وتمثل صناعة الطيران العالمية نحو ٢-٣ في المائة من مجموع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ، وهو نصيب يتوقع أن ينمو مع ارتفاع الطلب على السفر جوا، وقد برزت، استجابة لذلك، أنواع الوقود المستدام للطيران كركيزة حاسمة من استراتيجية إزالة الكربون، ومع ذلك فإن نجاح أي تكنولوجيا للوقود يتوقف على فهم دقيق لمبادئ الطاقة الحرارية، والحرارة، والعمل، دون تحقيق أقصى قدر من الفوائد في مجال التقلبات الحرارية.

المبادئ الأساسية للدماغ الحراري في مجال الطيران

(ب) تقديراً لإمكانية استبدال القوات المسلحة السودانية بالطائرة التقليدية من طراز A أو طائرة من طراز A-1، يجب أولاً أن يستوعب الأساس الديناميكي لشحن الطائرات، وتعمل محركات الطائرات على دورة برايتون، وعملية تدفق مستمرة تشمل الضغط الحضاري، والاحتراق المستمر للقمع، والتوسع الحضاري، وتحد كفاءة هذه الدورة بدرجة أساسية من درجات الحرارة والضغوط التي يمكن أن تُعدها المواد.

كثافة الطاقة والطاقة المحددة

ويحدّد وقود الطائرات كثافة الطاقة (MJ لكل لتر) والطاقة المحددة (MJ per kilogram) مباشرة مدى الطائرة وحمولة، ويوفر وقود الطائرات التقليدية نحو 43 ميغاجول/كغم، ويجب أن تضاهي أو تقترب من هذا العدد لتجنب إعادة تصميم كبيرة لصهاريج الوقود وهياكل الطائرات، وكثيراً ما يعاني الوقود الأحيائي المستمد من الإكليل المبردة من الهيدروجين والأحماض الدهونية من درجة مئوية الدنيا (HEFA) المماثلة.

كفاءة الاستهلاك والانبعاثات

وينظر التحليل الحراري للحرق في درجة حرارة اللهب، وأجهزة التكهن الحركية، ورموز الحرارة، ودرجات الحرارة المرتفعة للشعلة، وتحسن الكفاءة الحرارية، ولكنها تزيد أيضاً من تكوين النيتروز عن طريق آلية زيلدوفيتش، ويمكن أن تقلل المرافق ذات المحتوى الجوي الأدنى من انبعاثات الفول السوداني والجسيمات، بينما لا تزال توفر طاقة كافية للحفاظ على اللهب الثابت، كما أن حرارة ارتفاع البخار ودرجات البطاقات تؤثر على حرارة.

فهم هذه المبادلات أمر أساسي لخلط المواد الغذائية الاستراتيجية بالوقود التقليدي أو استخدامها بشكل جيد، وكل نقطة مئوية من الكفاءة المكتسبة في الاحتراق تقلل من حروق الوقود وانبعاثات دورة الحياة، وهذا هو السبب في أن النموذج الديناميكي الحراري لا يزال أداة مركزية في مختبرات تطوير الوقود وبرامج التصديق على المحركات.

المسابقات الرئيسية لمركبات الطيران المستدامة

ويشمل مصطلح " سافا " طائفة من مسارات الإنتاج والمواد الوسيطة، لكل منها خصائص حرارية متميزة، والفئات العريضة الثلاث هي الوقود الأحيائي والوقود الكهرومغناطيسي (الوقود الإلكتروني)، والهيدروجين - كل منهما يوفر مزايا وحدود فريدة.

الوقود الأحيائي: هيفو، واتج، وفورت - سبك

وتهيمن المرافق الأساسية ذات القاعدة البيولوجية على الإمدادات الحالية، وأكثر الطرق نضجاً هي المصابيح المجهزة بالهيدروود وأحماض الدهون التي تستخدم الزيوت من النباتات أو الدهون الحيوانية أو زيت الطهي المستخدم، وقود الهيدروفلوروكربون متشابه جداً كيميائياً مع الكانيات التقليدية التي تستخدم فيها سلاسل الكربون بين C8 وC16-so فهي تدمج دون هوادة البنى التحتية القائمة حتى 50 في المائة من دولارات الولايات المتحدة.

