احتمالية خلايا الوقود الهيدروجينية في المناطق المستدامة هندسة طائرات الهليكوبتر

Understanding Hydrogen Fuel Cell Technology for Aviation

وقد اكتسبت خلايا الوقود الهيدروجينية اهتماما كبيرا كمصدر للطاقة التحويلية للطيران المستدام، ولا سيما في هندسة الطائرات العمودية، وعلى عكس محركات الاحتراق الداخلي التقليدية التي تحرق الوقود الأحفوري وتطلق ثاني أكسيد الكربون وأكسيدات النيتروجين والمواد الجسيمية، تولد خلايا الوقود الهيدروجينية الكهرباء من خلال تفاعل الكهرمائية بين الهيدروجين والأكسجين، والنات الثانوية الوحيدة هي بخار الماء، مما يجعل هذه التكنولوجيا حجر الزاوية في الطيران غير القابل للانتقالة.

Hydrogen can be used in two primary ways in aircraft: either burned in a modified gas turbine or converted to electricity via fuel cells. For helicopters, fuel cells are often coupleed with electric motors to drive the rotor system, eliminating the need for a heavy equipmentbox and reducingميكانيكي complexity. This structure also enables distributed propulsion, where multiple small electric motors provide redundancy and improved control.

كيف تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية في هيليبتر باورترانز

ويضم نظام خلايا وقود الهيدروجين لطائرة هليكوبتر عدة مكونات: خزانات تخزين الهيدروجين، وحزمة خلايا الوقود، ووحدة لإدارة الطاقة، ومحركات كهربائية، ونظام لتبريد، وتحتوي خلية الوقود على منصة، وكمود، وميدبرانت كهربائي، وتدفقات غاز الهيدروجين إلى الأنود، حيث يقسم المحفز إلى بروتونات وكهرباء.

ونظراً لأن خلايا الوقود تنتج الكهرباء باستمرار بدلاً من تخزينها، كثيراً ما تتضمن الطائرات العمودية مجموعة بطارية صغيرة لمعالجة طلبات الطاقة القصوى أثناء الإقلاع والهبوط، وهذه التشكيلة الهجينية تحسن الكفاءة العامة وتتيح لخلية الوقود العمل في حمولة مطّردة ومثلى، ولا يزال نظام تخزين الهيدروجين عاملاً حاسماً في التصميم، وتستخدم طائرات الهليكوبتر عادة صهاريجاً مركباً تخزن الهيدروجين عند درجة حرارة تتراوح بين 350 و700 و000 10 بوصومتر.

أهم مزايا خلايا الوقود الهيدروجينية للمروحيات

صفر الانبعاثات والآثار البيئية

إن أكثر مزايا خلايا الوقود الهيدروجينية إلحاحا هي قدرتها على القضاء على جميع انبعاثات المركبات المتخلفة، أما بالنسبة للطائرات العمودية العاملة في دور التنقل الجوي الحضري، مثل سيارات الأجرة الجوية أو الخدمات الطبية الطارئة، فإن هذا يعني عدم وجود ملوثات أرضية في المناطق المكتظة بالسكان، وعندما ينتج الهيدروجين باستخدام الطاقة المتجددة (الهدروجين الخضر)، فإن دورة الحياة بأكملها تصبح محايدة من الكربون، وهذا يضاه مع أهداف المناخ العالمي(2).

زيادة الكفاءة من محركات الاحتراق

ويمكن أن تحول خلايا الوقود الطاقة الكيميائية مباشرة إلى الكهرباء باستخدام كفاءة تتراوح بين 50 و60 في المائة، مقارنة بنسبة 30 إلى 35 في المائة لمحركات الاضطرابات، وفي طائرة هليكوبتر، يُترجم ذلك إلى انخفاض استهلاك الطاقة لكل بعثة، مما يمكن أن يوسع نطاق الوقود أو يقلل من وزن الوقود المطلوب، وعلاوة على ذلك، تحتفظ خلايا الوقود بكفاءة عالية في مجموعة واسعة من مواقع الطاقة، بخلاف محركات الاحتراق التي تفقد الكفاءة في الحمولات الجزئية.

