وتواجه صناعة الطيران ضغوطا متزايدة لكبح آثارها الكربونية، حيث تستهدف الرابطة الدولية للنقل الجوي انبعاثات الطاقة الصفرية الصافية بحلول عام ٢٠٥٠، بينما تؤدي مراكز الاهتمام الكبيرة بالوقود المستدام والدفع الكهربائي إلى إحداث ثورة أكثر هدوءا على متن الطائرة وهي وحدة الطاقة الإضافية التي توفر القدرة على الصعود على استخدام الوقود، والتي توفر حاليا القدرة على إحداث الاحتراق الكهربائي، وتلوث الطائرات.

Understanding Auxiliary Power Units

أما وحدة الطاقة الإضافية فهي محرك تربين الغاز المحتوي على الذات، ويقع عادة في ممر ذيل أو تحت أرضية طائرة، ويتمثل دورها الرئيسي في توفير الطاقة الكهربائية والهواء النزيف لنظام المراقبة البيئية، عندما لا تعمل المحركات الرئيسية، وتخفض خلال العمليات الأرضية - قبل الارتداد، أو بعد الهبوط، أو أثناء الصيانة - ويمكِّن وحدة النقل الجوي من الإضاءة، وأجهزة الحرق الرئيسية، وعددها ٧٣ دقيقة.

الأنواع والمفاوضات

وتصنف وحدات الاستخدام الآلي الحديثة حسب الحجم والناتج الكهربائي، وتتراوح هذه الوحدات من وحدات صغيرة للطائرات النفاثة (مثلاً، مجموعة هونويل ري220) إلى وحدات كبيرة من الحواسيب لطائرات واسعة النطاق مثل طائرة بوينغ 777 () وهي تعمل على تركيب أجهزة كهربائية تعمل على تركيب أجهزة الدفع المزودة بالبطارية.

The Environmental Case for Solar —Powered APUs

ووفقاً لـ European Aviation Environmental Report]، فإن العمليات الأرضية - بما في ذلك استخدام وحدات خفض الانبعاثات المعتمدة - تمثل نحو 2-6 في المائة من مجموع حروق الوقود للطائرة لكل رحلة، وفي حين تبدو هذه النسبة ضئيلة، فإن الحجم المطلق هائل: إذ يستهلك الطيران العالمي نحو 314 مليون طن من وقود الطائرات في عام 2023، كما أن إزالة الاحتراق الكبير للوقود غير المركبي المتعدد الأطراف يمكن أن تنقذ 6-18 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون.

كما أن وحدات الاستخدام المزودة بالطاقة الشمسية تزيل الضوضاء الصوتية لمحرك توربيني، مما يجعل العمليات الليلية أكثر قبولاً بالقرب من المناطق السكنية، وقد سبق للعديد من المطارات أن تستخدم أو تحتاج إلى ربط بعربات القوى الأرضية (]) إرشادات نوعية الهواء في مطار إيكاو ) كما أن وحدة استخدام الطاقة الشمسية ذاتية تتيح لطائرة تشغيل نظمها دون أي دعم خارجي.

التحديات والابتكارات التقنية

وعلى الرغم من الحوافز البيئية الواضحة، فإن الاستعاضة عن تربين الغاز المثبت بنظام الطاقة الشمسية - الكهربائية يشكل عقبات تقنية هائلة، حيث إن كثافة الطاقة في وقود الطائرات )٠٠٠ ١٢ كيلوواط/كغ( تتجاوز كثيراً حجم أفضل البطاريات التي تباع في اليوم )٠٠٠ ٢٥ كيلوواط/كغم( ولا يمكن للوحات الشمسية أن تجمع الطاقة إلا عندما تكون الطائرات في الهواء الطلق، ولا توفر الشمس المخزنة.

