Inginerii Rolls-Royce au operat un motor de avion modern cu 100% combustie de hidrogen, continuând o idee veche de 70 de ani şi având provocări de stocare în faţă

Atunci când vorbim despre căile de a face aviaţia să-şi reducă semnificativ emisiile de CO2, trei direcţii esenţiale sunt cele mai explorate — producţia de combustibil sintetic de aviaţie SAF, propulsia electrică şi cea cu hidrogen. La propulsia electrică publicasem chiar ieri un articol despre primul zbor al celui mai mare avion electric de pasageri din lume, care a consumat echivalentul a doar 5 dolari în electricitate în decursul a 27 minute de zbor la altitudine joasă. Dar menţionam acolo despre provocările imense de a monta baterii grele pe un avion, care taie din sarcina utilă şi impun un design cu suprafeţe portante mai mari, or, avionul electric despre care vorbeam ieri, de 30 de locuri, are 5 tone de baterii la bord pentru o autonomie de 200 km. Ei bine, hidrogenul e perceput de multe ori ca o alternativă mai viabilă în aviaţie, datorită faptului că e un combustibil mult mai uşor şi mai dens energetic. Iar de curând inginerii Rolls-Royce au operat pentru prima dată un motor de avion modern cu 100% combustie de hidrogen, continuând o idee veche de 70 de ani şi având provocări de stocare în faţă.

Demonstraţia a avut loc la centrul spaţial Stennis al NASA cu un motor Rolls-Royce Pearl 15 modificat, instalat pe un banc mobil de probe. Însă, chiar dacă motorul de avion a rămas la sol pe parcursul întregii demonstraţii, acesta a simulat toate regimurile de funcţionare dintr-un zbor realist — pornirea, rularea pe pistă, decolarea în forţă deplină, menţinerea vitezei de croazieră şi aterizarea.

Pe tot parcursul demonstraţiei, motorul a fost alimentat cu 100% hidrogen, inclusiv în momentele tranzitorii de la o etapă la alta, când motoarele cu reacţie cu schimbări majore în derularea combustiei, iar folosirea hidrogenului în locul combustibilului de aviaţie poate determina sacadări de propulsie şi alte efecte nedorite. Inginerii de la Rolls-Royce, împreună cu partenerii lor de la EasyJet, Tata Consultancy Services şi NASA au făcut astfel cea mai mare realizare prin demonstrarea că şi un motor turbofan modern poate funcţiona deplin cu hidrogen în toate ciclurile şi ipostazele sale de operare. Iar asta e de o importanţă majoră dacă se doreşte integrarea hidrogenului în aviaţie, or, însăşi ideea de a folosi hidrogen în motoarele cu reacţie e vede de aproape 70 de ani, doar că opera la cu totul alţi parametri.

Încă în anul 1957, NASA — pe atunci organizată sub formă de NACA — a derulat un experiment de operare a unui motor cu reacţie J65-B-3, montat pe un avion B-57 Canberra. Acel experiment a avut loc în zbor, la mare altitudine, motorul funcţionând iniţial cu combustibil obişnuit, apoi fiind trecut la hidrogen gazos pentru a se demonstra viabilitatea hidrogenului ca alternativă la kerosen. Testul a simulat multiple valori de altitudine pe durata a aproximativ 20 minute şi a fost considerat un succes.

În 1988, 31 de ani mai târziu, şi un avion Tupolev a efectuat un experiment similar, folosind hidrogen stocat criogenic, care alimenta un motor NK-88.

Totuşi, aceste teste nu au dus la implementarea hidrogenului în aviaţie, atât din cauza complexităţii de a produce hidrogenul din energie regenerabilă în acele timpuri, cât şi din cauza efectelor adverse în combustia unui motor cu reacţie. Unul din cele mai mari riscuri observate a fost cel de retur de flacără, din cauza vitezei mult mai mare de propagare a combustiei la hidrogen. Asta însemna riscul propagării flăcării din camera de arde în amonte, spre zona de formare a amestecului, injectoare sau chiar în interiorul conductelor de alimentare, când efectul poate devenit distructiv şi ireversibil pentru motor. Iar acest efect apare din cauză că viteza de ardere a flăcării la oxigen e mai mare decât viteza fluxului aer care o împinge spre spate. Tocmai de asta, experimentele anterioare treceau motoarele la hidrogen doar în zbor, când avioanele aveau deja viteză mare şi riscul era considerat minim.

