Aeronavele viitorului. Partea a II-a

Scris de Gabriela Morosanu pe 10/11/2012 in Aer, Energie · 1 Comentarii

New York-Sidney, în mai puțin de două ore! Este, oare, cu putință? În cele ce urmează, vom prezenta câteva modele de aeronave de viitor care, dacă nu vor reuși să vadă lumina zilei în următorii ani, sigur au început deja ”să miște rotițele” marii mașini a timpului… Ca parte a cercetării noastre cu privire la avantajele și dezavantajele utilizarii unor noi modele de avioane ecologice în viitor, am efectuat o mică anchetă pentru a afla care ar putea fi modificările aduse aeronavelor în următorii zece-douăzeci de ani. Întrebarea pe care mi-am pus-o este cum ne putem imagina o aeronavă a viitorului a cărei structură și funcționare să abordeze problemele de mediu? În timpul lucrării la acest articol mi-am mai adresat o întrebare, și anume aceea dacă într-adevăr aeronavele viitorului, concepute după principiile ecologice, sunt sau nu mai puțin poluante în ansamblul lor decât cele tradiționale. Aceasta pentru că, deși ele vor folosi biokerosen și vor reduce în acest fel poluarea, întreg procesul de obținere a biokerosenului și a materialelor din care e formată aeronava nu implică și el, oare, același consum de resurse prin mijloace de producție poluante? În acest lung șir de întrebări și nelămuriri, am încercat să îmi imaginez aeronava viitorului…m-am gândit că ar trebui să aibă o formă mult mai suplă decât cea a avioanelor clasice, cu aripi mult mai ample și cu motoare mai subțiri și mai întinse, montate pe partea dorsală pentru a capta lumina soarelui…nu știu dacă acest lucru este posibil, dar în descrierile unora dintre modele veți întâlni caracteristici asemănătoare cu cele imaginate de mine…

Un avion solar este un dispozitiv al cărui motor electric este alimentat integral sau în parte, prin energia pe care o captează de la lumina soarelui prin panouri fotovoltaice. Amenajat pe suprafața aripii, care transformă energia luminii în energie electrică, motorul este compus din celule fotovoltaice care, expuse la lumină, generează o tensiune electrică. Conectat la panourile solare, un circuit electronic asigură utilizarea optimă a energiei la puterea motorului, care va transmite în timp scurt o transformare a energiei electrice în energie mecanică prin elice. O baterie este folosită pentru a stoca energie suplimentară generată de celule. De ce ai fi interesat să pilotezi aeronave cu panouri solare?

Energia solară are multe avantaje: este în primul rând energie non-poluantă, fiind pe bună dreptate numită “energie curată”. De fapt, ea nu emite gaze cu efect de seră și nu produce deșeuri toxice. Avantajoasă la consumul total de energie pentru a pune în mișcare un angrenaj, este în plus imposibil de epuizat în timp uman și, bineînțeles, gratuită. Cu toate acestea, din mai multe motive, aceasta nu este încă utilizată în aer: Celulele fotovoltaice sunt fragile, trebuie să fie întotdeauna păstrate curate, sunt dificil de implementat pe o aripă și presupun un cost ridicat. Rezultatul, până în prezent, e reprezentat doar de aeronave de mici dimensiuni, ultraușoare sau monoplane-uri, care nu sunt destinate transportului în comun. Un alt vis din domeniul aeronauticii se îndreaptă către avioane prevăzute cu turbine eoliene montate deasupra sa sau pe aripi, acest lucru însemnând punerea uneia sau a întregii puteri mecanice pe seama energiei produse de acestea. Dacă în privința panourilor solare este mult mai ușoară realizarea testelor și a previziunilor, în ceea ce privește așa-zisele turbine eoliene ”aeropurtate”, lucrurile se complică din cauza neomogenității vitezei curenților de aer, compuse cu cea a aeronavei la trecerea prin ei.

