การบินสีเขียวนำปีกด้วยการออกแบบเครื่องบินไฟฟ้า

ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วโดยรวมของการเดินทางทางอากาศ การออกแบบเครื่องบินจึงพร้อมสำหรับการกำจัดคาร์บอน แต่การบินด้วยไฟฟ้าที่แพร่หลายนั้นต้องการแบตเตอรี่และระบบน้ำหนักเบาที่ดีกว่า

โดย GARETH WILLMER

ในขณะที่อุตสาหกรรมการบินโผล่ออกมาจากผลกระทบของการระบาดใหญ่ของ COVID-19 เมื่อจำนวนผู้โดยสารลดลง จำนวนเที่ยวบินก็เพิ่มขึ้นอีกครั้ง อุตสาหกรรมกำลังฟื้นตัวสู่ระดับก่อนการแพร่ระบาดของผู้โดยสารทางอากาศ โดยมีการคาดการณ์บางส่วนคาดการณ์ว่าจะเติบโตมากกว่า 40% ภายในปี 2593

โดยทั่วไปแล้ว นอกเหนือจากวิกฤตการณ์แล้ว การเดินทางของผู้โดยสารทางอากาศมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ 15 ปี โดยภาคการบินยังได้พิสูจน์ว่าเป็นแหล่งปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) ที่เติบโตเร็วที่สุดแห่งหนึ่งอีกด้วย ปัจจุบันคิดเป็น 2% ของการปล่อย GHG ทั่วโลก แต่คาดว่าจะเพิ่มขึ้นสามเท่าภายในปี 2593 จากระดับปี 2558 ตามวิถีที่มีอยู่

เนื่องจากข้อตกลงสีเขียวของยุโรปเรียกร้องให้มีความเป็นกลางต่อสภาพอากาศภายในปี 2050 จึงเรียกร้องให้มีการรีเซ็ตสีเขียวเพื่อปรับปรุงความยั่งยืนของการบิน ตามลิงค์เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ  มาตรการที่สหภาพยุโรปสนับสนุนเพื่อลดการปล่อยมลพิษในการบิน

การบินมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยการปรับปรุงเครื่องยนต์ แต่ decarbonisaton เรียกร้องให้มีทางเลือกอื่นแทนเครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในปัจจุบัน

ระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดไฟฟ้าและแบบใช้ไฟฟ้าเต็มรูปแบบมีคำตอบเดียว ระบบส่งกำลังดังกล่าวได้รับแรงฉุดลากบนพื้นดินแล้ว โดย  ยอดขายรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นสองเท่าในปีที่แล้วเป็น 6.6ล้าน

โครงการจำนวนมากกำลังดำเนินการเพื่อให้การบินปฏิบัติตาม แต่ต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย อย่างน้อยที่สุดก็คือน้ำหนักของแบตเตอรี่ ตามลิงค์เพื่อ  อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการออกแบบเครื่องบินอย่างยั่งยืนในนิตยสาร Horizon

Fabio Russo หัวหน้าฝ่ายวิจัยและพัฒนาของผู้ผลิตเครื่องบิน Tecnam ในเมือง Capua ประเทศอิตาลี กล่าวว่า การค้นหาทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมซึ่งมีประสิทธิภาพสูงและให้ผลกำไรพร้อม ๆ กันนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด

ความสามารถในการปรับขนาด

รุสโซเป็นผู้นำโครงการ  H3PS  (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain) ซึ่งตรวจสอบศักยภาพของระบบไฟฟ้าไฮบริดในเครื่องบินที่เรียกว่า ‘การบินทั่วไป’ (GA)

ครอบคลุมเครื่องบินพลเรือนมากกว่า 400,000 ลำทั่วโลก หมวดหมู่นี้รวมถึงเครื่องบินส่วนตัว เครื่องบินไอพ่นสำหรับธุรกิจ เฮลิคอปเตอร์ และอื่นๆ แต่ไม่รวมสายการบินพาณิชย์