Hidrogenul pur are nevoie şi de o energie de aprindere foarte mică, ceea ce sporeşte riscul aprinderilor premature. Iar pe lângă asta, intervalul foarte larg de inflamabilitate determină nevoia de a controla combustia prin precizie extraordinară a injectoarelor. Iar aceste injectoare trebuie reproiectate pentru a fi adaptate la densitatea energetică a hidrogenului. Iar controlul precis al combustiei mai e necesar şi pentru a evita formarea de NOx.

Motorul de acum al celor de la Rolls-Royce a beneficiat tocmai de o reproiectare profundă a injectoarelor, ele fiind cheia obţinerii unui control deplin al operării motorului în toate regimurile menţionate mai sus, fără sacadări.

Mai există o deosebire mare în rata de bypass a motoarelor moderne cu reacţie şi a celor din anul 1957. Motorul Pearl 15 de la Rolls-Royce are o rată de bypass de 4,8:1 (adică de 4,8 ori mai mult aer înconjoară miezul motorului decât masa de aer care intră în motor şi participă la combustie), iar raportul global de presiune e de 43,4:1 (adică raportul dintre presiunea aerului la ieşirea din compresor şi presiunea de la intrarea în motor). În anul 1957, la acel motor testat de NASA, raportul global de presiunea era de 6,9:1, iar asta înseamnă că în motorul modern combustia are loc la temperaturi, presiuni şi densităţi ale aerului în camera de ardere incomparabil mai mari.

Şi tocmai aici vine marea realizare a inginerilor Rolls-Royce. Ei au continuat ideea experimentelor de acum 70 de ani de a rula cu hidrogen, însă au aplicat-o la un motor modern de serie uşor modificat, utilizat pe multe avioane precum Bombardier Global 5500 şi 6500, şi nu s-au limitat la un singur regim de funcţionare în croazieră la viteză mare, ci au cuprins toate ciclurile şi regimurile de funcţionare, demonstrând că pot controla cu precizie motorul cu 100% combustie de hidrogen, fără a admite efectele adverse riscante, descrise mai sus.

Doar că mai există o provocare aferentă nerezolvată. Motorul din experiment a fost alimentat cu hidrogen gazos, dintr-un recipient de la sol, nu dintr-un rezervor criogenic, unde hidrogenul să fie păstrat lichid şi transformat în timp real în stare gazoasă. Iar asta contează foarte mult, întrucât la nivel de greutate, un kg de hidrogen conţine aproximativ 120 MJ sau 33,3 kWh de energie, în timp ce în timp ce un kg de kerosen conţine 43 MJ sau 11,95 kWh de energie. Deci, dacă vorbim doar de greutate, care ar fi mai relevantă la hidrogenul lichid, hidrogenul are un avantaj mare. Dar la nivel de volum, hidrogenul e într-un mare dezavantaj, întrucât până şi în formă lichidă criogenică, densitatea lui energetică volumetrică e de un sfert din cea a kerosenului. Deci, ca să se poată obţine acelaşi rezultat în zbor, ar fi nevoie de rezervoare de 4 ori mai voluminoase, cu sisteme criogenice.

Însă dacă hidrogenul e stocat gazon, chiar şi la 700 bari presiune, cum e stocat în automobile ca Toyota Mirai, volumul necesar e de aproximativ 1,43 ori mai mare. Iar asta înseamnă că volumul rezervoarelor pe un avion ar fi deja de 5,7 ori mai mare la hidrogen gazon decât la kerosen, pe lângă faptul că structura rezervorului trebuie să reziste la 700 bari presiune. Prin urmare, problema stocării hidrogenului la bord e mai uşoară pentru aviaţie la capitolul greutate, ceea ce determină marea atractivitate faţă de bateriile grele, dar în materie de volum încă mai aduce multe dificultăţi care taie din viabilitatea soluţiei.

Aşadar, inginerii Rolls-Royce mai au probleme de rezolvat în faţă până la o implementare de serie, dar ceea ce au făcut de curând reprezintă oricum un salt major de depăşire a celor mai dificile şi riscante impedimente. Restul, la nivel de volum, e oarecum mai uşor de rezolvat prin reproiectarea formelor fuzelajului şi alte posibile soluţii. Şi e la fel de interesant aici că Rolls-Royce n-a vrut să urmeze calea Airbus, GE şi Safran, care au elaborat un motor cu pile de combustie şi propulsie electrică, care vine cu alte degajări locale de căldură, baterii şi o construcţie anevoioasă. Rolls-Royce a ales calea combustiei directe şi a unui motor cu reacţie care poate funcţiona ireproşabil şi, odată rezolvat, simplifică întreg lanţul de elemente necesare.