Máy bay chạy bằng hydro gần như sẵn sàng cất cánh

Một cụm hệ thống truyền động pin nhiên liệu hydro hoàn chỉnh đã chiếm vị trí kiêu hãnh trong gian hàng của Beyond Aero tại Triển lãm Hàng không Paris vừa kết thúc. Việc hệ thống pin nhiên liệu là trọng tâm của công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Toulouse tại sự kiện hàng không hai năm một lần là dấu hiệu cho thấy các bước đang được thực hiện bởi một loạt công ty, từ các công ty khởi nghiệp đến các tập đoàn đa quốc gia, hướng tới hiện thực hóa mục tiêu sử dụng hydro làm nhiên liệu trong lĩnh vực hàng không. .

“Màn trình diễn quy mô nhỏ 85 kilowatt này đã được thử nghiệm thành công cách đây vài tháng. Mặc dù ở dạng hiện tại, nó chỉ phục vụ ngành hàng không siêu nhẹ, nhưng việc thử nghiệm thành công hệ thống truyền động là một bước quan trọng trong con đường phát triển kỹ thuật của chúng tôi nhằm thiết kế và chế tạo máy bay thương mại”, Hugo Tarlé, người đồng sáng lập Beyond Aero nói với Ars Technica.

Tarlé cho biết máy bay thương mại sẽ có tầm hoạt động 800 hải lý và sẽ được cung cấp năng lượng bởi hệ thống truyền động 1 MW. “Để tạo ra nguồn năng lượng này, sẽ không có một pin nhiên liệu megawatt lớn nào cả. Thay vào đó, nó sẽ là nhiều pin nhiên liệu. Nó sẽ dựa trên những lựa chọn kỹ thuật tương tự mà chúng tôi đã thực hiện trên mẫu thử nghiệm quy mô nhỏ—tức là hydro dạng khí, pin nhiên liệu, sự kết hợp giữa pin và động cơ điện."

Beyond Aero vẫn nhỏ

Tarlé liệt kê những lý do đằng sau việc phát triển  loại máy bay CS23  sử dụng hydro. “CS23 là chứng nhận của EASA (Cơ quan An toàn Hàng không Liên minh Châu Âu) dành cho máy bay nhỏ có Trọng lượng cất cánh tối đa thấp. Yêu cầu đối với chứng nhận này thấp hơn so với chứng nhận CS25 (máy bay lớn hơn). Vì vậy, nó thực tế hơn đối với một công ty khởi nghiệp.”

Trong trường hợp của Beyond Aero, chiếc máy bay đầu tiên của họ sẽ có Trọng lượng cất cánh tối đa dưới 8,5 tấn với sức chứa từ 4 đến 8 chỗ ngồi.

“Với công nghệ pin nhiên liệu hydro, chúng tôi có thể đạt được hiệu suất nhất định về phạm vi hoạt động của máy bay. Chúng tôi nhận ra rằng với tầm hoạt động 800 hải lý, chúng tôi có thể bao phủ 80% thị trường máy bay thương gia.” Ông cho biết chỉ riêng pin điện thì không được xem xét vì chúng quá nặng đối với máy bay.

“Chỉ riêng pin không phải là một lựa chọn do mật độ năng lượng khối lượng thấp của chúng. Chỉ với pin, tầm hoạt động của máy bay rất thấp. Tuy nhiên, sẽ có sự kết hợp giữa pin nhiên liệu với pin cho các giai đoạn cần thêm năng lượng, chẳng hạn như trong quá trình cất cánh. ”

Tarlé cũng nhấn mạnh rằng nhu cầu cấp thiết là phải khử cacbon cho máy bay kinh doanh vì lượng khí thải CO ₂ của nó  . Ông nói : “Lượng khí thải CO _2]  trên mỗi hành khách trên máy bay thương gia cao gấp 10 lần so với một hành khách đi máy bay.

Một yếu tố quan trọng khác để lựa chọn máy bay có kích thước tương đối nhỏ hơn là quá trình chứng nhận. Tarlé nói: “Là một công ty khởi nghiệp trẻ, việc hướng tới chứng chỉ hạng CS 23 sẽ thực tế hơn là chứng nhận cho một chiếc máy bay”.

Nói về những thách thức trong thiết kế, Tarlé cho biết việc nắm vững các đặc tính của hydro và oxy bên trong pin nhiên liệu là một nhiệm vụ quan trọng. “Để đạt được hiệu suất tốt nhất của pin nhiên liệu, chúng tôi đang xem xét một số yếu tố như sử dụng máy nén, bộ làm mát trung gian và bộ lọc, cũng như thay đổi các đặc tính của hydro (ví dụ: tăng nhiệt độ của nó) trước khi nó đạt đến nhiệt độ tối đa. cực dương của pin nhiên liệu,” ông nói.

