عامر الدرابسة يكتب:آفاق استخدام محطات الطاقة الكهربائية في الطيران

الأنباط - 

بقلم المهندس والباحث الجامعي عامر الدرابسه

يتم النظر في الطرق الممكنة لاستخدام أنواع بديلة من الوقود وظاهرة الموصلية الفائقة لتخزين الطاقة للتبديل تمامًا إلى المحركات الكهربائية.

الطيران المدني هو عنصر مهم في الاقتصاد العالمي.  يتم تحديد تكلفة وقود الطائرات مباشرة من خلال سعر النفط العالمي السائد.  وهو يمثل الجزء الأكبر من تكاليف تشغيل شركات الطيران.  تضيف شركات الطيران الآن رسوم وقود إضافية إلى تذاكر الطيران التجارية لتعويض ارتفاع تكاليف الوقود بشكل كبير.  من المتوقع أن تظل أسعار النفط العالمية مرتفعة لعدة سنوات.  إن احتمال الحفاظ على أسعار مرتفعة لوقود الطائرات قد يحفز شركات الطيران على البحث عن أنواع بديلة من وقود الطائرات.  يمكن أن يكون البحث عن أنواع وقود بديلة أولوية لصناعة الطيران إذا كان هناك نقص حاد في المنتجات النفطية.  من المحتمل أن يضطر الطيران التجاري إلى التنافس على الوقود والطاقة في سوق النقص وارتفاع أسعار الوقود.  تعد الطائرة الكهربائية واحدة من أكثر البدائل عملية عند النظر في التوقعات المباشرة للطيران.

الطائرة الكهربائية هي طائرة يتم تشغيلها في المقام الأول بواسطة محرك كهربائي بدلاً من محرك احتراق داخلي ؛  يمكن أن يكون مصدر الكهرباء خلايا الوقود أو الألواح الشمسية أو المكثفات القوية أو مصادر الإشعاع أو البطاريات.  في الوقت الحاضر ، تعتبر رحلات الطائرات بمحركات كهربائية بشكل رئيسي تجريبية ومظاهرة ، لكل من المركبات الجوية المأهولة وغير المأهولة.  تم اختبار نماذج الطائرات التي تعمل بالطاقة في الغالب منذ السبعينيات ، على الرغم من وجود محاولات سابقة إلى حد ما.  قامت طائرة بدون طيار صن رايز أسترو ، تزن 27 رطلاً (12 كجم) ، بأول رحلة تعمل بالطاقة الشمسية في العالم من مطار عسكري في الولايات المتحدة في 1974/11/04.  تمت أول رحلة رسمية في العالم لطائرة تعمل بالطاقة الشمسية على متنها رجل في 

1979/04/29.  لإنتاج الجر ، استخدمت الخلايا الكهروضوئية بقوة 350 واط وبجهد 30 فولت ، والتي تغذي البطارية من طائرة هليكوبتر ، والتي بدورها تعمل بمحرك كهربائي.  تمكنت الطائرة من توفير قوة المحرك من 3 إلى 5 دقائق بعد شحن لمدة 1.5 ساعة ، مما سمح للسفينة بالوصول إلى ارتفاع الانتقال إلى وضع التخطيط.

منذ ذلك الحين وحتى الآن ، تم تطوير واختبار عدد كبير من المفاهيم التجريبية للطائرة التي تعمل بالكهرباء ، وتم إطلاق مئات النماذج في الرحلة - حاولت جميع مكاتب تصميم الطيران الموجودة تقريبًا بطريقة معينة تلبية متطلبات الطيران المستقبلي.  في شهر 2008/1 ، كشفت شركة الطائرات الكهربائية النقاب عن Electroflyer-S الجديدة في معرض الطائرات الرياضية الخفيفة.  تم تحويل هذه الطائرة من هيكل الطائرة القياسي ومجهزة بمحرك كهربائي بقوة 18 حصانًا ، ونظام تجديدي من وحدات التحكم مع وظيفة الكبح وبطاريتين ليثيوم بوليمر قابلة للشحن.  وزن المحرك 29 رطلاً ، والبطاريات 78 رطلاً معًا.  الطائرة لديها سرعة تسلق 500 قدم / دقيقة ، وسرعة إبحار 70 ميلا في الساعة ومدة رحلة 90 دقيقة.  يمكن شحنه من مصدر 110 فولت في ست ساعات أو من مصدر 220 فولت لمدة ساعتين.