ويُنتج عن الوقود من مادة التحلل الحراري (ATJ) تحويلات إلى مادة الإيثانول أو الإيزوبوتانول إلى الهيدروكربونات عن طريق التحلل، والتكتل، والهيدروجين، ويُحتمل أن يكون للوقود من نوع (ATJ) تركيزات أعلى من المركبات الفرعية والزئية، مما يغير إلى حد ما خصائص الاحتراق.

ومن منظور الديناميات الحرارية، تكون للوقود الأحيائي عموماً نسب صافية للطاقة (الطاقة في) أقل من الوقود الأحفوري بسبب الطاقة المطلوبة لإنتاج المواد الوسيطة ونقلها وتحويلها، غير أن تحليل دورة الحياة يجب أن يشمل كمية الكربون الأحيائية: فقد تم سحب ثاني أكسيد الكربون الذي أُطلق أثناء الاحتراق أصلاً من الغلاف الجوي أثناء نمو النباتات، مما يجعل الدورة قابلة للحياد الكربوني إذا كانت الطاقة المجهزة قابلة للتجديد.

الوقود الكهربي: الطاقة إلى السائل (PtL)

أما الوقود الكهربي، الذي يسمى بالوقود الإلكتروني أو الطاقة الكهربائية إلى السائلة، فهو الهيدروكربونات الاصطناعية المنتجة عن طريق الجمع بين ثاني أكسيد الكربون المأخوذ به الهيدروجين الأخضر عبر طرق فيشر - تروبش أو الميثانول إلى الهجينة، ونادرا ما يولد الهيدروجين من خلال توليد الكهرباء الكهربائية المولدة من الكهرباء المتجددة، ثم يتم صقل العجلات الناتجة عن ذلك إلى الهباء.

ومع ذلك، فإن الوقود الإلكتروني يوفر ميزة متميزة: فالتركيب الكيميائي يمكن أن يُخصص بدقة، وباختيار شروط التفاعل والحوافز، يمكن للمنتجين أن يخلقوا الوقود بممتلكات الاحتراق الأمثل، وقليل من الروايات، ومحتويات الكبريت المنخفضة جداً، علاوة على أن الوقود الإلكتروني هو بديل غير محركي أو تغيير في البنية التحتية، ويقابل عقوبة الحرق الدينامياً القدرة على استخدام نفس المشهد اللوجستي.

Hydrogen: Combustion and Fuel Cells

ويحمل الهيدروجين أعلى طاقة محددة من أي وقود (120 ميغاجول/كغ مقابل 43 ميغاغرام/كغ للكيروسين) ولكنه يعرض عيوب حرارية وعملية شديدة، ولا تختلف كثافة الطاقة الكهرمائية فيها إلا عن ربع حجم الكيروسين عند درجة الحرارة المبردة (20 كيلو) بل وتخفض أيضاً كحد أقصى من الغاز المضغط، وتخزن الهيدروجينات اللازمة لإضافة كميات كبيرة من الوقود.

ولا ينتج الهيدروجين المحترق مباشرة في توربين الغاز أي ثاني أكسيد الكربون، ولكن انبعاثات أكسيد النيتروجين لا تزال تحدث بسبب ارتفاع درجات حرارة اللهب ووجود النيتروجين في الهواء، وتوفّر خلايا الوقود مسارا بديلا: التحول الكهروكيميائي إلى الكهرباء مع زيادة الكفاءة النظرية (حتى 60 في المائة مقابل توربين الغاز)، ولكن كثافة الطاقة الحالية في الخلايا الوقود منخفضة جدا بالنسبة للوقود الأولي في الطائرات.

التحديات الدينامية الحرارية في تنمية القوات المسلحة السودانية ونشرها

وبالإضافة إلى خصائص الاحتراق الأساسية، يجب على مطوري البرمجيات أن يتصدوا للتحديات الدينامية الحرارية على مستوى المنظومة التي تؤثر على الإنتاج والتخزين والاستخدام النهائي، وتشمل هذه التحديات فقدان الطاقة في التوليف، وتحليل الطاقة الخارجية لطرق الإنتاج، والتكلفة الحرارية لتغيرات الهياكل الأساسية.