U.S. Airforce lucrează la proiectarea a o serie de aeronave eco-eficiente, al căror specific este zborul în formație pentru a limita emisiile de carbon, principiu conform căruia, cu cât sunt mai multe aparate în mișcare, în același timp, pe un spațiu restrâns, cu atât este mai puțin dăunător mediului dacă acestea zboară grupate, eliminând gazele toxice pe aceeași traiectorie și mai ales în aceeași direcție față de curenții de aer.

În laboratoarele americane Airbus, ochii văd departe…tocmai spre 2050…U.S. Air Force a anunțat de multe ori că pregătește aeronave futuriste și se pare că nu se dezminte. Un proiect foarte popular este acela al ”avionului – pasăre”, adică o tehnologie de ultimă oră capabilă să economisească mari cantități de combustibil printr-un lucru mecanic mult mai eficient, distribuit pe tot timpul zborului, ambalată într-o structură de materiale constitutive ale interiorului, pereților și atașamentelor asemănătoare scheletului unei păsări. Inovația nu se oprește aici, constructorii concepând acest model cu o trapă panoramică în loc de tavan, dând impresia călătorilor că pot pluti prin nori… În schimbul confortului din interior, pasagerii vor contribui și ei la buna funcționare a aeronavei, aceasta pentru că dispozitivele electronice vor utiliza parțial energia lor corporală pe post de resursă. Pe lângă această resursă neconvențională, aeronava se va mai putea alimenta printr-o serie de panouri solare sau baterii, care vor reduce substanțial consumul de combustibili clasici. Modelele vor tinde spre motoare hibrid, care vor utiliza nu alternativ sursele de energie, ca la autovehiculele terestre, ci simultan, în funcție de sistemul ce trebuie alimentat…vor fi atunci părți ale avionului care vor utiliza doar sursele moderne, iar altele care vor rămâne la consumul combustibilului, datorită puterii calorice net superioare și a posibilității de stocare a lui față de altele care trebuie automat după captare (exemplu, energia solară sau căldura corpului uman) să fie transformate în lucru mecanic. În acest model de avion, care este încă la stadiul de „science fiction”, nu s-a precizat pentru ce fel de combustibil se va opta. Principiul este acela de a adapta cât mai mult dispozitivele de funcționare a aeronavei la surse de energie diferite de combustibilii tradiționali și de a-i utiliza pe aceștia doar unde e necesar, dar nu se știe dacă acea mică parte rămasă pe tehnologia combustiei interne va consuma biocombustibili. Probabil acest mic detaliu încă nu a fost definitivat, deoarece se încearcă mai întâi exploatarea tuturor căilor de obținere a energiei regenerabile și apoi stabilirea tipului de combustibil folosit pentru restul aeronavei. În orice caz, chiar dacă în câteva decenii se va proiecta un astfel de avion cu toate caracteristicile mai sus menționate, nu se știe cât și dacă va reduce impactul său asupra mediului. Pe de-o parte, pentru că toate acele dispozitive de stocare a energiei umane, solare și eoliene, implică o complicare a structurilor interne ale unui vehicul aerian, de la materialul folosit (produsul finit va servi diminuării poluării, dar nu și materiile prime de la care se pleacă) și până la toate etapele prin care trec ele în procesul de fabricație, iar pe de altă parte se pune și problema presiunii asupra elementului uman, care va constitui, se pare, o verigă esențială în tot acest angrenaj. Oare s-au făcut studii asupra limitei de suport a corpului uman la încercarea de a-i ”extrage” căldura și de i-o folosi pe post de resursă energetică? Ce fel de mobilier ar necesita un astfel de avion, pentru ca la contactul cu omul acesta să preia căldura sa și să-l transforme în lucru mecanic? Nu dăunează acesta organismului și oare va mai fi într-adevăr la fel de confortabil un astfel de mobilier? Timpul și mintea umană vor decide…

Un alt obiectiv pe următorii 30 de ani ar fi acela al reducerii zgomotului pe care un avion îl face în timpul mersului. Vizat e zgomotul aerodinamic, omniprezent în timpul decolării și aterizării.

