Водород встает на крыло

В мировой гражданской авиации назревают «зеленые» перемены. Все больше компаний-производителей самолетов объявляют о разработке экологически чистых крылатых машин, призванных сократить выбросы парниковых газов.

Как один из вариантов, идет речь о двигателях на водороде, обладающих нулевой эмиссией СО₂. Вытеснит ли он авиационный керосин из топливных баков самолетов? Взлетят ли эти проекты несмотря на их технические сложности?

Высокие устремления

В последние годы авиационный транспорт вызывает все большее раздражение у экологически настроенной общественности. При сжигании керосина в самолетных двигателях на каждый килограмм потребленного топлива в атмосферу попадает от 2,5 до 3,15 кг диоксида углерода. В результате любой рейс пассажирского или грузового лайнера загрязняет атмосферу минимум десятью тоннами CO₂, плюс сотней килограммов оксида азота. А в расчете на одного пассажира авиация — самый неэкологичный транспорт, особенно при перевозках на короткие расстояния.

В целом на авиацию до пандемии приходилось около 2,5% антропогенных выбросов парниковых газов. Но их объем почти удвоился за последние 15 лет, несмотря на все усилия по снижению эмиссии за счет конструктивных улучшений двигателей и планера. По прогнозам, к середине века — при сохранении нынешних тенденций — вредных выбросов от авиации станет еще вчетверо больше.

Немудрено, что в последнее время появляется все больше проектов по переводу самолетов на альтернативные виды топлива. В числе которых — жидкий водород, LH₂. Многим он кажется перспективным не только по экологическим причинам.

Удельная теплота сгорания водорода составляет не менее 120 МДж/кг — это где-то втрое выше, чем у авиационного керосина. Кроме того, он легко испаряется и почти моментально заполняет весь объем камеры сгорания, что способствует быстрому запуску двигателя при различных температурах и на разных высотах. Также он сгорает почти полностью, что продлевает ресурс двигателей. И, наконец, использование LH₂ не приводит к выбросам диоксида углерода. В итоге к проектам лайнеров на водороде подключились гранды мировой авиации.

В сентябре 2020 года европейский концерн Airbus сообщил о работе над тремя концептами самолетов на водородном топливе, заявив о планах поставить их на рынок к 2035 году. Это региональный турбовинтовой самолет, реактивный лайнер на замену семейству A320neo и инновационное воздушное судно со смешанным крылом. Уже к 2027–2028 гг. должны завершиться НИОКР по созданию образцов, пригодных для массового промышленного производства.

Жесткое приземление

Пионером в области применения водорода в гражданской авиации является СССР. Советский экспериментальный Ту-155 на водородных двигателях совершил первый полет в 1988 году. В рамках проекта был отработан на практике целый ряд новых технологий: очистка, транспортировка, заправка и хранение на борту водорода, работа топливной системы и двигателей. Так что выводы Airbus о реалистичности создания лайнеров на LH₂ базируются на солидном фундаменте.

Но не все с ними согласны. Контраргументов тоже немало. Водород летуч, а в смеси с воздухом крайне взрывоопасен: катастрофа дирижабля «Гиденбург» в 1937 году ясно показала, что хватит и одной случайной искры. Кроме того, LH₂ с его малой плотностью (63–70 кг/м³) занимает в разы больше места, чем обычный керосин, а низкая температура кипения (-252,8 °C) исключает использование крыльев под топливные баки.

В концепте Airbus для их размещения отведена целая треть фюзеляжа, и так удлиненного до конструктивного предела. Соответственно, растут требования к размеру ВПП, а также к другой аэропортовой инфраструктуре. То есть даже если удастся создать надежный, безопасный и экономически эффективный лайнер на водороде, впереди еще годы работ и триллионы долларов затрат.

Навигационный маяк

Главный вопрос: а стоит ли игра свеч? И тут возникает еще одна проблема. LH₂ сгорает с образованием водяного пара, который… тоже является парниковым газом, ответственным за две трети негативных эффектов для Земли. Возможно, по этой причине главный конкурент Airbus — американская корпорация Boeing —рассматривает для себя иные способы уменьшения вредных выбросов.

По ее планам, уже через 10 лет все ее гражданские самолеты будут летать исключительно на экологичных видах авиационного топлива.

«Оно может быть получено из самых разных видов сырья, включая непищевые растения, сельскохозяйственные и лесные отходы, неперерабатываемые бытовые отходы, газообразные отходы промышленных предприятий. Экологичность этих видов топлива подтверждена сертификатами независимых организаций», — указывают в корпорации.

Начиная с 2008 года, Boeing проводит испытательные полеты на биотопливе. А в 2018 году осуществлен полет Boeing 777 Freighter исключительно на эко-топливе (существующие правила разрешают его использование в смеси с традиционным авиакеросином в пропорции 50/50).

Впрочем, и у биотоплива есть недостатки, связанные, во-первых, с ограничениями по объемам производства (в основном это относится к топливу из растительного сырья). А во-вторых, многие его виды и сами оставляют широкий углеродный след, особенно в случаях, когда производятся с использованием электроэнергии, которая сейчас вырабатывается в основном на ТЭС, работающих на газе и угле.

Конечно, есть проекты по синтезу авиационного керосина из водорода и углекислого газа, в которых первый получается за счет зеленой энергетики, а второй — улавливается из промышленных выбросов, содержащих СО₂. Но стоимость его в разы выше, чем у керосина из нефти, а всех существующих мощностей ВИЭ пока не хватает даже для полного отказа от использования ископаемого топлива на электростанциях.

Третий вариант — у него уже есть рабочие образцы — использовать в самолете электродвигатели, питающиеся от водородных топливных элементов. В сентябре 2020 года шестиместный Piper, модернизированный по такой схеме компанией ZeroAvia, которую основал и возглавляет выходец из России Валерий Мифтахов, совершил первый испытательный полет над английским Крэнфилдом. Четырьмя годами ранее HY4, разработанный в Германском центре авиации и космонавтики и рассчитанный на четырех человек включая пилота, поднялся в небо над Штутгартом. Впрочем, этот прототип помимо водородных элементов использовал Li-Ion аккумуляторы для питания двигателей при взлете и посадке.

Скорее всего, так или иначе водород найдет себе место в авиации — если не в большой, то хотя бы в малой. Но остается открытым вопрос: сколько и, главное, кому придется за это заплатить.

Есть мнение, что дело не ограничится только авиапассажирами. В конце концов, углеродный налог, посредством которого власти развитых стран будут стимулировать переход на «экологически чистое» топливо в авиации в том числе, ляжет бременем на каждого, кто потребляет хоть что-то, отличное от солнечного света и атмосферного воздуха.