Vybrané články
z týdeníku The Economist

Vodík roztahuje křídla

Proč právě teď výrobci letadel začínají sázet na letadla poháněná vodíkem

Vodík roztahuje křídla
ilustrační foto | Archiv

V 50. letech ve floridských bažinách občas narušilo klid místních aligátorů hlasité zaburácení. V podmínkách nejpřísnějšího utajení tam technici z letecké firmy Pratt & Whitney testovali nový typ motoru poháněný zvláštní látkou, kterou údajně přiváděli potrubím z továrny na hnojiva v nedalekém městě Apix. Ve skutečnosti bylo ono město jenom názvem na mapě a žádná továrna na hnojiva neexistovala. O rušení klidu aligátorů se staral projekt Suntan, pod jehož hlavičkou americké letectvo vyvíjelo vodíkem poháněný letoun. Skoro se to povedlo. Motory fungovaly, ale skladování a dodávky samotného vodíku byly příliš drahé, takže se stroj nikdy nedostal do sériové výroby.

Suntan byl jen prvním z řady neúspěšných pokusů použít vodík jako pohon létajících strojů těžších než vzduch. Lákadlo je to velké. Vodík uvolňuje třikrát víc energie na kilogram než kerosin, současné standardní letecké palivo, a jeho nízká hmotnost je ve vzduchu také značnou výhodou. V 80. letech se o vodíková letadla snažil v tehdejším Sovětském svazu Tupolev. Po roce 2000 zkusil štěstí Boeing. Malý prototyp předvedli Němci. Ale nic se doopravdy neujalo. Vodík je totiž sice lehký, ale objemný, takže je problém s jeho skladováním na palubě letadla. Musí se buď stlačit, nebo zkapalnit a obojí s sebou nese komplikace. A k tomu všemu neexistuje zavedená infrastruktura na jeho výrobu a distribuci.

Nyní se však podmínky mění. Letectví je pod tlakem snížit emise oxidu uhličitého spalováním menšího množství kerosinu. Navíc se začíná zcela vážně mluvit o vybudování vodíkové výrobní a distribuční infrastruktury pro jiné účely – například pro dálkové vytápění a pozemní dopravu. To znamená, že by se vodík mohl stát dostupnou komoditou a nemusel by se vyrábět speciálně pro účely letectví. Váhy se začínají naklánět ve prospěch výhod vodíku. A několik prvních statečných proto oprášilo myšlenku vodíkem poháněných letadel.

Tentokrát to bude jiné

Projekt Suntan používal vodík vlastně stejně, jako se používá kerosin – na vytvoření tepla pohánějícího proudový motor. To je jedna možná cesta vpřed. Mnoho letadel však má vrtule a ty umožňují druhý postup, protože vrtulemi mohou otáčet elektrické motory. Pomocí palivových článků, což je technologie známá už od 19. století, tak lze z vodíku vyrábět potřebnou elektřinu.

Touto cestou se vydala společnost ZeroAvia z Cranfieldu v Británii. Letos v září představili technici ze ZeroAvie šestimístný palivovými články poháněný letoun, který dokázal odstartovat, dvakrát obletět letiště a přistát. Jednalo se o modifikovaný Piper třídy M – jednovrtulový stroj, který normálně pohání pístový motor. Technici jej nahradili elektrickým, přidali baterii palivových článků, která motor pohání, a sadu vodíkových nádrží, které pro změnu pohánějí palivové články.

Val Miftakhov, šéf ZeroAvie, doufá, že by tento prototyp mohl zvládnout čtyřsetkilometrový let, který je předběžně naplánovaný na týden od 21. prosince. Na jaře by mohl přijít ještě delší let na letiště Kirkwall na Orknejích. Firma také hodlá během následujícího roku představit a otestovat prototyp dvacetimístného vodíkem poháněného letadla. Certifikace pro komerční použití by mohla následovat v roce 2023.

Na paty ZeoAvii šlape H2Fly, což je spin-off německého leteckého výzkumného centra DLR. V roce 2016 namontovala tato firma palivové články do motorového kluzáku Pipistrel a udržela ho jen s jejich pomocí 15 minut ve vzduchu. Plánuje tento přístup rozšířit na sériovou verzi vrtulí poháněného letadla, které chce v nejbližší době otestovat. V Americe zase výrobce elektrických motorů magniX oznámil spolupráci s losangeleskou firmou Universal Hydrogen a společně hodlají přestavět čtyřicetimístný De Havilland Canada Dash 8-300 na pohon palivovými články. Hotový by stroj chtěli mít do roku 2025.

Tyto přístupy budou pravděpodobně v zásadě fungovat. Jejich konkurencí jsou elektrická, bateriemi poháněná letadla. Letos v květnu provedla ve státě Washington americká firma AeroTEC zkušební let s devítimístnou Cessnou Caravan, kterou přestavěla na bateriový pohon. Loni v prosinci zase magniX ve spolupráci s kanadskou společností Harbour Air předvedl zkušební let s hydroplánem De Havilland nad Britskou Kolumbií. Obě společnosti nyní usilovně připravují certifikaci pro komerční nasazení tohoto stroje. Několik společností, včetně izraelské Eviation, se navíc pokouší o ambicióznější přístup – vyvinout původní bateriemi poháněný letoun, nikoli jen přestavět stávající stroj.

