Ιστορικό των κανονισμών για την κλιματική αλλαγή

Η αεροδιαστημική βιομηχανία υπήρξε από καιρό ένας κρίσιμος οδηγός παγκόσμιας συνδεσιμότητας και οικονομικής ανάπτυξης, αλλά συμβάλλει σημαντικά στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων του θερμοκηπίου. Την τελευταία δεκαετία, διεθνείς φορείς και εθνικές κυβερνήσεις έχουν εντείνει τις περιβαλλοντικές πολιτικές που στοχεύουν στην αεροπορία. \" Διεθνής Οργάνωση Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO) θέσπισε το πρόγραμμα αντισταθμισμού και μείωσης του άνθρακα για τη διεθνή αεροπορία (CORSIA) το 2016, το οποίο στοχεύει στην κάλυψη των καθαρών εκπομπών CO2 από τις διεθνείς πτήσεις στα επίπεδα 2020. \" Ευρωπαϊκή Ένωση έχει ενσωματώσει την αεροπορία στο σύστημα εμπορίας εκπομπών (EU ETS), απαιτώντας από τις αεροπορικές εταιρείες να αγοράζουν δικαιώματα για τις εκπομπές τους. Εν τω μεταξύ, η στρατηγική Jet Zero του Ηνωμένου Βασιλείου και η στρατηγική των Ηνωμένων Πολιτειών για τη βιώσιμη αεροπορία Καύσιμο Grand Challenge θέτουν φιλόδοξους στόχους για τις εκπομπές καθαρού μηδενικού μηδενικού έως το 2050. Τα ρυθμιστικά αυτά πλαίσια επηρεάζουν άμεσα τους κατασκευαστές κινητήρων αεριωθούμενων, αναγκάζοντάς τους να σχεδιάζουν μονάδες ηλεκτροπαραγωγής που συμμορφώνονται με τη σύσφιξη των NOx, τα σωματίδια και το CO2 ενώ παράλληλα διατηρούν ή βελτιώνουν την απόδοση και την αξιοπιστία.

Επιδράσεις στο σχεδιασμό μηχανών Jet

Οι σχεδιαστές τώρα δίνουν προτεραιότητα στην απόδοση των καυσίμων και τη μείωση των εκπομπών ως πρωταρχικούς περιορισμούς, συχνά παράλληλα με τις παραδοσιακές μετρήσεις όπως η αναλογία ώσης προς βάρος, η ανθεκτικότητα και το κόστος συντήρησης.

Προηγμένα υλικά και ελαφρύ βάρος

Για τη βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου, οι μηχανικοί έχουν στραφεί σε προηγμένα ελαφριά υλικά που μπορούν να αντέξουν ακραίες θερμοκρασίες και καταπονήσεις. Τα σύνθετα υλικά κεραμικών μήτρας (CMCs) αντικαθιστούν τα υπερκραματα νικελίου σε στροβιλοταινίες με θερμοτομή, όπως σάβανα και βανάκια, προσφέροντας μείωση βάρους 30% και επιτρέποντας υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας που βελτιώνουν τη θερμική απόδοση. Τα κράματα αργιλοδιφαινυλίου (TiAl) χρησιμοποιούνται τώρα σε λεπίδες στροβίλων χαμηλής πίεσης, μειώνοντας περαιτέρω το βάρος. Τα ενισχυμένα με άνθρακα πολυμερή (CFRP) με τις ίνες άνθρακα, που πρωτοπορούνται από την GE Aviation στον κινητήρα GE9X, κόβουν το βάρος ανεμιστήρα κατά 15% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές λεπίδες τιτανίου.

