تقييم الأثر البيئي لدورة الحياة للطائرات المصفحة

Understanding eVTOL Aircraft and Their Role in Urban Air Mobility

وتمثل الطائرات الكهربائية العاملة بالطائرات العمودية " الإقلاع عن العمل والهبوط " تحولا في النموذج في النقل الحضري، وهذه المركبات التي تعمل بالبطارية تجمع بين رفع عمودي شبيه بالطائرات العمودية وكفاءة أمامية شبيهة بالطائرات، مصممة للعمل في المناطق الكثيفة من المدن، حيث أن شركات مثل شركة جوبي للطيران، وآرتشر، وفولكوبتر تتقدم نحو التصديق والخدمات التجارية، فإن البصمة البيئية لهذه الطائرات تتجاوز الانبعاثات التقليدية لتشمل جميع الانبعاثات التي تعد بها.

تقييم البيئة لدورة الحياة: إطار منهجي

ويقيِّم تقييم شامل لدورة الحياة لطائرات شبكة الإنترنت (LCA) الآثار البيئية الناجمة عن الحفر إلى القبر، ويشمل ذلك استخراج المواد الخام، وصنع المكونات، والتجمع، والاستخدام التشغيلي، والصيانة، والتخلص من النفايات أو إعادة تدويرها، والهدف هو تحديد كمية إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة، واستهلاك الطاقة، واستنفاد الموارد، والآثار الإيكولوجية في جميع المراحل، ومع ذلك فإن معايير التقييم الذاتي المحلي مثل المعيار ISO 14040 و14044 توفر الإطار الجديد، وإن كانت تكيفها مع تكنولوجيات الطيران المتطورة.

وتشير الدراسات المبكرة إلى أن المساهمات في مرحلة التصنيع في انبعاثات دورة الحياة يمكن أن تكون كبيرة، وأن تتجاوز أحيانا الانبعاثات التشغيلية على مدى أقصر عمرية في الخدمة، وبالنسبة للمركبات الإلكترونية التي تبلغ مساحتها محدودة من البطاريات (نحو 000 2 إلى 000 4 دورة شحن)، فإن مرحلة التصنيع قد تمثل 40 إلى 60 في المائة من إجمالي آثار الكربون على دورة الحياة، مما يؤكد الحاجة إلى تبسيط عمليات الإنتاج وإلى مصادر المواد المستدامة.

استخراج المواد الخام: التكلفة الخفية للتشييد الخفيف الوزن

وتبدأ صناعة الفول المحتوية على الفول السوداني في عمق المناجم والمصافي، وتشمل المواد الرئيسية السبيكة الألومنيوم، والبوليميرات المعززة من ألياف الكربون، والليثيوم، والكوبالت، والنيكل، والمنغنيز، والعناصر الأرضية النادرة للمحركات الكهربائية، والمركبات المتقدمة للإطارات الجوية، وكل مادة تحمل أعباء بيئية متميزة.

الألمنيوم والكربون

ويكثّف إنتاج الألومنيوم الطاقة، حيث يستهلك الصهر حوالي 15 ساعة من الكم الميجوات لكل طن متري من المعدن الأولي، مما يولد ما يقرب من 16 طنا من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الألمنيوم، ويزيد إنتاج ألياف الكربون من كثافة الطاقة، ويحتاج إلى 190 إلى 250 كيلوواط لكل كيلوغرام، ويزيد من إنتاج ثاني أكسيد الكربون بنسبة 14 إلى 30 كغم، تبعاً لنوع السلائف وفرنها.

Battery Minerals: Lithium, Cobalt, Nickel

وتهيمن بطاريات الليثيوم على الدفع بالشبكة الإلكترونية للمركبات، إذ أن الليثيوم التعديني من الصخور الصلبة أو مستودعات المياه الجوفية تستهلك كميات كبيرة من المياه العذبة ويمكن أن تعطل النظم الإيكولوجية القاحلة، ويثير استخراج الكوبالت، في المقام الأول في جمهورية الكونغو الديمقراطية، شواغل بشأن عمل الأطفال وتدمير الموائل.

عناصر الأرض المتحركة للكهرباء

وتحتاج المحركات المغناطيسية الدائمة إلى مادة النيوديوم والديسبروسويوم وغيرها من العناصر الأرضية النادرة، وتنتج التعدين وتكرير هذه العناصر عن مخلفات من الفخار الإشعاع واليورانيوم، فضلا عن المواد الكيميائية ذات العمليات السامة، ولا تزال إعادة تدوير الأرض النادرة تشكل تحديا تقنيا وهامش اقتصاديا، ولكن البحوث الجارية تهدف إلى تحسين معدلات التعافي.

