Когда речь заходит о декарбонизации нашей цивилизации (сокращении количества CO2 из ранее поглощенного углерода, который выбрасывается в атмосферу нашей промышленностью), есть кое–что новенькое – у нас уже есть технологии, позволяющие выполнить большую часть того, что нам нужно сделать. В настоящее время 63,3% мировой выработки электроэнергии производится за счет ископаемого топлива. У нас есть технологии, такие как ветровая, солнечная, геотермальная, гидроэлектростанция и атомная энергетика, которые при желании могут полностью заменить это топливо. Мы можем обсуждать самый быстрый и экономичный способ, но есть много вариантов, которые сработают.
Однако около 84,3% всей энергии, потребляемой в мире, приходится на ископаемое топливо. Это включает в себя не только электроэнергию, но и транспорт, отопление и промышленное использование (помимо использования электроэнергии). В транспортном секторе 92% приходится на наземный транспорт (легковые и грузовые автомобили и морские перевозки). Технология электромобилей с аккумуляторной батареей в настоящее время более чем способна стать основным выбором для большинства пользователей, а запас хода составляет более 300 миль для легковых автомобилей и 500 миль для транспортных средств. Цены по-прежнему должны снижаться, но они будут расти по мере увеличения производства.
С другой стороны, 73,2% нашего углеродного следа приходится на энергетику, 18,4% – на сельское хозяйство, 3,2% – на отходы и 5,2% – на прямые промышленные процессы (например, производство цемента и стали). Источники углерода в сельском хозяйстве, отходах и промышленности сложны, и в основном они требуют технологических достижений, которые, как мы надеемся, будут внедрены в течение следующих нескольких десятилетий. Но мы можем быстро избавиться от этих 73,2% выбросов в энергетике, если захотим, за исключением 8% выбросов углерода, образующихся при транспортировке в авиации. Это по-прежнему крепкий орешек.
Проблема авиации заключается в том, что реактивные самолеты должны быть легкими и иметь ограничения по размерам, поэтому им требуется источник энергии с высокой плотностью энергии (энергия на объем) и удельной энергией (энергия на массу), в большей степени, чем наземному транспорту. В настоящее время оптимальным топливом для этих двух целей являются углеводороды. Это означает, что лучшим вариантом для более экологичной авиации является использование биотоплива (экологически чистого авиационного топлива). Биотопливо может использоваться на существующих самолетах и обладает такой же плотностью энергии, как и существующие виды топлива. Углеродный след, как правило, не равен нулю, но намного ниже, чем у ископаемого топлива. Углеродный след биотоплива зависит от используемого сырья и методов выращивания. При массовом производстве биотоплива для авиации или других целей также возникают проблемы с использованием земельных и водных ресурсов. Наилучшие варианты – это те, в которых используются отходы производства.
Из-за проблемы образования накипи биотопливо не является идеальным вариантом. Какие еще есть варианты для авиации? Ведутся исследования в области электрических самолетов на батарейках, но современные технологии производства аккумуляторов страдают от низкой плотности энергии и удельного энергопотребления, особенно если вы используете всю вспомогательную электронику. Электрические самолеты на батарейках в ближайшее время просто не появятся на рынке. Но шведская компания разрабатывает Heart Aerospace ES-30, который представляет собой четырехвинтовой пассажирский самолет, способный перевозить 30 пассажиров и имеющий дальность полета 200 км (124 мили). В гибридной версии дальность полета увеличивается до 400 или даже 800 км. Это может быть полезно для полетов на короткие расстояния. Это лишь незначительно сократит выбросы углекислого газа в атмосферу в авиации, но все же может занять нишу. По мере совершенствования аккумуляторных технологий дальность полета также будет увеличиваться, но даже оптимистичные прогнозы означают, что дальность полета таких самолетов останется в пределах ближнемагистральной зоны.