Sistemul de propulsie al unui avion este compus din elemente active care vibrează în timpul acțiunii, cum ar fi motoare sau alte mecanisme, și elemente pasive, cum ar fi plăci sau capace.Vibrația elementelor active antrenează pe cea a elementelor pasive. Acest zgomot poate fi totuși ușor de eliminat cu o soluție simplă, dar eficientă, care să presupună utilizarea unor materiale ”vâscoelastice”, adică plăci moi, care absorb undele sonore și vibrațiile.

Pentru a reduce zgomotul în zona de motor, motoare noi sunt în stadiul de experiment. Față de motoarele cu ”flux simplu”, foarte zgomotoase, la care tot aerul care intră în motor acționează turbinele, motoare turbopropulsoare (cu flux dublu) sunt mai promițătoare. Apărute în anii ’60, motoarele turbopropulsoare au devenit rapid speranța la o aeronavă mai silențioasa.

Cum functionează un motor cu turbopropulsoare?

În aceste motoare, compresorul aspiră o cantitate mare de aer. Acest aer este divizat în două părți. Cea mai mare, cu aer comprimat produs de ventilator, care înconjoară motorul, generează fluxul rece, iar cealaltă parte conține aer comprimat care trece prin motor (fluxul cald). Acest flux de fierbinte va întâlni fluxul rece, moment în care ambele sunt ejectate. Dar fluxul rece va reduce în continuare presiunea jetului de aer cald, care va duce la mai putin zgomot.

Pentru a diminua poluarea fonică, o altă soluție este posibilă: reducerea trenei de gaze lăsate pe cer de avion. Trena corespunde în fapt forțelor de frecare ce se opun la avansarea aeronavei. Pentru a contracara rezultatul acestor forțe, materializat prin dungi albe clar observabile în trecerea prin stratele atmosferice a unei aeronave, aceasta necesită o forță de împingere mai mare și, prin urmare, mai mult combustibil. Rezultatul? – motorul trebuie să furnizeze un lucru mecanic sporit și, prin urmare, zgomotul generat este inevitabil. Pentru a reduce trena de gaze, aeronava trebuie să mențină un flux laminar, adică linear, cât mai mult posibil pe părțile expuse la vânt.

Abordarea coborârii continue?

Din ce în ce mai apreciată, abordarea coborârii continue a făcut multă cerneală să curgă pe manuscrisele inginerilor. Această procedură constă în a aduce în jos un avion de la nivelul lui de zbor, pe un plan perpendicular cu suprafața terestră, adică de la o altitudine mare și fără o manieră de zbor constantă spre pista de aterizare, prin simpla reducere a puterii motorului. Această tehnică are ca efect reducerea emisiilor de poluanți gazoși și scăderea în mod semnificativ a poluării fonice, deoarece cu cât o aeronavă se apropie mai mult de profilul său de coborâre naturală, cu atât este mai puțin zgomotoasă, prin menținerea unei viteze constante a motorului. Cu toate acestea, principiul coborârii continue are un dezavantaj enorm și totodată paradoxal: deși coborârea pe verticală ar însemna mai puțin gaz emanat, pentru a se obține această performanță, trebuie consumat mai mult combustibil…Din păcate, orice s-ar încerca pentru a diminua consecințele negative ale traficului aerian asupra mediului, nu poți avea totul din nimic sau fără să lași în urmă nimic…