المكوّن التصنيع: القلب المكثف للطاقة في الإنتاج

وبعد تجهيز المواد الخام، يجب أن تكون مكوّنة، ويشمل ذلك تصنيع خلايا البطاريات، وهروب السيارات، وتجمع المحافير، ووضع الإطار الجوي، ويحدّد الأثر البيئي لهذه المرحلة إلى حد كبير كثافة الكربون في مصانع الطاقة الكهربائية.

إنتاج البطاريات

إن صناعة خلايا البطاريات هي أكبر مساهم واحد في انبعاثات إنتاج شبكة إي فيتو إل، إذ ينتج كيلوواط ساعة واحدة من طاقة البطارية تتراوح بين 60 و150 كيلوغراما من مكافئ ثاني أكسيد الكربون، تبعا لمزيج الطاقة في المصنع، ويصبح حجمها الإجمالي المسقط 100 كيلوواط واط/ساعة من البطاريات الإلكترونية (الشكل بالنسبة لسيارة أجرة رباعية الرحل تبلغ مساحتها 150 كيلومترا) الذي يُترجم إلى 6-15 طنا من ثاني أكسيد الكربون.

ويمكن أن تؤدي التحسينات في تكنولوجيات التغليف بالكهرباء الجافة وتجهيز الكهروليت في الدول الصلبة إلى خفض الطاقة التحويلية بنسبة 40 إلى 60 في المائة، ولكن هذه السلف لم تُستغل بعد على نطاق تجاري، وفي الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي تحديد مواقع مفاعلات البطاريات في المناطق ذات التغلغل العالي في الطاقة المتجددة، مثل النرويج الغنية بالطاقة الكهرمائية أو الولايات المتحدة الغنية بالطاقة الشمسية، إلى خفض انبعاثات التصنيع بمقدار النصف.

الإنتاج المتحرك والمنحرف

ويجب أن تحقق المحركات الكهربائية للمركبات الإلكترونية معدلات عالية من الطاقة إلى الوزن والموثوقية، وأن تُنَفَذ أسلاك النحاس، ومغناطيسات الماشية، ومواد التعبئة تستهلك الطاقة والمواد، وأن الإنتاج الموفر يشمل أجهزة توليد الطاقة الكهربائية باستخدام أجهزة شبه موصلة للسيليكون، التي تتطلب تجهيزاً عالياً من حيث الحرارة وبيئة تصنيع قاعات نظيفة(15).

الحاسوب الجوي والتسعير المركب

ويستهلك علاج الألياف الكربونية من الطاقة الحرارية الكبيرة، التي كثيرا ما تكون من الغاز الطبيعي، ويجري تطوير تقنيات الدمج والعلاج من خارج الأوتوكلاف للحد من استهلاك الطاقة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام ألياف الكربون المعاد تدويرها أو راتنجات ذات قاعدة بيولوجية (مثل الأكسجين المستخرجة من زيوت الجير أو الزيت النباتية) يمكن أن يقلل من آثار دورة الحياة المحددة.

الجمعية العامة والإنتاج: تحقيق الاستدامة على الوجه الأمثل

وتشمل هذه المرحلة عمليات الاستيعاب، ونظم إدارة السباكة الحرارية، وتحميل البرمجيات، واختبار الأرض، ويمكن أن تؤدي مبادئ التصنيع الخفيف والتصميم النموذجي إلى الحد من استخدام النفايات والطاقة الأرضية، كما أن المركبات الآلية المصحوبة بمرشدين وخلايا التجميع الآلية تحسن الدقة، ولكنها تتطلب معدات رأسمالية كبيرة، وتتحمل صناعتها أيضا عبئا بيئيا يجب أن يخصص على الأسطول.

كما أن اختبار الجودة، مثل اختبارات التحميل الثابتة والتحقق من مظروف الطيران، يستهلك الطاقة عن طريق النظم الهيدروليكية والدورات الجارية، غير أن هذه العمليات أساسية بالنسبة لإصدار شهادات السلامة ولا يمكن إزالتها، والمفتاح هو تخفيض مدة الاختبار دون المساس بالموثوقية - على سبيل المثال، استخدام التوأم الرقمي والمحاكاة لتحديد المسائل قبل الاختبار المادي.