Таким образом, у нас остается единственный реальный вариант – использовать водород. Водород может использоваться в качестве топлива для реактивных двигателей, что позволяет нам использовать его на очень коротких расстояниях. Однако водород также имеет свои проблемы. Основная проблема заключается в плотности энергии, которая составляет около 25% от плотности реактивного топлива на основе углеводородов. Для этого используется жидкий (и, следовательно, охлажденный) водород. Сжатый газообразный водород расходуется еще меньше. Водород, будучи самым легким элементом, обладает высокой удельной энергией, примерно в три раза превышающей энергию реактивного топлива. Именно поэтому он, пожалуй, является лучшим ракетным топливом, где удельная энергия намного важнее плотности энергии. Однако для реактивного топлива плотность энергии (энергии на единицу объема) имеет решающее значение. Топливные баки могут быть очень большими, и увеличить их в четыре раза было бы, мягко говоря, непросто. (Кстати, я вижу много сообщений, в которых плотность энергии путается с удельной энергией, так что будьте начеку.)
Это означает, что коммерческие самолеты, скорее всего, придется перепроектировать, чтобы разместить в них топливные баки большего размера и емкости для жидкого водорода. Затем этот жидкий водород необходимо будет подавать в реактивные двигатели, которые сами по себе нуждаются в доработке, чтобы оптимально использовать водород в качестве топлива. Кроме того, переход на водородные реактивные двигатели полезен только в том случае, если у нас есть достаточный запас экологически чистого водорода. В настоящее время мы этого не делаем. Большую часть водорода получают из ископаемого топлива (и это хуже, чем просто сжигание ископаемого топлива), а часть – из так называемого голубого водорода, который, возможно, немного лучше, потому что он улавливает углерод, но, по мнению некоторых, все еще очень вреден.
Все это означает, что пассажирские самолеты, работающие на водороде, скорее всего, появятся через десятилетия. Нам все еще следует развивать технологию, но в ближайшее время это не будет углеродным решением. Как в конечном итоге будет выглядеть оптимальная авиационная отрасль с низким уровнем выбросов углерода? Трудно сказать, потому что идеальной или оптимальной технологии не существует. Возможно, это означает, что у нас будет гибридная отрасль. Возможно, мы будем использовать электрические самолеты на батарейках для перелетов на короткие расстояния, начиная с дальности около 200 км, но постепенно совершенствуясь по мере развития аккумуляторных технологий. Возможно, органические солнечные батареи будут использоваться в этих самолетах для увеличения дальности полета. Для полетов на средние расстояния, возможно, со временем появятся реактивные самолеты на водородных двигателях, поддерживаемые экологически чистой водородной промышленностью. Для дальнемагистральных рейсов единственным вариантом в обозримом будущем является экологически чистое авиационное топливо (биотопливо).
Есть ли какие-либо прорывные авиационные технологии на горизонте? Вероятно, нет. В 1950-х годах исследования реактивных самолетов с ядерными двигателями были практически прекращены. Ядерные батареи, в которых используются изотопы с коротким периодом полураспада, могут расширить ассортимент электрических самолетов, но нам потребуется разработать более надежную защиту, так что это маловероятно в ближайшее время. Очевидно, что термоядерный синтез – это отдаленная надежда для небольших летательных аппаратов, таких как реактивные самолеты. Ведутся исследования по использованию наземных лазеров для подзарядки электрических самолетов в полете, и уже проведено подтверждение концепции. Еще предстоит выяснить, можно ли безопасно создать инфраструктуру для коммерческих полетов, поскольку испытания проводились только на беспилотниках. Это единственные варианты, которые я видел. Если кто-либо из читателей знает о других потенциально прорывных авиационных технологиях, сообщите нам об этом в комментариях.
На данный момент, по сути, нет четкого решения. На разработку гибридных авиационных решений, которые я описал выше, уйдут десятилетия. Биотопливо из отходов, вероятно, является лучшим вариантом на данный момент.