Aceste avioane care vor revoluționa aeronautica…fie ele produse de Boeing, N.A.S.A. sau Airbus, sunt în mod cert în mai mare acord cu legile naturii. În ceea ce privește forma aripilor, dacă lucrurile au fost lămurite cât de cât, trebuie mers mult mai adânc, în modul lor de integrare la sistemul mecanic al avionului. Spre exemplu, noul concept prezentat în 2010 de NASA face referire la un avion cu un reactor unic, montat de această dată la coada aparatului de zbor, și nu la nivelul aripilor. Un alt concept, inspirat de această dată din modelul militar, este cel elaborat de Institutul de Tehnologie din Massachussetts, botezat ”Bucla dublă” D8. Acest avion este destinat zborurilor comerciale și va zbura cu o viteză medie de 906 km/h. Aproximativ 180 de pasageri vor putea fi transportați și se prevede că va intra în serviciul societății în perioada 2030-2035. Până atunci, rămâne să ne bucurăm de un alt model de avion, conceput de echipa științifică a Corporației Northrop Grumman. Acest avion, tot comercial, reprezintă ”ultimul răcnet” în ceea ce putem generic numi ”SELECT” sau transport comercial eficient fonic și cu emisii de gaze scăzute (Silent Efficient Low Emissions Commercial Transport). Aparent nu prezintă ceva ieșit din comun, dar, dacă îl cercetăm mai îndeaproape (imaginea de mai jos), observăm că nu arată ca un avion obișnuit, aceasta pentru că este alcătuit din materiale compozite ultralejere, din ceramică în principal, și din elemente fabricate prin aplicarea nanotehnologiei. Tot acest efort de reducere a masei sale prin controlarea materialelor alcătuitoare nu duce la nimic altceva decât la diminuarea zgomotului produs la trecerea prin stratele de aer de o anumită vâscozitate și cu un anumit comportament la frecarea cu el. În fața atâtor competitori, nici Boeing nu se lasă mai prejos…cel mai îndrăzneț proiect al său se numește ”Icon-it”și desemnează un avion supersonic a cărui formă ne duce cu gândul mai degrabă la o navă spațială decât la un vehicul pământesc. Forma sa neobișnuită nu este, însă, un capriciu al designerilor de produs, ci un mod de a plasa mult mai bine elementele sale motorizate, pasagerii, și de a reduce consumul de carburant.

Încheiem printr-un top 5 al celor mai bizare apariții viitoare în domeniul aeronauticii, apariții pentru a căror construcție se va încerca reducerea cât mai mult a poluării, dar și combinarea într-un design fiabil a cât mai multor materiale obținute pe căi ecologice.

Din categoria ”avioanelor ecologice stranii”, topul este deținut de următoarele aeronave:

Locul 5: Avionul ”Amfibie” proiectat de Icone Aircraft, capabil să decoleze atât de pe pământ, cât și de pe suprafețe acvatice;

Locul 4: Aerocraftul ML 866 – este excepțional pentru capacitatea sa de a decola și de a ateriza vertical, apoi de a se menține în zbor staționar pe o perioadă lungă de timp. Acesta zboară cu o viteză mai mică, de 220 km/h, la o altitudine proporțională cu viteza, de 2500 m. Este ușor de observat că nu poate servi prea bine transportului călătorilor pe distanțe prea lungi și în timp scurt, dar ceea ce impresionează este forma lui de ”Pește – balon”, care merită efortul călătoriei.

Locul 3: Avionul ”Suliță” – acest concept de-a dreptul nebun, aparține companiei Japan Airlines. Cu mai multe perechi de aripi, în forma celor ale peștilor, aeronava este capabilă să străpungă foarte ușor masele de aer și să își distribuie lucrul mecanic pe toată întinderea sa, lansarea sa fiind programată pentru anul 2025.

Locul 2: Această farfurie zburătoare a fost creată în laboratoarele Universității din Delft de către Compania Greener Air Travel. Acest avion atipic ar trebui să elibereze cu până la 50% mai puțin caz de origine carbonică, măsurată pentru fiecare pasager și pentru fiecare kilometru parcurs, decât avioanele actuale.

Locul 1: Cea mai stranie creatură aerodinamică motorizată este cea concepută de NASA, pe care o puteți admira în imaginea imediat următoare. Acest avion este mai degrabă neconvențional, sfidând orice formă de vehicul aerian gândită până acum. arată ca un imens panou solar în formă de aripă, care va utiliza energia luminoasă ca și carburant și va ”bate” din aripi sau se va ondula în fiecare moment al mișcării, pentru a atinge echilibrul spațial necesar sau pentru a se propulsa înainte sau înapoi.