Elektriska flygplan kan verka futuristiska, men de är inte så långt borta, åtminstone för korta hopp.

Tvåsitsiga Velis Electros surrar redan stilla runt i Europa, elektriska sjöflygplan testas i British Columbia och större plan kommer. Air Canada tillkännagav den 15 september 2022 att man skulle köpa 30 elektriska hybridflygplan från Sveriges Heart Aerospace, som räknar med att ha sitt 30-sitsiga plan i trafik 2028. Analytiker vid U.S. National Renewable Energy Lab noterar att det första elektriska hybridplanet med 50 till 70 säten kan vara klart inte långt efter det. På 2030-talet, säger de, kunde elflyget verkligen ta fart.

Det är viktigt för att hantera klimatförändringarna. Cirka 3 % av de globala utsläppen kommer från flyg i dag, och med fler passagerare och flyg som förväntas när befolkningen växer, kan flyget producera tre till fem gånger mer koldioxidutsläpp år 2050 än vad det gjorde före covid-19-pandemin.

Flygingenjör och biträdande professor Gökçin Çınar utvecklar hållbara flygkoncept, inklusive hybridelektriska flygplan och alternativ för vätgasbränsle, vid University of Michigan. Vi frågade henne om de viktigaste sätten att minska flygutsläppen idag och vart teknik som elektrifiering och väte är på väg.

Varför är flyget så svårt att elektrifiera?

Flygplan är några av de mest komplexa fordonen som finns, men det största problemet för att elektrifiera dem är batterivikten.

Om du försökte helt elektrifiera en 737 med dagens batterier, skulle du behöva ta ut alla passagerare och last och fylla det utrymmet med batterier bara för att flyga i under en timme.

Jetbränsle kan rymma cirka 50 gånger mer energi jämfört med batterier per massenhet. Så du kan ha 1 pund flygbränsle eller 50 pund batterier. För att minska det gapet måste vi antingen göra litiumjonbatterier lättare eller utveckla nya batterier som håller mer energi. Nya batterier utvecklas, men de är ännu inte redo för flygplan.

Ett elektriskt alternativ är hybrider.

Även om vi kanske inte helt kan elektrifiera en 737, kan vi få vissa fördelar med bränsleförbränning från batterier i de större jetplanen genom att använda hybridframdrivningssystem. Vi försöker få det att hända på kort sikt, med ett mål 2030–2035 för mindre regionala plan. Ju mindre bränsle som förbränns under flygningen, desto färre utsläpp av växthusgaser.

Hur fungerar hybridflyg för att minska utsläppen?

Elhybridflygplan liknar hybridelbilar genom att de använder en kombination av batterier och flygbränslen. Problemet är att ingen annan industri har de viktbegränsningar som vi har inom flygindustrin.

Det är därför vi måste vara väldigt smarta med hur och hur mycket vi hybridiserar framdrivningssystemet.

Att använda batterier som krafthjälp under start och klättring är mycket lovande alternativ. Att taxi till landningsbanan med enbart elkraft skulle också kunna spara en betydande mängd bränsle och minska de lokala utsläppen på flygplatser. Det finns en sweet spot mellan den extra vikten av batteriet och hur mycket el du kan använda för att få nettobränslefördelar. Detta optimeringsproblem är i centrum för min forskning.

Hybrider skulle fortfarande förbränna bränsle under flygning, men det kan vara betydligt mindre än att bara förlita sig helt på flygbränsle.

Jag ser hybridisering som ett alternativ på medellång sikt för större jetplan, men en lösning på kort sikt för regionala flygplan.

För 2030 till 2035 är vi fokuserade på hybridturboprops, typiskt regionala flygplan med 50–80 passagerare eller som används för frakt. Dessa hybrider skulle kunna minska bränsleförbrukningen med cirka 10 %.

Med elhybrider skulle flygbolagen också kunna använda sig mer av regionala flygplatser, vilket minskar trängseln och den tid som större flyg tillbringar på tomgång på landningsbanan.

Vad förväntar du dig att se på kort sikt av hållbart flyg?

På kort sikt kommer vi att se mer användning av hållbara flygbränslen, eller SAF. Med dagens motorer kan du dumpa hållbart flygbränsle i samma bränsletank och bränna det. Bränsle tillverkade av majs, oljeväxter, alger och andra fetter används redan.

Hållbara flygbränslen kan minska ett flygplans nettokoldioxidutsläpp med cirka 80 %, men utbudet är begränsat och att använda mer biomassa som bränsle kan konkurrera med livsmedelsproduktionen och leda till avskogning.

Ett andra alternativ är att använda syntetiska hållbara flygbränslen, vilket innebär att fånga upp kol från luften eller andra industriella processer och syntetisera det med väte. Men det är en komplex och kostsam process och har ännu inte en hög produktionsskala.

Flygbolag kan också optimera sin verksamhet på kort sikt, såsom ruttplanering för att undvika att flyga nästan tomma plan. Det kan också minska utsläppen.

Är väte ett alternativ för flyget?

Vätgasbränsle har funnits väldigt länge, och när det är grönt väte – producerat med vatten och elektrolys som drivs av förnybar energi – producerar det inte koldioxid. Den kan också hålla mer energi per massenhet än batterier.

Det finns två sätt att använda väte i ett flygplan:antingen i stället för vanligt jetbränsle i en motor, eller i kombination med syre för att driva vätebränsleceller, som sedan genererar elektricitet för att driva flygplanet.

Problemet är volymen – vätgas tar mycket plats. Det är därför ingenjörer tittar på metoder som att hålla det väldigt svalt så att det kan lagras som vätska tills det bränns som en gas. Det tar fortfarande upp mer plats än flygbränsle, och lagringstanken är tunga, så hur man förvarar, hanterar eller distribuerar det på flygplan håller fortfarande på att utarbetas.

Airbus forskar mycket om väteförbränning med modifierade gasturbinmotorer med en A380-plattform och siktar på att ha mogen teknologi till 2025. Australiens flygbolag Rex räknar med att börja testa ett 34-sits, väteelektriskt flygplan för korta hopp i flygplanet. nästa år.

På grund av de olika alternativen ser jag väte som en av nyckelteknologierna för hållbart flyg.

Kommer dessa tekniker att kunna uppfylla flygindustrins mål för att minska utsläppen?

Problemet med flygutsläpp är inte deras nuvarande nivåer – det är rädslan att deras utsläpp kommer att öka snabbt när efterfrågan ökar. År 2050 kunde vi se tre till fem gånger mer koldioxidutsläpp från flyget än före pandemin.

International Civil Aviation Organization, ett FN-organ, definierar generellt branschens mål, tittar på vad som är möjligt och hur flyget kan tänja på gränserna.

Dess långsiktiga mål är att minska nettoutsläppen av koldioxid med 50 % till 2050 jämfört med 2005 års nivåer. Att ta sig dit kommer att kräva en blandning av olika tekniker och optimering. Jag vet inte om vi kommer att kunna nå det till 2050, men jag tror att vi måste göra allt vi kan för att göra framtidens flyg miljömässigt hållbart. + Utforska vidare

Prestandaanalys av evolutionära vätgasdrivna flygplan

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.