على مدار تاريخ الطيران ، واجه المهندسون عائقان في تصميم الطائرات الكهربائية.  البطاريات التي تغذي المحركات ثقيلة للغاية وليست موفرة للطاقة بما يكفي لتوفير طاقة كافية.  ولكن في السنوات القليلة الماضية ، أصبحت بطاريات ومحركات السيارات الكهربائية خفيفة وقوية وفعالة بما يكفي لجعل الطيران على الكهرباء ، أو على الأقل جر هجين.

 يمثل المفهوم المقترح مؤخرًا للطائرة الكهربائية أنظمة دفع غير تقليدية وجذرية للغاية ، مثل تكنولوجيا توزيع طاقة محطة الطاقة.  يساهم نظام توزيع الطاقة الكهربائية التوربينية في آليات الدفع هذه في الحفاظ على الطاقة ويجعل السفن ذات المحركات الكهربائية عملية للغاية.  من الممكن أن يكون الهيدروجين السائل منخفض درجة الحرارة وأنواع الوقود البديلة الأخرى ، جنبًا إلى جنب مع تقنية الحفاظ على الطاقة المكثفة ، نظريًا على الأقل ، قادرًا على تجميع طاقة كافية حتى تتمكن طائرة تجارية كاملة الحجم من القيام برحلة واسعة النطاق عبر المحيط أو عبر القارات.  تفتح الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية آفاقًا كبيرة للاستخدام في تكنولوجيا تخزين الطاقة المكثفة.  يمكن الآن تصنيع لفائف ملتوية من مادة فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية بتكلفة يمكن أن تبرر استخدامها في محرك طائرة.  يمكن للطاقة المخزنة باستخدام تقنيات فائقة التوصيل تشغيل المحركات الكهربائية التي تدفع نفس المراوح التي نراها في محركات الطائرات الحديثة التوربينية.

يمكن أن تكون الطائرة الكهربائية أقل تكلفة بكثير من الطائرات التقليدية.  بالنسبة لرحلة تعمل بالطاقة الكهربائية لمسافة 200 ميل ، ستستهلك طائرة شخصية ذات محرك واحد الكهرباء بمبلغ 20 دولارًا أمريكيًا مقارنة بنحو 80 دولارًا من البنزين من فئة الطيران ؛  يحتوي المحرك الكهربائي على جزء متحرك واحد فقط ، لذلك لن يحتاج إلى صيانة روتينية تقريبًا.  مثل هذه التخفيضات في التكاليف ، إلى جانب الملكية المشتركة للطائرات ، يمكن أن تجعل الطيران الشخصي أكثر بأسعار معقولة.  يمكن للمراوح مثل  كواندا تسويق السرعات التجارية دون سرعة الصوت التي تستخدم تكنولوجيا تخزين الطاقة المكثفة.  تم تطوير هذه البراغي في الأصل من قبل الفيزيائي هنري كواندا، الذي طبق تأثيرًا ديناميكيًا هوائيًا خاصًا يحرف تدفق الغاز في اتجاه جدران الفوهة بحيث يلتصق بالسطح الداخلي.  يزيد هذا التأثير من كفاءة المحرك ويسمح للطائرة بالتحرك بسرعة كهربائية بسرعة مماثلة لسرعة المحركات التوربينية.  يمكن للطائرات التي تعمل بالطاقة الكهربائية والتي تستخدم إما مراوح توربوفان أو مراوح تأثير كواندا أن تطير في الهواء الرقيق على ارتفاعات عالية (حتى 65000 قدم) لتقليل استهلاك الطاقة (السحب السفلي) للرحلات الطويلة.  يمكن أن يساعد الهواء البارد عند هذه الارتفاعات على عمل أنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل بشكل صحيح.

قد تحدث اختراقات علمية مستقبلية في كل من تكنولوجيا النانو وفي الموصلية الفائقة.  تقنيات تخزين الطاقة المكثفة محتملة جدًا ، وقد تظهر في المستقبل القريب.  قد تظهر الطائرات التجارية التي تعمل بمحركات كهربائية تحلق بسرعات دون سرعة الصوت في المستقبل ، بغض النظر عما إذا كانت هناك أزمة ذروة في أزمة النفط أم لا.  المشاكل الرئيسية التي قد تنشأ هي أن الطيران التجاري للمستقبل (بعد أزمة النفط) ربما يحتاج إلى كمية كبيرة من الكهرباء لشحن أنظمة تخزين الطاقة فائقة التوصيل وأنظمة النيتروجين المبردة بالسائل.  وهذا يعني أن مستقبل الطائرات التي تعمل بالكهرباء يعتمد إلى حد كبير على التقدم في تطوير مصادر طاقة جديدة وأكثر كفاءة.