dlapilota.pl
Elektryczne samoloty nie muszą już pozostawać marzeniem
Samochody elektryczne stały się już elementem codzienności. Takie rozwiązanie pociąga za sobą jednak znaczny wzrost masy pojazdu. Międzynarodowy zespół naukowców i inżynierów przeanalizował możliwości optymalizacji silników elektrycznych pod kątem zastosowań w lotnictwie, kolejnictwie i transporcie morskim, gdzie każdy dodatkowy kilogram stanowi poważny problem.
Coraz więcej samochodów osobowych porusza się po drogach dzięki bateriom i silnikom elektrycznym. Znacznie trudniej zastosować podobne rozwiązanie w samolocie pasażerskim czy statku oceanicznym. Potrzebne są tam moce silników liczone w megawatach, a każda dodatkowa masa ogranicza zasięg, ładunek lub liczbę pasażerów. Jednocześnie transport odpowiada za około 23 proc. emisji dwutlenku węgla związanych z wykorzystaniem energii. Bez nowych technologii trudno będzie ograniczyć jego wpływ na klimat.
W lotnictwie podstawowym problemem jest stosunek mocy silnika do jego masy. Obecne silniki elektryczne osiągają od 5 do 10 kW/kg. To za mało dla średnich i dużych samolotów. Masę zwiększają również kable, transformatory, układy zabezpieczające i instalacje odprowadzające ciepło. Samo zbudowanie większej i z konieczności cięższej baterii nie rozwiązuje więc wszystkich problemów elektrycznego napędu w tym obszarze.
Pomóc mogą nadprzewodniki. Po schłodzeniu poniżej temperatury krytycznej przewodzą one prąd praktycznie bez oporu i mogą przesyłać bardzo duże jego natężenia. Pozwala to budować mniejsze, a przez to lżejsze silniki, generatory, kable i transformatory o dużej mocy. Fizycy mówią o nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, jednakże nazwa ta jest nieco myląca, gdyż nawet takie materiały wymagają schłodzenia do około −183 st. C, a niekiedy jeszcze niższej temperatury. Niektóre z nich można chłodzić względnie tanim i łatwo dostępnym ciekłym azotem.
Najważniejsze dla elektryfikacji przemysłu lotniczego pytanie brzmi zatem, czy korzyść wynikająca ze zmniejszenia masy urządzeń przewyższy ciężar, koszt i złożoność instalacji chłodzącej.
Odpowiedzi szukało ponad 60 naukowców i inżynierów z przeszło 40 uczelni, instytutów i firm, w tym europejskiego producenta samolotów, firmy Airbus. W 26 eksperckich analizach przygotowali prognozę rozwoju nadprzewodzącego transportu na najbliższe 10–20 lat.– Elektryczne samoloty nie muszą już pozostawać marzeniem – przekonuje Wenjuan Song z Uniwersytetu w Glasgow, kierująca pracami nad prognozą opublikowaną w czasopiśmie „Superconductor Science and Technology” (https://phys.org/news/2026-07-roadmap-paper-superconductors-decarbonize-sector.html). Nie oznacza to jednak, że duży samolot nadprzewodzący jest gotowy do startu. Airbus uruchomił w 2023 roku rdzeń kriogenicznego układu napędowego o mocy 500 kW, ale był to demonstrator naziemny. Rozwijane maszyny nadprzewodzące mają osiągać od 20 do 40 kW/kg, czyli kilkakrotnie więcej niż obecne silniki elektryczne.
Szczególnie interesujące jest połączenie nadprzewodnictwa z ciekłym wodorem. W samolocie lub statku wodór mógłby być paliwem, a jego bardzo niska temperatura (−250 st. C) pomagałaby chłodzić silniki i przewody. Nie usuwa to kosztów produkcji wodoru ani potrzeby budowy nowej infrastruktury, ale pozwala wykorzystać zimno, które w innym przypadku byłoby tylko technicznym obciążeniem.
Do tej pory amerykańska marynarka przetestowała nadprzewodzący silnik okrętowy o mocy 36,5 MW. W Chinach zaś zbudowano transformator trakcyjny o sprawności przekraczającej 99 proc. i masie poniżej czterech ton. Nadprzewodzące kable zainstalowano też na liniach kolejowych w Japonii i Francji.
Warto podkreślić, że nadprzewodniki też mają swoje ograniczenia techniczne: straty pojawiają się przy zastosowaniu prądu przemiennego, materiały są drogie, a chłodzenie musi być niezawodne. Konieczne są też systemy wykrywające lokalne przegrzanie, które może nagle zniszczyć stan nadprzewodzący, oraz zabezpieczenia, procedury obsługi i certyfikacja całych pojazdów. Jeden ze scenariuszy przedstawionych w publikacji wskazuje, że wykorzystanie nadprzewodników w lotnictwie, żegludze i kolei mogłoby ograniczyć emisje o około 23 miliardy ton w ciągu 25 lat przy założeniu dużej skali wdrożeń. Klimatyczny efekt zależałby jednak w dużej mierze od tego, czy energia elektryczna i wodór pochodziłyby ze źródeł niskoemisyjnych.
Opublikowane wyniki badań i prognozy pokazują, że przejście od udanych demonstratorów do samolotów, statków i pociągów używanych codziennie wymaga jeszcze wielu lat pracy. Stawką są jednak napędy lżejsze i wydajniejsze niż obecnie, dzięki którym elektryfikacja nie musiałaby kończyć się na samochodzie osobowym. kmp/ agt/