تخفيض عدد الأفراد

وتُعد طائرات الهليكوبتر مُسموعة بالضوضاء، مما يحد من قبولها في البيئات الحضرية، وتقضي محركات الطاقة الكهربائية العاملة بالوقود على ارتفاع الترددات في صندوق التروسات وزجاجة الحرق، وتُشير المحركات الكهربائية نفسها إلى صمت تقريبا، وتُصبح مصدر الضوضاء المهيمن مجرد نصلات الدوارة، وهذا الانخفاض في تلوث الضوضاء يجعل طائرات الهليكوبتر ذات الطاقة الكهرمائية أكثر ملاءمة للعمليات الطارئة التي تُعدية.

إعادة الإمداد بالوقود والتقلبات التشغيلية

وعلى عكس الطائرات التي تستخدم البطاريات، والتي تتطلب ساعات لإعادة الشحن، يمكن تزويد طائرات الهليكوبتر الهيدروجينية بالوقود في دقائق - على نحو يصف الوقود الجوي الحالي، وهذا النوع من إعادة الإمداد السريع هو أمر حاسم بالنسبة للمشغلين التجاريين الذين يحتاجون إلى استخدام طائرات عالية.

السلامة والقابلية للاعتماد

إنَّ الـ "هيدروجين" لديهِ تصور عام ضعيف بسبب كارثة "هيندنبورغ" لكنَّ أنظمة تخزين الهيدروجين الحديثة مصممة لتكون قوية، صُممت الدبابات المركبة لتتحمل التأثيرات، والثقوب، والتعرض للحرائق، وفي حالة حدوث تحطم، فإنَّ كثافة الهيدروجين منخفضة تعني أنَّها تُفرّق بسرعة، خلافاً لـ "كيرو سترات" التي تُجمع وتحترق على الأرض.

التحديات الحرجة والهضبة الهندسية

تخزين الهيدروجين وتجارة الوزن

وعلى الرغم من الطاقة العالية المحددة التي توفرها الهيدروجين )حوالي ثلاث مرات من وقود الطائرات المزودة بالكميات(، فإن الهيدروجين له كثافة منخفضة جدا من الطاقة، وحتى في ٧٠٠ بار، فإن خزان الهيدروجين يستهلك تقريبا أربعة أضعاف حجم خزان الكيروسين المكافئ للطاقة، حيث تجهز طائرات الهليكوبتر ذات الحجم الثقيل، وتجهز خزانات تخزين كبيرة دون أن تلحق أضرارا بالكوارب أو القدرة على نقل البضائع، يمثل تحديا كبيرا في التصميم.

كثافة الطاقة وإدارة الحرارة في خلية الوقود

وفي أكوام الوقود الحالية التي تستخدم مركبات PEM تحقق حوالي 2-3 كيلوواط/كغ، في حين يمكن لمحرك توربوشافت أن يوصل 5-8 كيلوواط/كغ بما في ذلك صندوق معداته، وبالنسبة للطائرات العمودية التي تحتاج إلى نسب عالية من الطاقة إلى الوزن للرفع الرأسي، يجب أن تصبح خلايا الوقود أخف، وإجراء بحوث في خلايا الوقود ذات السرعة العالية (تعمل على نحو 120-180 درجة مئوية) وخلايالايالايالايا الوقود المبسطة.

الثغرات في الهياكل الأساسية

ولا توجد بعد شبكة واسعة النطاق لإعادة تزويد الطائرات العمودية بالوقود الهيدروجيني، ومعظم الطائرات العمودية تعمل من مهابط الطائرات الصغيرة، أو المطارات، أو حتى منابر المياه، ومن أجل اعتماد الهيدروجين، ستحتاج هذه المواقع إلى محطات مكلفة للتصفيات أو مجهزة بضغط عالي، وخزانات للتخزين، ومعدات للوقود، وتكلفة بناء محطة إنتاج الهيدروجين الخضراء مرتفعة حاليا، وإن كانت وفورات الحجم تقلل من التكاليف.