เนื่องจากเครื่องบินที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก การริเริ่ม H3PS จึงมองว่าเครื่องบินเหล่านี้เป็นก้าวแรกสู่การพัฒนาระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับเที่ยวบินที่กว้างขึ้น

“เราต้องการโซลูชันด้านสิ่งแวดล้อมในวันนี้ และโครงการ H3PS ได้เสร็จสิ้นลงเพื่อพิสูจน์โซลูชันที่มีประสิทธิภาพ น้ำหนักเบา และปรับขนาดได้” รุสโซกล่าว

‘ปรับขนาดได้หมายความว่าคุณสามารถย้ายแนวคิดนี้จากเครื่องบินสี่ที่นั่งขึ้นไปเป็นเครื่องบิน 11 ที่นั่งหรือในที่สุดเครื่องบินที่มีที่นั่งมากกว่า’

ระบบส่งกำลังไฮบริด

โครงการนี้ยังเกี่ยวข้องกับโรลส์-รอยซ์และผู้ผลิตเครื่องยนต์ Rotax หนึ่งในวัตถุประสงค์ของมันคือการบินเครื่องบินสี่ที่นั่งที่ขับเคลื่อนโดยสิ่งที่เรียกว่า ‘ระบบส่งกำลังไฮบริดแบบขนาน’ ซึ่งรวมทั้งเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิมและมอเตอร์ไฟฟ้าเข้าด้วยกัน

ระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดสามารถให้ ‘กำลัง’ แก่เครื่องบินในระหว่างขั้นตอนการบิน เช่น การบินขึ้นและไต่ระดับ รุสโซกล่าว สำหรับรถยนต์ไฮบริด คุณสามารถใช้เครื่องยนต์เชื้อเพลิงที่มีกำลังต่ำกว่าปกติและเติมช่องว่างเพื่อให้เครื่องบินบินขึ้นและไต่ระดับด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า

‘คุณจึงสามารถเข้าถึงเครื่องยนต์เชื้อเพลิงที่มีอัตราการสิ้นเปลืองน้อยกว่า’ รุสโซกล่าว

วิธีการนี้ทำให้ขนาดและน้ำหนักของเครื่องยนต์ลดลง ทำให้สามารถใส่แบตเตอรี่สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าเข้าไปได้โดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักให้กับระบบมากนัก

ปลายปีที่แล้ว โครงการประสบความสำเร็จในการขึ้นสู่ท้องฟ้าด้วยเครื่องบิน Tecnam P2010 H3PS ในฐานะที่เป็นสี่ที่นั่งแรกที่ทำเช่นนี้โดยใช้ระบบไฮบริดคู่ขนาน H3PS ได้  เน้นถึงความสำเร็จ  ดังกล่าวว่าเป็น ‘ก้าวสำคัญในการเดินทางของอุตสาหกรรมการบินไปสู่การลดคาร์บอนและการวิจัยและพัฒนาในระบบส่งกำลังทางเลือก’

ประหยัดแบตเตอรี่

อย่างไรก็ตาม รุสโซเน้นย้ำว่าโครงการนี้เป็นการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้สำหรับเครื่องบินดังกล่าว มากกว่าการสร้างผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาด มีวิธีที่จะทำให้พวกเขาเป็นจริงในวงกว้าง เขากล่าว

“ยังคงมีข้อจำกัดมากมายในแง่ของเศรษฐศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการพัฒนาเครื่องยนต์และเครื่องบินประเภทนี้” รุสโซกล่าว

ปัจจัยจำกัดสำคัญประการหนึ่งคือการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่เมื่อหมุนเวียนการชาร์จใหม่ ซึ่งหมายความว่ามีค่าใช้จ่ายสูงในการเปลี่ยนทดแทนตามช่วงเวลา ซึ่งในปัจจุบันการประเมินของ Russo อาจใช้เวลาเพียงสองสามเดือน

เขาเชื่อว่าการปรับปรุงขึ้นอยู่กับแรงผลักดันที่แท้จริง โดยได้รับการสนับสนุนจากอุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ เพื่อเพิ่มเทคโนโลยีแบตเตอรี่ ในขณะที่ลดต้นทุนการขนส่งและการรื้อถอน และปรับปรุงเศรษฐกิจหมุนเวียน

