Interesujące materiały kompozytowe magazynują energię i zmniejszają zużycie paliwa przez samoloty
Wyobraźmy sobie materiał o wyjątkowych osiągach, pozwalający nie tylko na przenoszenie obciążeń mechanicznych samolotu, ale także na magazynowanie energii elektrycznej potrzebnej do zasilania jego kabiny i systemów znajdujących się na pokładzie. Do czego doprowadzi jego powstanie? Z dużym prawdopodobieństwem pozwoli ono na opracowanie samolotów nowej generacji o niższym zapotrzebowaniu na paliwo i dwukrotnie większym zasięgu w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami. Obecnie pozostają one nadal w sferze planów i marzeń, jednak zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SORCERER (Structural pOweR CompositEs foR futurE civil aiRcraft) opracował rewolucyjne superkondensatory i akumulatory strukturalne, których połączenie może pozwolić na znaczne zwiększenie stopnia elektryfikacji samolotów nowej generacji. Emile S. Greenhalgh, kierownik katedry nowych technologii Royal Academy of Engineering opowiada o nowym rozwiązaniu, jego potencjale oraz drodze do komercjalizacji.
Poza wczesnymi prototypami i pracami badawczo-rozwojowymi realizowanymi przez producentów, samoloty elektryczne nadal wydają się wyłącznie mrzonką. Co pan uważa na ten temat? Jakie główne przeszkody wciąż stoją na drodze do osiągnięcia tego celu?
Emile Greenhalgh: Wydaje mi się, że powstanie w pełni elektrycznych dużych samolotów pasażerskich nadal stanowi odległą perspektywę, a główną przeszkodą stojącą na drodze do ich stworzenia jest bardzo wysoka gęstość energii, której wymagają tego rodzaju rozwiązania. Nawet jeśli uda nam się opracować odpowiednie rozwiązania, pozostaną nam kwestie bezpieczeństwa związane z magazynowaniem tak wielkich ilości energii przy zachowaniu niewielkiej objętości. Myślę, że to właśnie dlatego kolejne przedsiębiorstwa skupiają się na wykorzystaniu wodoru w postaci źródła czystej energii. Nie oznacza to jednak, że elektryfikacja stanowi nieosiągalny cel. Kabina i systemy na pokładzie samolotu, które obecnie są zasilane z silników, mogą wykorzystywać nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej. W związku z tym skupiamy się na zasilaniu strukturalnym. Co więcej, elektryfikacja napędu jest znacznie bardziej realistyczną opcją w przypadku mniejszych samolotów oraz dronów, spodziewam się nawet rozwoju tych obszarów rynku.
Pański projekt koncentruje się w szczególności na materiałach kompozytowych magazynujących energię. Dlaczego to zagadnienie jest ważne i jakie luki technologiczne miał wypełnić projekt? Dlaczego to właśnie pańskie konsorcjum jest szczególnie dobrze przygotowane do stawienia czoła tym wyzwaniom?
Magazynowanie energii w strukturze jest stosunkowo eleganckim sposobem rozwiązania podwójnego wyzwania, jakim jest zmniejszenie masy konstrukcji samolotów oraz zasilania ich systemów. Mamy świadomość tego, że rozwój tradycyjnej elektrochemii zmierza w kierunku zwiększania gęstości energii, ale jak już wspomniałem, takie rozwiązania będą stanowiły ogromne wyzwanie z punktu widzenia bezpieczeństwa. Magazynowanie energii w elementach konstrukcyjnych stanowi rozwiązanie pozwalające na elektryfikację samolotów, a jednocześnie nie wymaga przy tym absurdalnie wysokiej gęstości energii. Najlepiej zilustruje to przykład – udało nam się wykazać, że w przypadku taksówki powietrznej takiej jak City Airbus zastąpienie konwencjonalnych akumulatorów i elementów strukturalnych naszymi wielofunkcyjnymi materiałami przy danej gęstości energii zwiększy zasięg samolotu przeszło dwukrotnie. W skład naszego konsorcjum wchodzą czołowe na świecie grupy zajmujące się rozwojem superkondensatorów strukturalnych (Imperial oraz IMDEA Materials) a także akumulatorów (Chalmers, KTH) – właśnie dlatego znajdujemy się w doskonałym położeniu, które pozwala nam na rozwój tej technologii. Imperial, Chalmers i KTH są pionierami tych technologii i ulepszają je już od ponad 10 lat.
