāmeklē veidi, kā atteikties no ogļūdeņražu degvielas izmantošanas.

Otra problēma ir tā, ka naftas krājumi uz mūsu planētas nav bezgalīgi. Prognozes liecina – ja turpināsim naftas produktus dedzināt transportlīdzekļu dzinējos tikpat lielā daudzumā, nafta vienkārši beigsies pēc 30-50 gadiem (par to, cik šīs aplēses precīzas, gan pētnieki vēl debatē). Taču šobrīd rūpniecībai nafta ir vajadzīga visdažādāko produktu ražošanai: plastmasām, audumiem, kosmētikai, sadzīves ķīmijai, mēslošanas līdzekļiem, pārtikas produktiem (no tās var sintezēt arī olbaltumvielas!) un daudz kam citam. Labā ziņa ir – ja mēs pārtrauksim dedzināt naftas produktus, tad mums to pietiks vēl ilgam laikam, lai sintezētu materiālus veselam klāstam noderīgu preču.

Gaisa kuģi ne vienmēr izmantojuši aviācijas petroleju. Karstā gaisa balonos, protams, lieto uzsildītu gaisu, lai paceltos un paliktu debesīs. Tā kā karsta gaisa blīvums ir mazāks par auksta gaisa blīvumu, saskaņā ar Arhimēda likumu, tas tiecas uz augšu. Dirižabļos šim nolūkam izmantoja gāzes, kas ir vieglākas par gaisu – ūdeņradi un hēliju.

Aeronautikas ēras rītausmā pirmie dirižabļi izmantoja tvaika dzinējus vai muskuļu spēku, lai virzītos uz priekšu. Tad pārgāja uz iekšdedzes dzinējiem, kuros izmantoja benzīnu, petroleju vai dīzeļdegvielu. Planieru ēra turpinājās diezgan ilgu laiku, taču šīs bezmotora lidmašīnas, saprotams, neizmantoja degvielu. Brāļi Raiti veica pirmo lidojumu ar iekšdedzes dzinēja lidmašīnu 1903. gada 17. decembrī.

"Sākumā lidmašīnas izmantoja benzīnu, kam toreiz bija zems oktānskaitlis. Aviācijā bija epizodes ar dīzeļdegvielu. Tad izgudroja reaktīvo dzinēju, sākumā benzīna, taču benzīnam ir pārāk zema uzliesmošanas temperatūra, tas vienkārši nav drošs, un no šīs pieejas atvadījās. Tad nolēma lietot petroleju, un tā joprojām ir galvenā aviācijas degviela gan reaktīvajiem, gan propelleru dzinējiem," stāsta Transporta un sakaru institūta (TSI) Akadēmiskā un profesionālā aviācijas centra (APAC) apmācību vadītājs Jurijs Solovjovs. Aviācijas jomā petroleja daudzos aspektos pārspēj citus naftas produktus. Jo īpaši drošības ziņā: petroleju ir grūtāk aizdedzināt nekā benzīnu un tā deg pietiekami lēnām (stabilāk nekā dīzeļdegviela), lai pilotam būtu iespēja ārkārtas situācijā nosēdināt lidmašīnu.

Cilvēce ir mēģinājusi izmantot elektrību aviācijā vismaz kopš 19. gadsimta beigām, kad daži dirižabļi tika aprīkoti ar elektromotoriem. Taču konstruktori saskārās ar to pašu problēmu, ko inženieri risina vēl šodien: ietilpīgi akumulatori svēra pārāk daudz, lidojuma efektivitāte līdz ar to bija pārāk maza. Taču pētnieki un izmēģinātāji turpināja eksperimentus. Pirmā pilna izmēra elektriskā lidmašīna ar cilvēku uz klāja pacēlās gaisā 1973. gadā.

70. gadu beigās un 80. gadu sākumā sākās ar saules enerģiju darbināmu pilotējamo lidmašīnu lidojumi. 2016. gadā ar saules baterijām aprīkotā lidmašīna "Solar Impulse 2" uzstādīja pasaules rekordu garākajam solo lidojumam, kas ilga 118 stundas. Taču vienvietīgo lidmašīnu nevar pielāgot komerciālai lietošanai. Šobrīd desmitiem, ja ne simtiem uzņēmumu visā pasaulē izstrādā savas komerciāliem pārvadājumiem derīgu elektrisko lidaparātu versijas.

