La altitudinea de zbor, avioanele emit constant în atmosferă oxid de nitrogen, acolo unde chimicalele rămân ancorate pentru a produce ozon și particule fine. Oxizii de nitrogen, NOx, sunt o sursă majoră de poluare a aerului și au fost asociați cu astmul, cu bolile respiratorii și cele cardiovasculare.
Cercetările ulterioare au arătat că aceste chimicale sunt responsabile, în fiecare an, de 16 000 de morți premature.
Inginerii MIT au realizat un concept de propulsie pentru avioane, care se estimeaza că ar elimina 95% din emisiile de Nox ale aviației, și prin urmare, ar reduce rata de mortalitate prematură asociată poluării cu 92%.
Conceptul este inspirat de sistemul de control emisii folosit în transportul vehiculelelor la sol. Multe autovehicule diesel de tonaj mare folosesc sisteme de control al emisiilor post-combustie pentru reducerea de NOx generat de motoare. Cercetătorii propun un design similar și pentru aviație, dar cu o modificare electrică.
În prezent, avioanele sunt puse în mișcoare de motoare cu reacție ancorate de fiecare aripă. Fiecare motor este alcătuit dintr-o turbină pe gaz cu rolul de a alimenta motorul, emisiile rezultate permit avionului să se deplaseze în aer. Din cauza acestei configurații, nu a fost posibilă folosirea dizpozitivelor de control-emisii, pentru ca ar fi interferat cu puterea produsă de motoare.
În noul design hibrid-electric, sau „turbo-electric”, sursa de putere a avionului ar rămâne convenționala turbină pe gaz, dar ar fi integrată în cargo-ul avionului. În loc să alimenteze direct elicele, turbina ar servi ca un generator,pentru a produce electricitate, care ar putea apoi să pună în mișcare elicele electric. Emisiile produse de turbina de gaz ar intra într-un sistem de control-emisii, asemănător cu cele utilizate pentru vehiculele diesel, care ar opri particulele periculoase să fie eliminate în atmosferă.
„Această idee reprezintă o provocare inginerească, dar nu există limitări fizice fundamentale,” spune Steven Barrett, profesor de aeronautică și astronautică la MIT. „Dacă ne dorim să ajungem la un sector al aviației zero net, acest concept are potențialul de a soluționa o mare parte a problematicii aerului, care este semnificativă, într-un fel în care acest lucru este tehnologic posibil astăzi.”
Detaliile design-ului, incluzând analiza și potențialul cost al combustibilului dar și impactul asupra sănătații, sunt publicate astăzi în jurnalul Energy and Enviromental Science. Co-autorii lucrării sunt Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham și Jayant Sabnins, toți membri ai Laboratorului MIT pentru Aviație și Mediu.
Un plan semi-electrificat
Acest plan a luat naștere când Barrett și echipa lui cercetau scandalul Volkswagen ce a vizat emisiile autovehiculelor diesel. În 2015 s-a descoperit că producătorul de mașini a manipulat intenționat emisiile motoarelor diesel pentru a activa controlul-emisiilor în timpul testelor, astfel încât să pară că îndeplinesc standardele de emisii NOx, în realitate însă, în condiții reale de trafic, emisiile erau mai ridicate cu 40%.
În timp ce se uitau peste impactul pe care această ilegalitate a avut-o pentru sănătate, Barrett s-a familiarizat și cu sistemul de control-emisii pentru vehicule diesel. În același timp, el investiga și posibilitatea de a construi un avion electric.
„Cercetările realizate în ultimii ani ne arată că avioanele mici ar putea fi electrificate complet, însă pentru aeronavele de mari dimensiuni, acest lucru nu va putea fi realizat prea curând, din cauza lipsei de dezvoltare a tehnologiei bateriilor,” afirmă Barrett. „Așa că m-am gândit că poate putem să luăm partea electrică de propulsie de la aeronavele mici și turbinele pe gaz care reprezintă o tehnologie folosită vreme îndelungă, sigura și eficientă, și să le combinăm cu tehnologia de control-emisii care este folosită pentru a alimenta vehiculele de mare tonaj, astfel încât să putem dispune măcar de avioane semi-electrice.”
A zbura cu IMPACT ZERO
Înainte ca electrificarea aeronavelor să fie luată serios în considerare, era posibilă implementarea unui astfel de concept, ca o îmbunătățire spre exemplu, pe spatele avioanelor cu reacție. Dar acest design este defectuos pentru că elimină din puterea produsă de motor, ținându-l efectiv la sol.
Conceptul lui Barrett ocolește aceste limitări separând elicele de turbina pe gaz generatoare de energie. Elicele ar fi alimentate direct de un generator electric, care ar fi la rândul lui alimentat de o turbină pe gaz. Iar emisiile rezultate ar fi alimentate către un sistem de control-emisi, care ar avea loc în cargo-ul avionului – complet izolat de elice.
Cercetătorii au calculat dacă un astfel de sistem hibrid-electric ar putea fi implementat pe o aeronavă Boeing 737 sau Airbus A320. Greutatea suplimentară ar necesita doar 0.6% mai mult combustibil pentru a fi pusă în mișcare.
Acest design este unul mult mai fezabil decât cel al unui avion integral electric, pentru că ar îngreuna cu doar câteva sute de kg avionul, în comparație cu câteva tone, cât ar cântări bateriile necesare pentru a alimenta aeronava.
Cercetătorii au mai calculat că emisiile care ar fi produse de o aeronavă de mari dimensiuni ar putea fi eliminate cu până la 95%. Dacă acest sistem ar fi implementat la toate aeronavele din lume, ar reduce cu până la 92% rata de mortalitate prematură cauzată de poluare. Această estimare s-a realizat folosind un model global de a mapa traseul emisiilor din aviație prin atmosferă și au calculat cât de multe persoane ar fi expuse la aceste emisii. Apoi au convertit rata de expunere cu mortalitate sau estimări al numărului de persoane care ar putea muri din cauza expunerii la poluarea cauzată de aviație.
Echipa lucrează acum la un design cu „impact-zero” care să fie capabil să zboare fără a emite NOx sau alte chimicale care alterează climatul, cum ar fi dioxidul de carbon.
„Ținta noastră este să ajungem la zero-impact climatic și zero morți cauzate de poluarea aerului”, a spus Barrett. „Acest design ar elimina efectiv problema poluării aerului, iar acum lucrăm la partea de impact climatic.”