Τεχνολογία καύσης για χαμηλότερες εκπομπές

Η βιομηχανία έχει μετακινηθεί από συμβατικούς εμπρηστές υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής θερμοκρασίας, άπαχου καυσαερίου (RQL) σε προηγμένα συστήματα καύσης με χαμηλή τάση, σταδιακά συστήματα καύσης. Η τεχνολογία Prat & Whitney TALON X (Τεχνολογία για προχωρημένους καυστήρες χαμηλής θερμοκρασίας NOx) και η τεχνολογία Twin Annular Premixing Swirler (TAPS) της CFM International μειώνουν τις εκπομπές NOx κατά 50-60% σε σύγκριση με προηγούμενα σχέδια. Οι εν λόγω εμπρηστές χρησιμοποιούν ακριβή ανάμειξη καυσίμου-αέρα και πολλαπλές ζώνες έγχυσης για τον έλεγχο της θερμοκρασίας φλόγας και την ελαχιστοποίηση του σχηματισμού ρύπων. Οι πρόσφατες εξελίξεις περιλαμβάνουν έννοιες «χαμηλής κατανάλωσης» συνδυαστών που επιτυγχάνουν υπο-5 ppm NOx σε συνθήκες απογείωσης. Οι βελτιώσεις αυτές είναι κρίσιμες για την εκπλήρωση των προτύπων της Επιτροπής Προστασίας Περιβάλλοντος της Αεροπορίας (CAEP), οι οποίες έχουν γίνει σταδιακά αυστηρότερες με κάθε αναθεώρηση.

Αρχιτεκτονική μηχανών: turbofans και πέρα από

Οι ρυθμιστικές απαιτήσεις έχουν οδηγήσει μια αλλαγή παραδείγματος στην αρχιτεκτονική του κινητήρα. Ο ρυθμιστής turbofan, παράδειγμα της σειράς Pratt & Whitney PW1000G, αποσυνδέει τον ανεμιστήρα από τον στροβιλοκινητήρα χαμηλής πίεσης μέσω ενός πλανητικού κιβωτίου ταχυτήτων. Αυτό επιτρέπει στον ανεμιστήρα να περιστρέφεται με πιο αργή, πιο αποτελεσματική ταχύτητα ενώ ο στροβιλοκινητήρας τρέχει με υψηλότερη ταχύτητα βελτιστοποιημένη για αεροδυναμικές επιδόσεις. Το αποτέλεσμα είναι μια βελτίωση 16% στην απόδοση καυσίμου σε σύγκριση με προηγούμενους κινητήρες, μειώνοντας άμεσα τις εκπομπές CO2 και το θόρυβο. Ο σχεδιασμός UltraFan της Rolls-Royce προχωρά περαιτέρω, συνδυάζοντας μια ρυθμισμένη αρχιτεκτονική με έναν ανεμιστήρα μεταβλητού βήματος και σύνθετες λεπίδες, υποσχόμενος μια εξοικονόμηση 25% σε σχέση με τους πρώιμους κινητήρες Trent. Αυτές οι αρχιτεκτονικές καινοτομίες είναι άμεσες απαντήσεις στη ρυθμιστική πίεση για τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα κάθε πτήσης.

Καινοτομίες που οδηγούνται από κανονισμούς

Οι κατασκευαστές και τα ερευνητικά ιδρύματα επιδιώκουν ενεργά λύσεις που διαταράσσουν την κατάσταση.

Υβριδική και ηλεκτρική προώθηση

Τα ηλεκτρικά και υβριδικά συστήματα πρόωσης αναπτύσσονται για περιφερειακά και μικρής κλίμακας αεροσκάφη για την εξάλειψη των άμεσων εκπομπών CO2 κατά τη διάρκεια της πτήσης. Ο X-57 Maxwell demontrator της NASA και το ηλεκτρονικό αεροπλάνο Alice από την Εύβοια είναι πρώιμα παραδείγματα. Ενώ τα όρια της τρέχουσας ενεργειακής πυκνότητας της μπαταρίας, υβριδικές αρχιτεκτονικές ⁇ συνδυάζοντας μια αεριοστροβίλο με ηλεκτρικούς κινητήρες ⁇ μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου κατά 30-40% σε μικρότερες αποστολές. Pratt & Whitney, Rolls-Royce, και GE είναι όλες διερευνούν υβριδικές-ηλεκτρικές έννοιες. Η ρυθμιστική ώθηση από την EU’s Flightpath 2050 και το US’SAF Grand Challenge παρέχει τόσο χρηματοδότηση και επείγουσα για αυτές τις τεχνολογίες.