المرحلة التشغيلية: صفر من الانبعاثات في التايليبية ولكن التأثيرات غير الزيروية

وخلال الرحلة، تنتج طائرات الإي فيتو إل تي إل أي صفر من ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النيتروز أو انبعاثات الجسيمات - وهو ميزة كبيرة على طائرات الهليكوبتر والاقلاع والهبوط التقليدية، غير أن آثارها البيئية التشغيلية تتوقف على كثافة الكربون في الكهرباء المستخدمة في شحن البطاريات، وإذا ما تم تحميلها من شبكة الفحم، فإن الانبعاثات غير المباشرة لكل كيلو متر متجدد يمكن أن تتنافس أو تتجاوز تلك التي تنتج عن دراسات محركية صغيرة لغازات الدفيئة)٩(.

تدهور البطارية والاستبدال

وتتدهور بطاريات الليثيوم -يون بمرور الوقت بسبب التدوير وشيخوخة التقويم. ومن المرجح أن يحتاج مشغلو الشبكة إلى استبدال مجموعات البطاريات كل 000 2 ساعة طيران، تبعا لعمق التصريف ودرجة حرارة التشغيل، كما أن كل دورة استبدال البطاريات تؤدي إلى انبعاثات التصنيع والطلبات المادية.

الإدارة الحرارية والهياكل الأساسية

وكثيرا ما تستخدم نظم إدارة البطاريات الحرارية حلقات التبريد السائلة التي تتطلب استبدال السوائل بصورة دورية وضخ الطاقة، وتولد الشحن السريع (مثلا 300 إلى 500 كيلوواط) الحرارة وقد تتطلب هياكل أساسية مخصصة للتبريد في الموانئ، كما أن تشييد وتشغيل محطات الشحن يضيفان إلى البصمة التشغيلية، ويمكن أن يؤدي تحسين الجداول الزمنية للشحن بما يتفق مع توافر الشبكات المتجددة إلى خفض الانبعاثات غير المباشرة.

نهاية الحياة وإعادة التدوير: إغلاق اللوبي

وفي نهاية فترة خدمتها (التي تقدر بـ 15-25 سنة للإطار الجوي)، يجب تفكيك نظام إي فيتو لي، واسترجاع مواده أو التخلص منها، ومعدلات إعادة التدوير الحالية لمركبات الطائرات منخفضة - تقل عن 5 في المائة من ألياف الكربون يجري إعادة تدويرها على الصعيد العالمي، وتظهر البطاريات بنية أساسية أكثر نضجا لإعادة تدوير البطاريات الليثيومية - الأيون، التي لا تزال تسترد في المقام الأول مواد الكوبالت والنيكل المفقودة.

التصميم لأغراض التفكك وإعادة التدوير

ولتحسين النتائج النهائية للحياة، ينبغي أن يعتمد المصنعون تصميماً للمبادئ المجزأة: استخدام الصومعات القابلة للعكس بدلاً من الارتداد الدائم، ووسم المواد، وتجنب الهيمنة المركبة المختلطة التي يصعب فصلها، كما أن اعتماد تصميمات البطاريات النموذجية التي تسمح بالإزالة السهلة والفرز يمكن أن يعزز أيضاً معدلات الاسترداد.() وقد تجبر أيضاً دفعة تنظيمية، مثل برامج إعادة الإنتاج الموسعة، على الدفع.

وتستكشف مبادرات مثل NASA الشراكة الوطنية المستدامة للطيران ] و " تنفيذ الطيران النظيف المشترك " للاتحاد الأوروبي مبادئ الاقتصاد الدائري للطائرات الكهربائية، كما أن التعاون الصناعي بشأن معايير إعادة تدوير البطاريات أمر بالغ الأهمية.

استراتيجيات الحد من التأثير البيئي لدورة الحياة

ويمكن أن تؤدي عدة استراتيجيات إلى الحد من الأثر البيئي العام لصناعة الفولط الخماسي الكلور وعملياته:

• Sustainable material sourcing:] Use recycled aluminum and carbon fiber where possible; replace cobalt with lithium phosphate or solid-state chemistries; develop bio-based resins and natural fiber composites.
• Renewable energy in manufacturing:] Locate production facilities near renewable energy sources; enter into power purchase agreements for wind, solar, or hydroelectric power; invest in on-site generation and bat storage for shaving.
• Light weighting with purpose:] Optimize structural design using topology optimization and additive manufacturing to reduce material use while maintaining strength. Each kilogram saves reduces both manufacturing and operational energy.
• Modular and repairable design:] Simplify component replacement to extend product life; use software updates to optimize battery usage and motor efficiency; offer refurbished component exchange programs.
• Advanced recycling infrastructure:] Support research into direct cathode recycling and carbon fiber recovery; collaborate with recycling firms to create closed-loop supply chains; implement digital material passports to track composition.
• Lifecycle-aware bat management:] Use batter health monitoring to maximize cycle life; stage replacement batteries for second-life stationary storage; develop swappable bat systems to reduce idle time and grid impact.
• Policy and certification:] Adopt carbon pricing or carbon border adjustments that make sustainable choices cost-competitive; integrate lifecycle criteria into type certification requirements; incentivize manufacturers to disclose and reduce footprints.