"Elektrificētās lidmašīnas vairs nav teorija, bet prakse. Aviācija dodas šajā virzienā, uzņēmumi patentē daudz tehnoloģiju. Nesen izstādē redzēju pilnībā elektrisku viena dzinēja lidmašīnu ar tādu pašu spārnu plētumu kā "Cessna 172," saka Jurijs Solovjovs.

Galvenā tehniskā problēma, kas šajā jomā jāatrisina, – no kurienes ņemt un kā uzglabāt lidmašīnai nepieciešamo elektroenerģiju. Pagaidām ar elektrību gaisā var pavadīt mazāk laika un veikt īsākas distances nekā ar petroleju. Taču aviācijas eksperts Solovjovs ir pārliecināts, ka izstrādnes jau ir sasniegušas robežu, pēc kuras šie ierobežojumi paliks pagātnē. "Šodien pieejamās baterijas joprojām ir diezgan smagas, taču ir iespēja, ka ir kāds veids, kā palielināt to jaudu. Domāju, ka drīzumā redzēsim arī augstas efektivitātes saules paneļus – šī ir otra iespēja. Ir arī inovācijas ar superkondensatoriem, kas ir vieglāki par akumulatoriem un ļoti ātri uzlādējas. Var arī izmantot mehānisku elektroenerģijas uzglabāšanu. Ir bloku sistēmas, kas ļauj to izdarīt, pārvērst potenciālo enerģiju kinētiskajā, bet mehānisko enerģiju elektroenerģijā," variantus uzskaita speciālists.

Taču radikālas pārmaiņas aviācijā notiek lēnām, jo ar tehnisko jautājumu risināšanu nepietiek. Jauna tipa lidaparāti ir jāsaražo un jāpierāda, ka tie atbilst visiem aviācijas standartiem: tas prasa daudz testu, dokumentu, laika un finanses. Bet drošība ir pāri visam.

Ir vēl viens potenciāls elektrolidmašīnu enerģijas avots, taču tā izmantošana var izraisīt plašas sabiedrības protestus. "Tas izklausās pēc kā kaut kā no "Fallout" (videospēle, kur darbība norisinās postapokaliptiskā pasaulē pēc globāla kodolkara – red.), bet kāpēc gan neizmantot kodolreaktorus lidmašīnā? Es neredzu nekādus šķēršļus, ja ir izstrādāti visi drošības protokoli. Uzskatu, ka tā ir nākotne," spriež Solovjovs. Aviācijas eksperts stāsta, ka neliels kodolreaktors var bez pārtraukuma strādāt mēnešiem ilgi. Uz Zemes ir pietiekami daudz kodolreaktoros izmantojama urāna un plutonija rezervju.

Starp citu, jau pirms vairāk nekā pusgadsimta inženieri lūkojās šajā virzienā. 20. gadsimta sešdesmitajos gados tika izstrādātas divu veidu kodollidmašīnas, bet projekti tika pārtraukti. Atradās vienkāršāki veidi, kā paildzināt gaisā pavadīto laiku (degvielas uzpildīšana lidojuma laikā) un nogādāt kodolgalviņas galamērķī (starpkontinentālās ballistiskās raķetes).

Viena no galvenajām problēmām bija arī apkalpes pasargāšana no radiācijas – aizsargpaneļi bija pārāk biezi un smagi. Te jāatceras, ka mūsdienu zinātnieki izstrādā diezgan vieglus kompozītmateriālus, kas labi bloķē radioaktīvo starojumu. 2000. gadu sākumā ASV finansēja pētījumus, kuros izskatīja iespēju uzkonstruēt ar kodolenerģiju darbināmas bezpilota militārās lidmašīnas. Tas novērstu problēmu ar apkalpes pasargāšanu. Taču, cik zināms, projekts tā arī palika tikai "uz papīra". Otra problēma, ko identificēja 60. gados, bija radioaktīvās emisijas no lidmašīnas lidojuma laikā. Bet varbūt šo problēmu tagad var atrisināt, ņemot vērā tehnoloģiju attīstību. Trešais šķērslis bija lidmašīnas avārijas risks – ja nogāžas lidaparāts ar kodolreaktoru uz klāja, sekas var būt postošākas nekā tad, ja avarē ar fosilo degvielu darbināma lidmašīna. Pagaidām nav skaidrs, kā zinātne var atrisināt potenciālās katastrofas problēmu.