Co pańskim zdaniem sprawia, że realizowany projekt jest szczególnie innowacyjny?
Wypracowaliśmy zupełnie nowe podejście do wykorzystania materiałów strukturalnych. Pojęcie materiałów wielofunkcyjnych zwykle opisuje materiały posiadające wiele funkcji fizycznych (na przykład elektronicznych i optycznych), jednak niezwykle rzadko dotyczy dodatkowych funkcji mechanicznych. Dzieje się tak dlatego, że połączenie funkcji mechanicznej z dodatkowymi funkcjami fizycznymi często prowadzi do powstawania sprzecznych wymagań w odniesieniu do materiału. Osiągnięcie wysokiej sztywności mechanicznej wymaga na przykład sztywnych elementów składowych, jednak by umożliwić występowanie zjawisk transportowych (na przykład przepływu jonów), muszą być zarazem miękkie. Zastosowane przez nasz zespół podejście opierało się na zapewnieniu możliwości dostosowania mikrostruktury materiału w celu kontrolowania równowagi pomiędzy jego różnymi funkcjami.
Jakie są najważniejsze na ten moment osiągnięcia projektu?
Początkowo chcieliśmy osiągnąć cele dotyczące osiągów i wydajności naszych strukturalnych superkondensatorów i akumulatorów, a także przedstawić prototypy w formie końcowych komponentów. Jeśli chodzi o nasze osiągnięcia w zakresie superkondensatorów strukturalnych, udało nam się osiągnąć gęstości energii i mocy wynoszące odpowiednio 1,4 Wh/kg i 1,1 kW/kg. Pracujemy również nad prototypem drzwi samolotu. IMDEA zademonstrowała swoje superkondensatory strukturalne jako część obudowy mieszczącej systemy. Jeśli chodzi o akumulatory strukturalne, wytwarzamy laminat kompozytowy z wielofunkcyjnymi ogniwami. Projekt dobiega końca w styczniu 2021 roku – przewidujemy, że do tego czasu będziemy mogli zaprezentować prototypowe rozwiązania.
Jak daleka droga będzie dzieliła nas od wykorzystania gotowych rozwiązań w samolotach z chwilą zakończenia projektu?
Powiem wprost – dość daleka. Jest tak ze względu na to, że pracujemy nad prawdziwie rewolucyjną technologią, która będzie wymagała dużego nakładu pracy, zanim znajdzie zastosowanie w samolotach. Sektor lotniczy i kosmiczny jest zdecydowanie konserwatywny, jednak sądzę, że magazynowanie energii w elementach strukturalnych pojawi się w zastosowaniach niekrytycznych i być może w mniejszych pojazdach takich jak drony stosunkowo szybko, być może nawet w ciągu najbliższych pięciu lat.
Jakie są pańskie plany na przyszłość?
Osobiście otrzymałem właśnie stanowisko kierownika katedry nowych technologii Royal Academy of Engineering, co wiąże się z finansowaniem moich badań nad tym zagadnieniem przez następną dekadę. Konsorcjum projektu prowadzi obecnie rozmowy ze spółką Airbus dotyczące przyszłego projektu dotyczącego tej dziedziny. Niestety, nie udało nam się otrzymać dofinansowania ze środków Unii Europejskiej na kontynuację naszych badań, jednak mamy nadzieję, że będziemy w stanie pozyskać dodatkowe środki w przyszłości.
Słowa kluczowe
SORCERER, samolot, magazynowanie energii, materiały kompozytowe, prototyp, superkondensatory, akumulatory, energia elektryczna, oszczędność paliwa