Příznivci palivových článků však tvrdí, že články jsou pro pohon letadel mnohem lepší než baterie, protože v kombinaci s vodíkovými nádržemi dokážou pojmout mnohokrát víc energie na kilogram než baterie. „Baterie vám dají zrychlení. Ale nedají vám dolet,“ říká Robert Steinberger-Wilckens, chemický inženýr z Birminghamské univerzity. Bateriová technologie se zlepšuje, ale muselo by dojít k opravdu velkým pokrokům, aby dávalo smysl je využít k delším letům s cestujícími a nákladem.

Použití současných elektrických pohonů v existujících letadlech, ať už baterií, nebo palivových článků, je začátek. Tento druh pohonu může vést také k velkým konstrukčním změnám, jaké například Eviation zvažuje pro svůj připravovaný produkt Alice. Tento stroj má celkem tři vrtule, všechny obrácené dozadu. Kdysi byla tato konstrukce oblíbená, ale v posledních desítkách let vyšla z módy. A vodíkové palivové články by se také mohly výborně uplatnit v elektrických vertikálně startujících a přistávajících strojích – mimo jiné v dronech, o nichž se někdy hovoří jako o budoucnosti osobní přepravy –, které často pohání několik menších elektrických motorů.

Větší stroje přinášejí větší problémy. Ke startu letadla je zapotřebí mnohem víc energie než pro samotný let a baterie ani palivové články zatím nemají dost síly, aby ze země odlepily cokoli většího než malé letadlo. Mají-li na vodíkový pohon přejít větší letouny, budou se muset letečtí inženýři vrátit k projektu Suntan a přidat proudové motory, které spalují vodík jako letecký benzin.

Tento postup nyní zkouší Airbus, evropský letecký gigant, který se dělí s americkým Boeingem o duopol ve velkých osobních letadlech. V září představil Airbus ZEROe, v jehož středu stojí tři vodíkem poháněné koncepty. Pořád se sice jedná jen o menší stroje s krátkým doletem, ale oproti letounům poháněným pouze palivovými články jdou o krok dál.

Všechny tři koncepty mají propojit obě vodíkové technologie – vodík spalující proudové motory při startu a palivové články za letu. Jeden z konceptů je turbovrtulový stroj pro sto cestujících a s doletem dva tisíce kilometrů. Větší dvouproudový model by měl dopravit dvakrát tolik cestujících dvakrát tak daleko. Třetí přístup je experimentálnější: používá model „samokřídla“, v němž jsou trup a křídla součástí jedné trojúhelníkové aerodynamické konstrukce. Jeho výhodou je, že vytváří dostatek prostoru pro uskladnění vodíku.

Kdo dodá motory?

Překážku vodíkovému létání však nepředstavuje jen tvar trupu. Vývoj moderního tryskového motoru na vodík bude pravděpodobně multimiliardový podnik, v dolarech. Vodík hoří rychleji než kerosin a také při vyšší teplotě. To znamená, že dochází k většímu namáhání materiálů vystavených jeho hoření. Je tu také riziko zvýšených emisí oxidů dusíku (NOx), které by částečně znegovaly ekologické přínosy spalování vodíku. A bylo by šikovné získat zpět a využít část energie použité ke stlačení nebo zkapalnění skladovaného vodíku.

Příštích několik let se bude Airbus soustřeďovat na vývoj technologií palivových článků, vodíkem poháněných proudových motorů a designu svých budoucích letadel. Pokud proběhnou úspěšně pozemní zkoušky, chce firma poslat do roku 2025 do vzduchu létající zkušební stroje. Plnohodnotný prototyp by mohl vzniknout do konce desetiletí a první komerční letadlo s nulovými emisemi by mělo být k dispozici pro komerční použití do roku 2035. Zatím není jasné, kdo by pro takové letadlo měl dodávat motory. Například Rolls-Royce se však už otázkou vodíkem poháněných proudových motorů zabývá.

Boeing se zatím touto cestou nevydal. Roli v tom jistě hraje geografická vzdálenost. Airbus je sice dnes veřejně obchodovanou společností, ale začínal jako konsorcium firem ze tří členských zemí Evropské unie a čtvrtinu jeho akcií vlastní vlády. Evropská unie důsledně prosazuje politiku boje s klimatickou změnou a totéž platí pro Británii, která vstoupila do konsorcia později a v současnosti opouští EU. Tato politika každopádně znamená, že do relevantního výzkumu poplynou prostředky z unijního programu Clean Sky 2.

Takovou podporu, morální ani finanční, poslední čtyři roky v Americe nikdo nenabídl. Nastupující administrativa Joea Bidena je však, zdá se, v ekologických otázkách s Evropou zajedno. A tato nová orientace by se podobně jako v Evropě mohla přetavit v podporu z veřejných prostředků. Boeing by navíc dost riskoval, kdyby pole vodíkem poháněných letadel přenechal Airbusu. Kdyby se totiž tato technologie osvědčila, riskoval by Boeing ztrátu velmi důležité části svého trhu – a to si rozhodně nemůže dovolit. 

Týdeník hrot

  • Holding do nepohody
  • Ať učí, kdo umí
Objednat nyní