Vēl viens degvielas veids, ar ko aviācijas nozare vēlētos aizstāt petroleju, ir ūdeņradis. Dedzinot šķidru vai gāzveida ūdeņradi, CO₂ izmešu nav, lai gan citu siltumnīcefekta gāzu – slāpekļa oksīdu – emisijas paliek. Ja elektroķīmiskajos kurināmā elementos izmanto ūdeņradi, tad emisiju nav vispār, bet tas faktiski jau ir elektriskais transports.

Eksperimenti ar ūdeņraža degvielu lidmašīnām nesākās vien vakar. 1957. gadā ASV palaida pirmo eksperimentālo lidmašīnu, kurā viens no dzinējiem tika darbināts ar ūdeņradi. Mūsdienās ir daudz projektu, kuros pētnieki attīsta lidmašīnas, kas izmanto gan šķidro, gan gāzveida ūdeņradi.

Šķidrā ūdeņraža izmantošanai, pēc Solovjova domām, ir vairākas priekšrocības. Pirmkārt, tas ir ļoti energoietilpīgs, pat salīdzinot ar petroleju, nemaz nerunājot par šobrīd pieejamajām elektriskajām baterijām. Otrkārt, mūsdienu lidmašīnu reaktīvos dzinējus var pielāgot ūdeņraža sadedzināšanai. Treškārt, saka APAC apmācību vadītājs: "Mūsu Visumā ir ūdeņraža pārpilnība, to var uzskatīt par atjaunojamu resursu. Un ūdeņraža atdalīšana no ūdens ir diezgan triviāls uzdevums. Tātad, šī ir ļoti daudzsološa degviela aviācijai."

Galvenais trūkums ir tas, ka kombinācijā ar skābekli ūdeņradis ir ļoti sprādzienbīstams maisījums. Attiecīgi, drošības izaicinājumi ir jau citā līmenī. Epizode, kas beidza dirižabļu aeronautikas laikmetu, arī bija saistīta ar ūdeņraža bīstamību. 1937. gadā pēc transatlantiskā lidojuma ASV uzliesmoja Vācijas dirižablis "Hindenburg". Bojā gāja 36 cilvēki – 35 no dirižabļa pasažieriem un apkalpes locekļiem, kā arī viens cilvēks uz zemes.

"Lai izmantotu ūdeņradi, visām drošības prasībām jābūt ļoti skaidri noteiktām. Ir jāparedz kritēriji gaisa kuģu degvielas uzpildes, degvielas uzglabāšanas un transportēšanas drošībai," uzsver Solovjovs. "Ja mēs visas šīs problēmas atrisināsim, lai novērstu ūdeņraža savienošanos ar skābekli ārpus tās vietas, kur tam jānotiek, tad viss būs labi."

Acīmredzot "Airbus" korporācijai ir tādi paši apsvērumi, jo tā ilgtermiņā saista savas cerības tieši ar ūdeņradi. Eksperimenti ar hibrīdlidmašīnām (petroleja/elektrība) uzņēmumu neapmierināja, un tas mainīja pētījumu virzienu. Tuvākajos gados "Airbus" plāno samazināt CO₂ emisijas, izmantojot videi draudzīgāku degvielu. Bet līdz 2035. gadam kompānija sola laist tirgū pirmo bezemisiju lidmašīnu, kas darbināma ar ūdeņradi. "Airbus" sagaida, ka līdz tam laikam lidostas visā pasaulē būs iekārtojušas infrastruktūru šķidrā ūdeņraža izmantošanai. Tāpat, globālajai rūpniecībai ir jāpalielina "zaļā ūdeņraža" ražošana. Līdz šim dominējošās ražošanas metodes ir tādas, kas procesā izdala pārāk daudz oglekļa dioksīda.