Weight and Aerodynamic Constraints

وينبغي أن تكون الألواح الضوئية ذات وزن خفيف ومتين ومطابقة لجلود الطائرات، كما أن الخلايا الشمسية ذات الكتف الزجاجي المزودة بالأجهزة الكهربائية ذات القدرة العالية جداً وهشة بالنسبة للطيران، وتشمل الحلول قيد التطوير خلايا التفريغ السطحي ذات التدفق العالي، وأجهزة التثبيت ذات القدرة العالية على إحداث التحلل، وأجهزة التحلل ذات الوجه العالي، وأجهزة التحلل الحراري.

كفاءة الخلايا الشمسية ومداها

:: أهداف البحث الحالية: 35 في المائة من خلايا الزلازل المتعددة الجوانب الفعالة المصممة خصيصاً لجلود الطائرات، كما أن الشركات مثل SunPower) وأجهزة ألتا دايس توفر خلايا مرنة ذات كفاءة قدرها 29 في المائة، ولكنها لا تزال تعمل على نطاق المختبر أو باهظ التكلفة، والسبب هو القلق الآخر: يجب أن تصمد الأفرقة في ضربات البرق، وارتفاع الجليد، وتكيفها(60)

تخزين الطاقة وتكنولوجيا البطاريات

فبنك البطاريات الخاص بوحدة التشغيل الآلي بالطاقة الشمسية يجب أن يوصل طاقة ذروة تبلغ عدة مئات من الكيلوتات لفتحات قصيرة )مثلاً، بدء تشغيل المحركات( وشحن ثابت من ٠١ إلى ٠٤ كيلوواط للتكييف بدلاً من أن تكون خلايا الليثيوم الحالية ذات كثافة حرارية عالية ولكنها قابلة للاستمرار بالنسبة لبطاريات التكتل العالي )مثلاً، خطط تويتا للكم(

المبادرات الحالية للبحث والتطوير

ويحقق المتعاقدون الأوليون في مجال الفضاء الجوي ووكالات البحوث بنشاط في مفاهيم اليورانيوم العالي التوليد بالطاقة الشمسية، ويمكن أن يتضمن برنامج " دوب: 2 " (DLT:0) التابع للشركة الوطنية للتصنيف الجوي، مشروعا بشأن العمليات الأرضية المختلطة للطاقة الشمسية [() يُعرض فيه ميزان الطاقة على طائرة مصفحة من طراز PEing 737.

وفي أوروبا، قامت مبادرة Clean Sky 2 ] بتمويل SOLAR —APU]]) متظاهر، وهو جهاز محمول يدمج بين الألواح ذات الترددات العالية مع بطارية كهربائية عمودية تبلغ 50 كيلوواطا، كما نجح النظام في تشغيل أي عملية أرضية متحركة لمدة 45 دقيقة.

وتتحرك الشركات الخاصة بسرعة: ZeroAvia] و] [وتكون الأفرقة المخصصة للهيدروجين تركز على خلايا الوقود الهيدروجينية، ولكن عدة عمليات أقل لبدء التشغيل - مثل مجموعة أدوات سولا الجوية و[التعديلات الإطارية]:

الاستحقاقات الاقتصادية والتشغيلية

أما العامل الاقتصادي الأول في شركات الطيران فهو توفير الوقود، إذ أن وحدة الاستخدام بالطاقة الشمسية تعمل بالطاقة الشمسية تقلل أو تزيل حروق الوقود أثناء العمليات الأرضية، وبالنسبة لطائرة تعمل بالطائرة 200 طائرة وحيدة الأجر، مع متوسط الاستخدام اليومي لثلاث دورات استبدال باليورانيوم، يمكن أن يصل الوفر السنوي للوقود إلى 500 2 طن لكل طائرة، أي ما يعادل 1.5 مليون دولار تقريبا بأسعار الوقود الحالية، كما أن تكاليف الصيانة تزول بسبب انخفاض عدد عناصر الزيت الآلي التي تحركها توربينات.