شهادات وتنظيم

ولا توجد لدى سلطات الطيران مثل القوات المسلحة الأنغولية والإيسا أي أساس قائم لإصدار شهادات لمحطات توليد الطاقة الخلوية من الهيدروجين في طائرات الهليكوبتر، بل يجب عليها أن تكيف أو تضع قواعد جديدة تغطي سلامة تخزين الهيدروجين، ووسيلة الفشل في خلايا الوقود، وحماية النظام الكهربائي، وقابلية التحطم، ويجب أن تقوم النماذج الأولية بإجراء اختبارات واسعة النطاق على الأرض والرحلات لتثبت السلامة، وعلى سبيل المثال، تقوم وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي [FLT:] بإصدار شهادات قاذفات للطائرات

النماذج الأولية الحالية ومبادرات البحوث

Airbus HCity and Urban Air Mobility Concepts

وتقوم شركة إيربوس بتطوير سيارة HCity، وهي شركة هيدروجين للوقود تعمل بالشبكة الإلكترونية (الإنزال الرأسي الكهربي والهبوط) وهي سيارة أجرة جوية، رغم أنها ليست طائرة هليكوبتر تقليدية، فإن تشكيلتها للطائرات تبرهن على كيفية تشغيل خلايا الوقود العمودية، وتستخدم شبكة خلايا الوقود ذات الدرجة 1.5 ميغاواط، وخزانات الهيدروجين السائلة، والمراوحة للبثبات الجوية(25).

برنامج زيروفيا للملاحة الصحية

وقد قامت شركة زيروفيا، وهي شركة مقرها المملكة المتحدة، بتدفق مركبة هيدروجين - إيلكتري بايبر ماليبو (HyFlyer I) وهي الآن تحول طائرة من طراز Dornier 228 محركا مزدوجا إلى محطة لتوليد الطاقة الخلوية السائلة (HyFlyer II). ورغم أن هذه الطائرات ثابتة الجناحين، فإن التكنولوجيا يمكن نقلها مباشرة إلى منابر الوقود ذات الحجم الدوار(5).

Sikorsky’s Hydrogen Helicopter Studies

وقد أعربت شعبة سيكورسكي في شركة لوكهيد مارتن علنا عن اهتمامها بمحطة الكهرباء الكهربائية الهيدروجينية، وفي شراكة مع برنامج الحرف الإلكتروني المقبل للجيش الأمريكي، تقوم شركة سيكورسكي بدراسة خلايا الوقود الهيدروجينية كوسيلة لخفض البصمة السوقية لطائرات الهليكوبتر في حقول المعارك، ويمكن أن توفر خلايا الوقود قدرة مراقبة صامتة لبعثات الاستطلاع وتخفيض التوقيع الحراري الذي يجعل طائرات الهليكوبتر المزودة بأجهزة شحن غير مزودة بالصواريخ.

البحوث الجامعية والبحثية

وتقوم المؤسسات الأكاديمية مثل جامعة ستوتغارت، والجامعة التقنية لميونخ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتحقيق في خلايا وقود الهيدروجين للنظم الجوية الصغيرة غير المأهولة والطائرات العمودية الخفيفة، وتقوم شركات من قبيل هيبوينت وبوركل السويد بتطوير خلايا وقود عالية التمرين، تتجاوز كثافة الطاقة 2.5 كيلوواط/كغ، وتستهدف تحديدا تطبيقات الطائرات.

Comparative Analysis: Hydrogen vs. Batteries vs. SAF

ولفهم دور الهيدروجين في الهندسة المستدامة للطائرات العمودية، يساعد على مقارنة ذلك ببدائل أخرى لا تحمل انبعاثات الكربون: وقود الطائرات المكلورة بالبطارية والمستدامة.