زيادة الطاقة والعمليات

فالعمل المكثف الذي يمكن الحصول عليه من نظام ما عندما يصل إلى التوازن - هو مقياس حراري قوي لتقييم مسارات إنتاج القوات المسلحة السودانية - يتطلب وجود مادة وسيطة عالية الطاقة مثل النفط الخام تجهيزاً أدنى لتكرار الوقود، كما أن المواد الوسيطة الثنائية (النفط، والخلود، والخلود) أقل محتوى من الطاقة، وتتطلب معالجة أكثر كثافة، مما يؤدي إلى تدمير كميات أكبر من الوقود.

ويعمل الباحثون على تكثيف العمليات: الجمع بين خطوات تفاعل متعددة في وحدة واحدة للحد من الخسائر الحرارية وتحسين التكامل الحراري، فعلى سبيل المثال، يمكن لدمج احتجاز ثاني أكسيد الكربون مباشرة مع المفاعل التوليفي أن يستغل حرارة النفايات ويقلل من الحاجة إلى مدخلات الطاقة الخارجية، وهذه التعظيمات الحرارية حاسمة لجعل المرافق المكلّفة بالتكلفة قادرة على التعاطي مع الكيروسين الأحفوري، التي تستفيد من بلايين الدولارات في الهياكل الأساسية القائمة.

Energy Return on Investment (EROI)

أما المفهوم المتصل بذلك فهو عائد الطاقة على الاستثمار، الذي يقارن مجموع الطاقة التي يولدها الوقود بالطاقة اللازمة لإنتاجه، حيث يمكن أن يكون النفط التقليدي عادة هو " EROI " الذي يتراوح بين 20 و30:1.

Constraints Materials and Heat Management

ويمكن أن يفرض تسرب أنواع الوقود البديلة حمولات حرارية مختلفة على مكونات المحركات، كما أن المرافق ذات المحتوى الهيدروجيني الأدنى (الأكثر روامات) قد تنتج المزيد من السووت، مما يشع الحرارة على جدران المحرقة، وعلى العكس من ذلك، فإن الوقود النظيف جداً مثل التصاميم المتزامنة للأشعة المغنطة يمكن أن يقلل من الإشعاع الرئوي، ولكنه قد يتطلب تغييرات في قياس الحرارة العالية التي تعمل على تركيب المطاط المثبت المثبت.

التكنولوجيات الناشئة وتوجيهات البحوث المستقبلية

إن مبادئ الدينامية الحرارية ليست مجرد قيد وإنما هي أيضا دليل للابتكار، إذ تهدف عدة تكنولوجيات واعدة في الأفق إلى زيادة كفاءة الإنتاج، وتعزيز أداء الاحتراق، والحد من انبعاثات دورة الحياة.

التوليص الكيميائي الكهربي والتحويل البلاستيكي

وبدلاً من استخدام التحلل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين ثم تركيب الهيدروكربونات عن طريق عملية حفزية عالية الحرارة منفصلة، يقوم بعض الباحثين باستكشاف التحويل الكهروكيميائي المباشر لثاني أكسيد الكربون والماء إلى الهيدروكربونات في خطوة واحدة، وقد يؤدي هذا النهج إلى تجاوز الخسائر الناجمة عن التحلل الحراري المرتبطة بتوليد الهيدروجين الوسيط وتخزينه، بينما لا تزال في نطاق المختبرات، فإن نسبة التكاثر المبكر المصممة حسب أكسيد الكربون.

Advanced Bio-Refining with In-Situ Heat Integration

وتشتمل الجيل الثاني والثالث من عمليات التكرير الأحيائي على نظم استعادة الحرارة وتوليد الطاقة من أجل تحسين كفاءة العمليات عموماً، وقد تمخض أحد الأزواج الواعدين في التصميم عن التحلل الحراري السريع (الترسب الحراري للكتلة الأحيائية في غياب الأكسجين) مع توليد الطاقة الكهرمائية (إعادة التحلل من النفط الأحيائي) باستخدام الحرارة المفرج عنها من ردود الفعل على الحركة الحرارية من أجل دفع منهجية الحد الأدنى من التراكم الحراري.