ومن الناحية التشغيلية، توفر وحدة تشغيلية شمسية مرونة أكبر، ويمكن للطائرات أن تظل عند البوابة لفترات أطول دون الحاجة إلى وحدة للقوى الأرضية، مما يقلل من الاعتماد على الهياكل الأساسية للمطارات، وفي المناخ البارد، يمكن للبطاريات أيضا أن توفر حرارة لطاقم المحركات قبل التسخين، وأن تقلل من إرتداءات التشغيل، وأن تطير الخطوط الجوية إلى مطارات ذاتية محدودة (مثلا، تُفي محطات حظر الانبعاثات من بعد أو تطويرها) من الطاقة الكهربائية.

نظام إصدار الشهادات والطرق التنظيمية

ويتطلب إدخال وحدة تكييف مزودة بالطاقة الشمسية إلى السوق الحصول على شهادة من سلطات الطيران مثل وكالة الطيران الاتحادية (الجزء 33) للمحركات، والجزء 25 من أجل تكامل الطائرات) ووكالة الفضاء الأوروبية (CS-E + CS-25)، ويتمثل التحدي في أن الألواح الشمسية وبطاريات الليثيوم لم تُصدَّق على أنها بدائل لأجهزة الاستمارة، وتشمل الشواغل الرئيسية المتعلقة بالسلامة ما يلي:

  • Fire risk:] Lithium —ion batteries can undergo thermal runaway if damaged or overcharged. Certification requires redundant thermal management, flame containment, and venting systems that prevent fire propagation to the aircraft structure.
  • Electromagnetic interference (EMI): ] Switching power electronics from the solar charge controller and inverter can generate EMI that interferes with avionics. Shielding and filtering must meet DO160 standards.
  • ]Durability under lightning strike:] Panels mounted on the fuselage must not create a pathway for lightning current to enter the aircraft’s electrical system.

معايير السلامة

ويمكن لعملية " FA " الخاصة أن تطلب نظماً جديدة للبطارية، وعلى سبيل المثال، فإن البطاريات الرئيسية للسيارات A350 التي تستخدمها شركة " A350 " تتطلب ظروفاً خاصة منفصلة، كما أن وحدة الاستخدام الشمسي ستحتاج كذلك إلى تحليل مكرس للسلامة (ARP4754A، ARP4761).

التكامل مع نظم الطائرات القائمة

:: يتطلب إعادة مصيدة أسطول داخل الخدمة تعديل نظام توزيع الطاقة الكهربائية (مثل إضافة حافلة طاقة خاصة بالطاقة الشمسية، ونظام إدارة البطاريات، والتفاعل مع فريق التحكم في أجهزة التدوير الآلي) كما يلزم إدخال تغييرات على البرمجيات لإدارة دورات الشحن/الشحن، وتحديد أولويات الطاقة الشمسية على وحدات الطاقة الكهربائية التقليدية (A. Airbus and Boeing) بالتعاون مع موردي الطاقة الكهربائية (Thales, honeywell)

التوقعات المستقبلية: نظم المعلومات الإدارية المتكامل المختلطة

وفي الأجل القريب (2028-2035)، فإن أكثر التشكيلات واقعية هي هيدروجينات من طراز APU، وتقترح أن تكون هناك تربة صغيرة من الغازات (تدفيب الوقود المستدام أو الهيدروجين) تدعم نظام البطاريات الشمسية أثناء فترات طويلة من الحشود أو حمولات كهربائية ثقيلة، ولا يمكن أن تعمل هذه المركبات إلا عند الحاجة، مما يقلل كثيرا من الوقت.

أطول أجلاً، فإن الطائرتين الميكانيكيتين الشمسية (Asttails) مع رؤية ) هيدروجين - الكهرباء .

خاتمة

إن وحدات الطاقة الإضافية ذات الطاقة الشمسية - التي تعمل بالطاقة الشمسية - يمكن أن تمثل فرصة عملية وقرب الأجل لخفض الانبعاثات الأرضية للطيران دون انتظار الكهربة الكاملة للمحركات الرئيسية، وتتحول التكنولوجيا - وهي الألواح الشمسية المرنة ذات الوزن الضيق، وتصليحات الطاقة العالية، وأجهزة توليد الطاقة الكهربائية الفعالة - إلى نقطة التي يعمل فيها بالفعل المكثفون.