Βιώσιμα καύσιμα αεροπορίας (SAF)

Τα βιώσιμα καύσιμα της αεροπορίας ⁇ που προέρχονται από απόβλητα πετρελαίου, δημοτικά στερεά απόβλητα, γεωργικά υπολείμματα ή συντίθενται από πράσινο υδρογόνο και αιχμαλωτίζονται CO2 ⁇ προσφέρουν μια λύση που μπορεί να μειώσει τις εκπομπές CO2 κύκλου ζωής κατά 80% σε σύγκριση με τα συμβατικά καύσιμα αεριωθούμενων. Οι κινητήρες που είναι σήμερα πιστοποιημένοι για να λειτουργούν έως και 50% μείγματα SAF, και οι κατασκευαστές εργάζονται προς 100% συμβατότητα SAF. Για παράδειγμα, ο στόλος της Airbus A350 έχει πραγματοποιήσει επιτυχείς πτήσεις δοκιμής 100% SAF χρησιμοποιώντας κινητήρες Rolls-Royce Trent XWB. Ρυθμιστικά κίνητρα, όπως η φορολογική πίστωση των ΗΠΑ και η εντολή της ΕΕ ReFuelEU Aviation, απαιτούν την αύξηση των αναμείξεων της SAF, την προώθηση των κινητήρων για τη βελτιστοποίηση των συστημάτων καυσίμων, φώκιες, και τη συμπεριφορά καύσης για αυτά τα εναλλακτικά καύσιμα.

Βελτιώσεις της απόδοσης των κινητήρων μέσω της αεροδυναμικής και της θερμοδυναμικής

Πέρα από τα υλικά και την αρχιτεκτονική, οι κανονισμοί έχουν παρακινήσει αεροδυναμικές και θερμοδυναμικές βελτιώσεις. Υψηλότερες αναλογίες παράκαμψης (έως και 12:1 για τους σύγχρονους κινητήρες) αυξάνουν την προωθητική απόδοση μετακινώντας περισσότερο αέρα με χαμηλότερη ταχύτητα. Η προηγμένη υπολογιστική δυναμική ρευστού (CFD) επιτρέπει βελτιστοποιημένα σχήματα λεπίδας με μειωμένη παρασιτική έλξη. Μεταβλητή γεωμετρία στους συμπιεστές και στους στροβίλους επιτρέπει στον κινητήρα να λειτουργεί με μέγιστη απόδοση σε ένα ευρύτερο φάσμα συνθηκών. Επιπλέον, η πρόσθετη κατασκευή (3D εκτύπωση) επιτρέπει περίπλοκα εσωτερικά περάσματα ψύξης σε λεπίδες τουρμπίνων, βελτιώνοντας τη μεταφορά θερμότητας και επιτρέποντας υψηλότερες θερμοκρασίες καύσης χωρίς αύξηση του σχηματισμού NOx. Αυτά τα πρόσθετα κέρδη ένωση για να παραδώσει τις βελτιώσεις καυσίμου 1 ⁇ 2% ετήσιας καύσης που απαιτούνται για την εκπλήρωση μακροπρόθεσμων ρυθμιστικών στόχων.