‘เศรษฐกิจในท้องถิ่นสำหรับการผลิตแบตเตอรี่เป็นสิ่งสำคัญ’ รุสโซกล่าว ‘สิ่งนี้ยังหมายความว่า CO2 จะไม่ถูกบันทึกเฉพาะระหว่างการใช้งานเท่านั้น แต่ทั้งก่อนและหลังการใช้แบตเตอรี่ในเครื่องบิน’

เขาเสริมว่าสำหรับส่วนประกอบเครื่องบินโดยรวม จำเป็นต้องเน้นที่วงจรชีวิตแบบครบวงจรและผลกระทบของผลิตภัณฑ์

ลูกผสมที่มีชีวิต

รุสโซเชื่อว่าเครื่องบินไฮบริดดังกล่าวจะมีศักยภาพทางเศรษฐกิจมากขึ้นภายในปี 2573 โดยมีศักยภาพในการประหยัดการปล่อยมลพิษได้อย่างมากในบางช่วงของการบิน

การทดสอบหนึ่งครั้งที่ทีมของเขาทำบ่งชี้ว่าอาจมีการปล่อยคาร์บอนลดลง 50% ในระหว่างการบินขึ้นและไต่ระดับเริ่มต้น และ 20% ตลอดการเดินทางสามชั่วโมง ซึ่งแนะนำโดยปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้น้อยลง

‘เมื่อสิ้นสุดการบิน เมื่อเราวัดเชื้อเพลิงที่เราบริโภค ความแตกต่างนั้นน่าทึ่งมาก’ รุสโซกล่าว

โครงการอื่นๆ กำลังศึกษาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพส่วนประกอบต่างๆ สำหรับระบบการบินขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าในอนาคต เพื่อให้น้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ รวมทั้งมีความปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่น  โครงการ EASIER  ได้ออกแบบระบบเพื่อจำกัดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ระหว่างส่วนประกอบที่อาจส่งผลต่อการทำงานของเครื่องบิน

ทีมงานกำลังศึกษาวิธีการระบายความร้อนเพื่อระบายความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบทางไฟฟ้าได้ดีขึ้น นั่นคือทั้งหมดในขณะที่พยายามทำให้แน่ใจว่าเครื่องบินยังคงน้ำหนักเบา โดยคำนึงถึงขนาดและน้ำหนักของแบตเตอรี่ในปัจจุบันด้วย

ดร.อิกนาซิโอ คาสโตร วิศวกรอาวุโสของ Collins Aerospace ในเมืองคอร์ก ประเทศไอร์แลนด์ เป็นผู้ประสานงานของ EASIER เขากล่าวว่าโครงการกำลังตรวจสอบตัวเลือกการกรองและสายไฟของ EMI ที่มีปริมาตรและน้ำหนักที่ต่ำกว่าสำหรับระบบส่งกำลังไฟฟ้าในเครื่องบิน รวมถึงระบบระบายความร้อนแบบ ‘สองเฟส’ และวิธีการปรับปรุงอัตราการถ่ายเทความร้อนไปยังภายนอกเครื่องบิน

เขาอธิบายว่าตอนนี้จำเป็นต้องเตรียมตัวสำหรับอนาคตระยะยาวของระบบไฟฟ้า ดร.คาสโตรกล่าวว่า “การเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เราทำกับเครื่องบินเพื่อให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น อาจทำให้น้ำหนักของเครื่องบินเพิ่มขึ้น”

“นั่นยังเพิ่มปริมาณการใช้เชื้อเพลิง ดังนั้นเราอาจไม่มีเครื่องบินที่พร้อมสำหรับการบินอย่างเต็มที่ เราจำเป็นต้องทำให้สิ่งต่างๆ เล็กลง’