تخزين الهيدروجين وإدارة البولي أوف

وإذا كان من المقرر أن تؤدي الهيدروجين دورا هاما في الطيران، فإن إدارة الديناميات الحرارية للتخزين المبرد يصبح أمرا بالغ الأهمية، إذ أن الهيدروجين السائل (LH2) في 20 كاف يتطلب خزانات ذات حجم عال تمنع المبيعات، ويحقق الباحثون في نظم الحرق السائلة النشطة التي تعيد تركيب الهيدروجين باستخدام النفايات من خلايا المحرك أو الوقود.

التواؤم الرقمية والتعلم الماكين من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل

وقد أدى تعقيد التفاعلات بين أجهزة التحكم بالوقود إلى استخدام التواؤم الرقمية - نسخ إلكترونية من النظم المادية التي تتضمن بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي والنماذج الدينامية الحرارية، ومن خلال محاكاة ديناميات الاحتراق، واستقرار اللهب، والنقل الحراري، يمكن للمهندسين أن يحسنوا تكوين مزيج الوقود ومعايير تشغيل المحرك دون حملات اختبار مكلفة.

السياسات والهياكل الأساسية والعواصم الدينامية الحرارية

وفي نهاية المطاف، تحدد الديناميات الحرارية حدودا مادية صعبة على ما يمكن أن تحققه أي تكنولوجيا للوقود، ولا يمكن لأي قدر من الدعم في مجال السياسات أن يتغلب على حقيقة أن تحويل الكهرباء إلى وقود سائل يفقد في جوهره جزءا كبيرا من طاقة المدخلات، ومع ذلك قد تكون هذه الخسائر مقبولة إذا أكملت البدائل - الطاقة الكهربائية أو الهيدروجينية - حتى العقبات الدينامية الحرارية والسوقية الكبرى للطيران الطويل الأجل.

إن الأطر التنظيمية مثل ولاية الاتحاد الأوروبي المتعلقة بالطيران من أجل إعادة الاتحاد الأوروبي، والتحدي الكبير الكبير الذي تواجهه الولايات المتحدة، يدفع الاستثمار إلى مرافق الإنتاج، وسيحدد الأداء الحراري الديناميكي لكل مسار من الطرقات أولا، ويمكن أن يؤدي هذا النوع من الطاقة إلى الحد من الوقود الواعد إلى الحد الأمثل من الطاقة، مع استمرار وجود نظام EROI وتوافق مع المصافي، إلى الحد الأدنى من الإنتاجي في الأجل القريب (الهدف: 10 في المائة من الوقود العالمي الواعد بحلول عام 2030).

الاستنتاج: مسار مرشد حراري

إن وقود الطائرات المستدامة ليس رصاصة فضية واحدة، بل هو حافظة من التكنولوجيات، التي لها مبادلات حرارية فريدة، ويذكّرنا القانون الأول (حفظ الطاقة) بأن محتوى الطاقة من الوقود يجب أن يأتي من مكان ما؛ ويحذر القانون الثاني (الزيادة في المحاصيل) من أن كل خطوة تحول دون حدوث خسائر في الطاقة غير المتاحة، ويعطي تطبيقا صارما لتحليل محركات الحرق من مصادر الطاقة الأولوية.

وسيشهد العقد القادم تطورا سريعا في مجالات الحفازات، والتكامل الحراري، ومراقبة العمليات، يسترشد الجميع بقوانين لا تطاق في مجال الديناميكا الحرارية، وستؤدي الخطوط الجوية، ومنتجو الوقود، وأجهزة إدارة المركبات، وصانعو السياسات إلى تحقيق قدر كبير من الاستثمار في محو الأمية الحرارية: فهم أن مستقبل الطيران ليس فقط بشأن ما نحرقه، بل وكيف نتحول الطاقة إلى حركة، وهذه الكفاءة، التي تقاس في نهاية المطاف بالوصلات لكل كيلومتر.