Προκλήσεις και μελλοντική προοπτική

Παρά τις καινοτομίες αυτές, η πορεία προς τη ρυθμιστική συμμόρφωση είναι γεμάτη με τεχνικά και οικονομικά εμπόδια. Το κόστος ανάπτυξης για τα νέα προγράμματα κινητήρων ανέρχεται σε δισεκατομμύρια δολάρια, και τα χρονοδιαγράμματα πιστοποίησης καλύπτουν μια δεκαετία ή περισσότερο. Τα υλικά υψηλής θερμοκρασίας και τα CMC παραμένουν ακριβά για την παραγωγή, και η μείωση της παραγωγής SAF για την κάλυψη της προβλεπόμενης ζήτησης απαιτεί μαζική επένδυση κεφαλαίου ⁇ η τρέχουσα προσφορά SAF συναντά λιγότερο από το 0,1% της παγκόσμιας κατανάλωσης καυσίμων αεριωθούμενων. Επιπλέον, η καύση υδρογόνου και των κυψελών καυσίμου, ενώ υπόσχεται, αντιμετωπίζει προκλήσεις αποθήκευσης και υποδομής που δεν θα λυθούν γρήγορα.

Ωστόσο, η ρυθμιστική δυναμική συνεχίζει να ενισχύει. Η CORSIA της ICAO μεταβαίνει από εθελοντική σε υποχρεωτική φάση, και η δέσμη της ΕΕ για 55 προτείνει αυστηρότερα πρότυπα CO2 και αποτελεσματική απαγόρευση των νέων αεροσκαφών μόνο για ορυκτά καύσιμα έως το 2035. Οι κατασκευαστές κινητήρων ανταποκρίνονται με επιθετικούς οδικούς χάρτες: Η Rolls-Royce στοχεύει σε εκπομπές καθαρού μηδενικού έως το 2050 μέσω ενός συνδυασμού SAF, υδρογόνου και υβριδικής ηλεκτρικής πρόωσης. Η GTF Advantage engine της Pratt & Whitney προωθεί την τεχνολογία των ανεμιστήρων με ταχύτητα περαιτέρω με μια πρόσθετη βελτίωση 1%.

Η ενσωμάτωση των κανονισμών για την κλιματική αλλαγή στην ανάπτυξη των κινητήρων αεριωθούμενων δεν είναι απλώς μια άσκηση συμμόρφωσης· είναι ένας καταλύτης για θεμελιώδη τεχνολογικό μετασχηματισμό. Καθώς οι πολιτικές γίνονται αυστηρότερες, ο αεροδιαστημικός τομέας θα συνεχίσει να καινοτομεί, κινούμενος προς ένα μέλλον όπου τα αεροσκάφη εκπέμπουν πολύ λιγότερο CO2 και NOx ανά επιβατικό-χιλιόμετρο. \" εξέλιξη αυτή είναι απαραίτητη για την επίτευξη των παγκόσμιων κλιματικών στόχων που περιγράφονται στη συμφωνία του Παρισιού και διασφαλίζοντας ότι η αεροπορία μπορεί να αναπτυχθεί βιώσιμα τις επόμενες δεκαετίες.

“Το ρυθμιστικό πλαίσιο είναι ο μοναδικός πιο ισχυρός οδηγός για την καθαρή τεχνολογία του κινητήρα. Χωρίς αυτό, τα κίνητρα δεν θα ευθυγραμμίζονταν για να δικαιολογήσουν την επένδυση σε ριζοσπαστικές νέες αρχιτεκτονικές και καύσιμα.” ⁇ Δρ. Alan Epstein, πρώην Αντιπρόεδρος της Τεχνολογίας & Περιβάλλοντος στο Pratt & Whitney

Για περαιτέρω ανάγνωση, συμβουλευτείτε τη σελίδα ICAO CORSIA, τον US Department of Energy’s SAF επισκόπηση] και τον Rolls-Royce net-zero maintage[]. Πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τα πρότυπα εκπομπών μπορούν να βρεθούν στις περιβαλλοντικές σελίδες του Οργανισμού Ασφάλειας της Ευρωπαϊκής Ένωσης .