• ][Bttery-electric] ولطائرات الهليكوبتر كفاءة عالية من حيث التبريد (أكثر من 70 في المائة) ولكنها تعاني من كثافة الطاقة المنخفضة - حوالي 250 كيلو غرام من البطاريات الحالية لليون، مقارنة بـ 300 33 كيلو متر للهيدروجين (LHV).
• Sustainable aviation fuel (SAF)] made from biomass or waste oils can be dropped into existing turbine motors with minimal modifications. SAF reduces lifecycle CO2 emissions by up to 80% and is already in use at major airports. However, it still produces some particulates and NOx, and its supply is not limited.
• ]Overall assessment:] Hydrogen occupies a middle ground-longer than batteries, clean than SAF, and practical for regional rotorcraft. For helicopters requiring flights over 100 km, hydrogen currently appears the most viable zero-emission solution.

مسارات الهيدروجين التجارية

المحاكمات والمظاهرات القريبة من الأرض (2025-2030)

وستشهد السنوات الخمس القادمة عددا من نماذج طائرات الهليكوبتر الخلوية الهيدروجينية التي تحلق على متن الطائرة، ومن المرجح أن تكون هذه الطائرات هي بقايا طائرات الهليكوبتر الخفيفة الموجودة )مثلا، طائرة روبنسون R66 أو طراز Bell 505( التي بها خلايا وقود ومحركات كهربائية، وستركز العمليات الأولية على الاختبارات الأرضية، والتحقق من الهوافير، والتحولات القصيرة الأجل من الجو إلى الأرض، ويتوقع أن تبدأ الرحلات الجوية المرتجلة في الفترة ٢٠٢-٢٠-٢٠٣ بالنسبة للهياكل الأساسية.

منتصف المدة

ومع تحسن كثافة الطاقة الخلوية للوقود )الهدف: ٤-٥ كيلوواط/كغ( وظهور نظم تخزين الهيدروجين، فإن طائرات الهليكوبتر الهيدروجينية ستدخل إلى أسواق التاكسي والفوائد الإقليمية، كما أن الطائرات مثل نسخة مزودة بالطاقة الهيدروجينية من الطائرات H145 أو طائرة سيكورسكي S-76 يمكن أن تنشأ، مما يتيح حدودا تتراوح بين ٣٠٠ و ٥٠٠ كيلومتر مع عدم انبعاثات، وقد تسند الحكومات مناطق الانبعاث الصفري في مراكز المدن، مما يتسارع عملية التبني.

التحول الطويل الأجل (2040-2050)

وبحلول عام ٢٠٥٠، يمكن أن تصبح خلايا وقود الهيدروجين هي أول محطة لتوليد الطاقة الكهربائية لطائرات الهليكوبتر المتوسطة والكبيرة، كما أن التقدم في خلايا الوقود ذات الحرارة العالية والتخزين القابل للتطابق سيمكن من نقل المركبات ذات الرفع الثقيل من أجل النفط والغاز في الخارج، وقطع الأشجار، وصناعات الإغاثة في حالات الكوارث التي تعتمد اليوم على التوربينات الديزلية، كما أن إدماج خلايا الوقود الهيدروجينية مع الدفع الكهربائي والقاذفات الكهربائية الموزعة للكهرباء سيزيد من الاصنة.

الاستنتاج: الأفق المستدام لروتوركرافت

إن خلايا الوقود الهيدروجينية ليست رصاصة فضية، ولكنها تمثل أكثر الطرق مصداقية نحو عمليات طائرات الهليكوبتر التي لا تعمل على الإطلاق والتي يمكن أن تلبي متطلبات الأداء في بعثات العالم الحقيقي، وتتقدم التكنولوجيا بسرعة، مدفوعة بالتقدم الموازي في قطاعات الطيران الآلية والبحرية والطائرات الثابتة الجناحين، وفي حين أن التحديات في التخزين والوزن والهياكل الأساسية والاعتماد لا تزال قائمة، فإن الزخم الذي يخلفه الهيدروجين يُحتمل أن يصل إلى حد كبير بالنسبة إلى هندسات الطائرات العمودية والمشغلات وواها وصناعها وواها وواها وواها وواضعوها في المستقبل، ويستثمرون فيها، ويستثمرون في التنمية.