Theo Tarlé, thách thức khác liên quan đến hệ thống làm mát. “Chúng ta cần phải tản rất nhiều năng lượng nhiệt, điều này làm tăng thêm trọng lượng. Do đó, việc nắm vững sự phức tạp của hệ thống làm mát là rất quan trọng,” ông nói và cho biết thêm Beyond Aero đã được cấp bằng sáng chế cho một giải pháp về vấn đề này.

Máy bay nửa hydro của ZeroAvia

Trong khi Beyond Aero đặt mục tiêu ra mắt chiếc máy bay đầu tiên vào năm 2030, một công ty khởi nghiệp của Anh/Mỹ tự tin rằng họ có thể đưa năng lượng hydro lên bầu trời sớm nhất là vào năm 2025. Để đạt được mục tiêu này, ZeroAvia đang phát triển các động cơ có thể được trang bị thêm trên các máy bay hiện có. “Có một đội máy bay lớn có thể được trang bị thêm hệ truyền động pin nhiên liệu. Đây là cách nhanh hơn để đưa công nghệ vào sử dụng,” giám đốc chiến lược của ZeroAvia, James McMicking, cho biết.

Ông nói thêm rằng, mặc dù việc trang bị thêm có thể không cho phép máy bay di chuyển hết phạm vi thiết kế nhưng nó vẫn đủ đáp ứng nhu cầu của khách hàng. “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi thực sự có thể giảm chi phí cho khách hàng vì nhiều khung máy bay trong số này đã được thiết kế để bay xa hơn rất nhiều so với trước đây”.

“Khi chúng tôi trang bị thêm một chiếc máy bay, chúng tôi sẽ tăng thêm trọng lượng vì thế hệ đầu tiên của những động cơ này nặng hơn tuabin. Chúng tôi bù đắp cho trọng lượng tăng thêm bằng cách giảm phạm vi hoạt động của nó.” McMicking cho biết tầm hoạt động của chiếc Donner 228 được trang bị thêm pin nhiên liệu hydro sẽ vào khoảng 250 đến 300 hải lý, bằng một nửa so với máy bay tiêu chuẩn. Ông giải thích: “Nhưng ngay cả phạm vi giảm đi vẫn đủ cho 98% tất cả các nhiệm vụ mà những chiếc máy bay này thực hiện”.

Sản phẩm đầu tiên của ZeroAvia sẽ là động cơ pin nhiên liệu hydro 600 kilowatt, nguyên mẫu hiện đang được thử nghiệm trên máy  bay Dornier 228 19 chỗ . “Một động cơ của máy bay sử dụng pin nhiên liệu 600 kilowatt phù hợp với hiệu suất của động cơ phản lực cánh quạt ở phía bên kia của máy bay. Chúng tôi làm như vậy vì khi bạn thử nghiệm bất kỳ công nghệ mới nào trong ngành này, bạn muốn đảm bảo mức độ an toàn tối đa. Vì vậy, trong trường hợp chúng tôi cần tắt động cơ vì bất kỳ lý do gì, chúng tôi có thể làm như vậy mà vẫn có nguồn điện từ bên kia cùng lúc”, ông nói.

Ông nói thêm: “Để có được chứng chỉ thử nghiệm cho máy bay, chúng tôi phải chứng minh với cơ quan quản lý rằng máy bay có thể cất cánh bằng động cơ điện hydro, trong trường hợp động cơ phản lực cánh quạt phải ngừng hoạt động”.

Theo McMicking, động cơ này tạo ra đủ năng lượng cho máy bay 19 chỗ. “Chúng tôi đang hợp tác với các OEM như Textron và Hindustan Aeronautics Limited. Chúng tôi sẽ bắt đầu chương trình chứng nhận vào đầu năm tới và đặt mục tiêu đưa sản phẩm đầu tiên ra thị trường vào cuối năm 2025”, ông nói.

McMicking cho biết hệ thống truyền động mới sẽ phù hợp với hiệu suất của tuabin về công suất và lực đẩy. “Phi công sẽ có thể vận hành nó gần với hiệu suất tiêu chuẩn của máy bay. Có một số thỏa hiệp liên quan đến phương pháp trang bị thêm. Tuy nhiên, bạn sẽ đạt được một giải pháp có lợi về mặt kinh tế trên cơ sở mỗi chỗ ngồi và rõ ràng là không có lượng khí thải,” ông nói.