Gaidot tehnoloģijas revolūciju, kas pilnībā izslēgs vajadzību pēc petrolejas, aviācija meklē citus veidus, kā kļūt "zaļākai". Pārsvarā to mēģina panākt, izmantojot ilgtspējīgu jeb videi draudzīgākā veidā ražotu aviācijas degvielu (sustainable aviation fuel – SAF). SAF ir daudz veidu un ražošanas tehnoloģiju, bet daudzi no tiem joprojām attīstās. Tostarp nozare meklē veidus, kā ražot SAF daudz lielākā apjomā nekā to var izdarīt šodien. Turklāt, SAF ir arī dārgāka par petroleju, tāpēc aviokompānijas nesteidzas palielināt tās iepirkumus. Starptautiskās Enerģētikas aģentūras (IEA) izstrādātais ilgtspējīgas attīstības scenārijs paredz, ka līdz 2030. gadam biodegviela veidos vien 10% no pasaulē izmantotās aviācijas degvielas, bet līdz 2040. gadam – 20%. Tajā pašā laikā, Eiropas Parlamentā šobrīd tiek apspriesti jauni tiesību akti, saskaņā ar kuriem līdz 2025. gadam degvielas piegādātājiem aviācijas petrolejai būs jāpievieno vismaz 2% SAF, un līdz 2050. gadam šim īpatsvaram pakāpeniski vajadzētu pieaugt līdz 85%.

Vēl viens ceļš uz "zaļāku" aviāciju ir jaunas paaudzes efektīvu gaisa satiksmes kontroles (air traffic control – ATC) rīku izstrāde. "Lielākā daļa degvielas tiek sadedzināta tā sauktajās gaisa kuģu vektorēšanas un nosēšanās shēmās. Ja ieskatīsieties "Flightradar" vietnē vai atcerēsieties savu neseno lidojumu, jūs sapratīsiet, ka ļoti bieži lidmašīnas pirms nolaišanās riņķo ap lidostu. Ja mums izdosies noorganizēt tiešu nolaišanos lidmašīnām, lai tās viena pēc otras nolaistos taisnā līnijā, tas mums ietaupīs milzīgu apjomu aviācijas degvielas," skaidro Solovjovs. Kā piemēru viņš min attālumu starp Stokholmu un Rīgu. Taisnā līnijā tas ir mazāks par 450 kilometriem, kas ir aptuveni 23-25 minūtes ilgs lidojums. Bet "airBaltic" reiss no mūsu galvaspilsētas uz Zviedrijas galvaspilsētu ilgst 48 minūtes. Vairāk nekā puse no lidojuma laika tiek atvēlēta vektorēšanai, ieejot to lidmašīnu rindā, kas gatavojas nolaisties. Tas ir nepieciešams, jo gaisa telpa mūsdienās ir noslogota, tāpat arī dispečeri. Vektorēšanas shēmas dod dispečeriem vairāk laika, lai pieņemtu drošus lēmumus un veiksmīgi apkalpotu visas lidmašīnas.

Pirmais solis, lai ar tehnoloģiju palīdzību optimizētu šo procesu, ir lidaparātu aprīkošana ar transponderiem, kas darbojas ADS-B (Automatic Dependent Surveillance–Broadcast") režīmā. Eiropas Savienībā, pēc Solovjova teiktā, to lietošana jau tagad ir obligāta. ADS-B tehnoloģija ir paredzēta, lai nākotnē radikāli uzlabotu saziņu starp pilotiem un gaisa satiksmes vadības dienesta dispečeriem. Standarts ļauj gaisa satiksmes dalībniekiem automātiski apmainīties ar lielu informācijas apjomu un uzlabo lidojumu drošību. "Es uzskatu, ka ADS-B ieviešana ir galvenais solis ceļā uz gaisa satiksmes optimizēšanu. Ar šīs tehnoloģijas palīdzību aviācija savāks milzīgus datu apjomus, pēc tam speciālisti pievienos lielo datu analīzes sistēmas, apkopotos datus "parādīs" datoru neironu tīkliem, kas savukārt varēs piedāvāt jaunus gaisa satiksmes algoritmus," prognozē APAC apmācību vadītājs.