งานที่จะเกิดขึ้นของ EASIER บางส่วนเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบเพิ่มเติมเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนระหว่างวิธีการต่างๆ “แนวคิดก็คือเราจะมาดูกันว่าระบบระบายความร้อนมีผลกระทบต่อ EMI อย่างไร และในทางกลับกัน เพื่อดูว่ามีนัยสำคัญอย่างไร” ดร.คาสโตรกล่าว

การแลกเปลี่ยน

มีการแลกเปลี่ยนอื่น ๆ ทุกประเภทที่ต้องทำความเข้าใจเมื่อต้องการผลิตเครื่องบินไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในขณะที่การทำของให้เล็กลงจะลดน้ำหนัก แต่ก็สามารถทำให้สิ่งต่างๆ ร้อนเร็วขึ้นเช่นกัน เช่นเดียวกับบ้านหลังเล็กๆ ที่อุ่นเร็วขึ้นเมื่อถูกความร้อน ดร.คาสโตรกล่าวว่า “นั่นเป็นการแลกเปลี่ยนกับน้ำหนัก ขนาด และประสิทธิภาพ ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่าย”

เขาเสริมว่าการรวมเทคโนโลยีแต่ละอย่างเข้ากับระบบเครื่องบินโดยรวมที่ทำงานได้ดีจะเป็นกุญแจสำคัญในการวิจัยในอนาคต

“มันเป็นเรื่องเกี่ยวกับการทำความเข้าใจว่าสถาปัตยกรรมควรมีลักษณะอย่างไรเพื่อให้มีประสิทธิภาพมากที่สุด” ดร. คาสโตรกล่าว

เมื่อเปรียบเทียบกับการก่อสร้างแล้ว เขาเน้นว่าคุณไม่สามารถแค่เอาอิฐเข้าด้วยกันด้วยวิธีใดๆ ก็ได้เพื่อสร้างอาคาร “คุณต้องรวมสิ่งต่างๆ เข้าด้วยกันอย่างชาญฉลาดในบริบทของการจ่ายพลังงาน” เขากล่าว

ทิศทางที่ถูกต้อง

แม้ว่าจะมีปัญหาที่ซับซ้อนมากมายที่ต้องแก้ไขในการบินไฟฟ้า ดร.คาสโตรเชื่อว่าสิ่งต่าง ๆ กำลังเริ่มไปในทิศทางที่ถูกต้อง “ผมคิดว่าเรากำลังเดินบนเส้นทางที่ถูกต้องสู่การบินแบบไฮบริด-ไฟฟ้า และมีความน่าสนใจมากมายและหลายโปรแกรม” เขากล่าว ‘นั่นจะเป็นก้าวแรกในการเริ่มลดการปล่อยคาร์บอน’

การดูแลให้ระบบใหม่เหล่านี้ทำงานได้อย่างราบรื่นและปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน ความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง และการชนเพียงครั้งเดียวก็เพียงพอที่จะสร้างหัวข้อข่าวใหญ่และสร้างความหวาดกลัวมากมาย

นั่นหมายถึงความจำเป็นในการดูแลการพัฒนาที่สำคัญ ดร.คาสโตรกล่าวว่า “มีความเสี่ยงที่จะบอกว่าสิ่งต่างๆ จะดีมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสิ่งของต่างๆ จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถืออย่างยิ่งยวดสำหรับเครื่องบิน” ‘มันเป็นการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในเทคโนโลยี’

นอกจากนี้ ยังมีการลงทุนอีกมาก และมีคำถามมากมายที่จะตอบในทศวรรษหน้า เขากล่าว ดร.คาสโตรกล่าวว่า “ความท้าทายต่อการปล่อยมลพิษสุทธิเป็นศูนย์ในสหภาพยุโรปภายในปี 2593 เป็นความท้าทายครั้งใหญ่ และฉันไม่คิดว่าในขณะนี้จะมีใครมีคำตอบที่แน่ชัด” ‘มันเป็นคำถามหนึ่งล้านดอลลาร์’

งานวิจัยในบทความนี้ได้รับทุนจากสหภาพยุโรปและตีพิมพ์ครั้งแรกในนิตยสารHorizonซึ่งเป็นนิตยสาร EU Research and Innovation  

หน้าแรก