Ông cho biết công ty cũng đang đảm bảo rằng nguồn hydro của mình là sạch nhất có thể. "Chúng tôi đang cung cấp cho khách hàng các hợp đồng động cơ bao gồm hydro. Điều đó có nghĩa là chúng tôi sẽ chịu trách nhiệm tìm nguồn cung cấp hydro. Chúng tôi đang thực hiện nhiều nghiên cứu và phát triển cơ sở hạ tầng hydro xanh. Chúng tôi có một mẫu thử nghiệm sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất hydro,” anh ấy nói.

McMicking cho biết sản phẩm tiếp theo của ZeroAvia sẽ là động cơ lớn hơn và hệ thống lưu trữ hydro lỏng cho máy bay ATR 72 và Dash 8, những động cơ phản lực cánh quạt có thể chở tới 78 hành khách.

Airbus lên kế hoạch thử nghiệm trên chuyến bay

Trong khi đó, hãng hàng không khổng lồ Airbus cũng đang bận rộn phát triển mẫu động cơ chạy bằng pin nhiên liệu, có thể sẽ có chuyến bay thử nghiệm đầu tiên vào năm 2026.

Theo Hauke ​​Lüdders, người đứng đầu hệ thống động cơ đẩy pin nhiên liệu cho dự án nghiên cứu ZEROe của Airbus. Máy bay A380 đầu tiên của ZEROe (A380 MSN1) sẽ được chuyển đổi thành máy bay trình diễn trong phòng thí nghiệm bay để cho phép thử nghiệm động cơ hydro.

“Hydro sẽ được lưu trữ ở dạng hóa lỏng trong bể đông lạnh. Nó sẽ được chuyển đổi thành dạng khí trước khi được đưa vào động cơ pin nhiên liệu loại megawatt,” Lüdders nói.

Ông cho biết động cơ pin nhiên liệu sẽ không được sử dụng để vận hành máy bay trình diễn A380. “Nó sẽ là một động cơ gắn liền có lực đẩy sẽ được đo trong các giai đoạn bay khác nhau và trong các thao tác khác nhau. Chúng tôi muốn kiểm tra hành vi của nó trong các điều kiện môi trường khác nhau,” ông nói.

Ông nói thêm: “Những cuộc thử nghiệm này có thể tạo cơ sở cho việc phát triển động cơ pin nhiên liệu cho máy bay 100 chỗ ngồi trong khu vực, một trong ba khái niệm ZEROe”. Luedders cho biết các mẫu concept ZEROe khác sẽ được trang bị động cơ hybrid hydro sử dụng quá trình đốt cháy hydro hoặc động cơ điện chạy bằng pin nhiên liệu.

Airbus cũng đã tài trợ cho một công ty khởi nghiệp, UpNext, đang phát triển trình diễn động cơ pin nhiên liệu hydro cho Bộ nguồn phụ (APU) của máy bay A330.

APU chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí và ánh sáng trong cabin cũng như để điều khiển thủy lực và khí nén của máy bay khi nó ở trên mặt đất.

Theo Giulio Zamboni, người đứng đầu cuộc biểu tình HyPower, mục tiêu chính của chương trình là khám phá những gì cần thiết để tích hợp các hệ thống năng lượng không đẩy mới dựa trên hydro.

"Pin nhiên liệu đi kèm với hiệu suất nhiệt nhất định. Khi bạn mang phiên bản pin nhiên liệu lên máy bay, bạn cần cung cấp hệ thống làm mát không có trên máy bay. Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu các yêu cầu hệ thống như vậy cho sự tích hợp của động cơ pin nhiên liệu trên máy bay," ông nói.

Zamboni cho biết máy trình diễn HyPower, không liên quan đến việc phát triển sản phẩm trực tiếp, cũng sẽ được thử nghiệm trên chuyến bay.

Ông nói: “Việc sửa đổi máy bay sẽ bắt đầu vào năm tới cùng với sự hỗ trợ thử nghiệm trên mặt đất. Sau đó sẽ là chuyến bay thử nghiệm đầu tiên vào cuối năm 2025”.

Không rõ liệu hydro có phải là trọng tâm trong quá trình khử cacbon trong ngành hàng không hay không – các công ty khác đang đặt cược vào việc cải tiến pin và nhiên liệu sinh học đã cung cấp năng lượng cho một số chuyến bay. Nhưng những nỗ lực của các công ty này có thể sẽ cho chúng ta ý tưởng rõ ràng hơn nhiều về khả năng của hydro trước khi thập kỷ này kết thúc.