تقييم دورة الحياة المقارنة: eVTOL مقابل البدائل

ولوضع هذه الأرقام في الاعتبار، فإن أي فتيل نموذجي ببطارية مركبــة مــن مــائة كيلوواط تصن َّع باستخدام متوسط الكهرباء )٠,٥ كغ من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط( يولد حوالي ٤٠ طنا من مكافئ ثاني أكسيد الكربون أثناء الإنتاج، وأكثر من ٠٠٠ ١٠ ساعة تشغيلية )حوالي ٥-٧ سنوات(، يستهلك حوالي ٠٠٠ ١ ميغاواط من الكهرباء، وتوزع على شبكة متجددة، وتضيف عملية سعة صفر؛

وعلى النقيض من ذلك، تنتج طائرة هليكوبتر صغيرة مثل طائرة روبنسون R22 حوالي 100 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون في ساعة الطيران، مما يزيد مجموعه عن 000 1 طن من ساعات العمل، بالإضافة إلى حوالي 10 أطنان في الإنتاج، وتنتج الطائرة الإلكترونية التي تحمل رسوما على الشبكة بـ 0.8 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون/كيلوواط، وتنتج 800 طن في العمليات، على غرار الطائرة العمودية، ولا تحقق المركبات الإلكترونية سوى تخفيضات في الانبعاثات.

ووفقا لدراسة أجراها المجلس الدولي للنقل النظيف في عام 2023، يمكن أن تقلل مركبات الإنترنت الإلكترونية من انبعاثات غازات الدفيئة من 40 إلى 80 في المائة مقارنة بالطائرات العمودية التقليدية، ولكن فقط إذا كان إنتاج البطاريات يستخدم الطاقة المنخفضة الكربون والشحن الكهربائي متجددا. ويقدم تقرير ICCT سيناريوهات مفصلة توجه صناعات ومقرري السياسات.

الآثار المترتبة على السياسات والاحتياجات البحثية المستقبلية

ومع اقتراب صناعات الشبكة الإلكترونية للطائرات الإلكترونية من التسويق، يجب على المنظمين أن ينظروا في آثار دورة الحياة في التصديق على صلاحية الطيران والموافقة على البيئة، وتركز اللوائح الحالية لوكالة الطيران الاتحادية ووكالة المحاسبة الدولية على السلامة والضوضاء؛ ولا يجري بعد تقييم آثار الكربون والسمية المادية، ويمكن أن يؤدي توسيع نطاق بيانات التأثير البيئي لأنواع جديدة من الطائرات إلى اعتماد مواد أخضر ومصادر للطاقة.

ولا تزال هناك ثغرات في البحوث في عدة مجالات: بيانات دقيقة عن التقييم القطري الإجمالي للمواد المركبة الجديدة، وتكنولوجيات إعادة تدوير النفايات في نهاية العمر للهياكل المتعددة المواد، والآثار الاجتماعية لاستخراج الموارد من المعادن البطارية. وتبرز الشراكات بين القطاعين العام والخاص مثل مشروع Airbus ZEROe و جهود استدامة الفضاء الجوي(3):

وبالإضافة إلى ذلك، فإن اللوائح المقبلة للاتحاد الأوروبي بشأن متطلبات جوازات السفر (اعتبارا من عام 2026) ستكلف بالكشف عن آثار الكربون على دورة الحياة بالنسبة لجميع البطاريات الإلكترونية، التي تشمل تطبيقات نظام " eVTOL " ، ويمكن أن يصبح الامتثال المبكر ميزة تنافسية.

الاستنتاج: مسار متوازن نحو الأمام

إن الطائرات الإلكترونية للطائرات الإلكترونية تقدم مسارا واعدا لإزالة الكربون عن طريق الطيران الحضري القصير المدى، ولكن أداءها البيئي يتوقف على إدارة دورة الحياة المدروسة، إذ أن تصنيع الانبعاثات، ولا سيما من إنتاج البطاريات والمركبات، يمكن أن يعوض المكاسب التشغيلية إن لم يتم التصدي لها، ومن خلال إعطاء الأولوية للطاقة المتجددة في الإنتاج والشحن، والاستعانة بالمواد المنخفضة الأثر، وتصميما لإعادة التدوير، والاستثمار في تكنولوجيات إعادة تدوير أفضل، يمكن للصناعة أن تحقق فوائد بيئية صافية.