صنعت هوانوردی سال‌هاست که به‌عنوان یکی از منابع مهم انتشار گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شود. طبق آمار، حدود ۲.۵ درصد از کل دی‌اکسید کربن (CO₂) منتشر شده در سطح جهان از طریق پروازهای تجاری و مسافربری تولید می‌شود. با وجود تلاش‌های گسترده برای توسعه‌ی سوخت‌های جایگزین و طراحی‌های نوین هواپیماها، میزان آلاینده‌های ناشی از هوانوردی تغییر محسوسی نکرده است. این موضوع چالش بزرگی برای آینده‌ی حمل‌ونقل هوایی به‌شمار می‌رود، زیرا افزایش پروازهای جهانی به معنی افزایش انتشار کربن و در نتیجه تشدید بحران تغییرات اقلیمی خواهد بود.

ناسا به‌عنوان یکی از سازمان‌های پیشرو در زمینه‌ی تحقیقات و توسعه‌ی فناوری‌های پیشرفته‌ی هوافضا، سال‌هاست که به دنبال یافتن راهکارهایی برای کاهش آلاینده‌های صنعت هوانوردی است. در تازه‌ترین اقدام خود، این سازمان از پروژه‌ی توسعه‌ی یک موتور هیبریدی هیدروژنی حمایت کرده که می‌تواند به کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت هوانوردی کمک کند. این پروژه که تحت حمایت برنامه‌ی مفاهیم پیشرفته‌ی ناسا (NIAC – NASA’s Institute for Advanced Concepts) قرار دارد، به فیلیپ آنسل (Phillip Ansell)، استاد دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین واگذار شده است. این پژوهش در صورت موفقیت می‌تواند تحولی بزرگ در مسیر دستیابی به هوانوردی پایدار و بدون آلاینده ایجاد کند.

Hy2PASS: فناوری پیشرفته‌ی موتورهای هیبریدی هیدروژنی

نام این موتور هیبریدی جدید Hy2PASS (Hydrogen Hybrid Power for Aviation Sustainable Systems) است که از ترکیب یک سلول سوختی (Fuel Cell) و یک توربین گازی (Gas Turbine) برای تولید نیروی پیشرانش هواپیما بهره می‌برد. در حالی که استفاده از سیستم‌های هیبریدی در صنعت هوانوردی ایده‌ی جدیدی نیست، اما Hy2PASS دارای یک ویژگی منحصربه‌فرد است که آن را از سایر سیستم‌های مشابه متمایز می‌کند: شیوه‌ی مدیریت هوای آن (Air Handling System).

در یک سیستم هیبریدی معمولی، سلول سوختی با دریافت هیدروژن، انرژی الکتریکی تولید می‌کند که این انرژی برای به حرکت درآوردن کمپرسور (Compressor) استفاده می‌شود. کمپرسور سپس هوای فشرده‌ی مورد نیاز برای عملکرد توربین را تأمین می‌کند. اما در Hy2PASS، کمپرسور از نظر مکانیکی از توربین جدا شده است (Decoupled Compressor)، به این معنا که مستقیماً با توربین در ارتباط نیست، ولی همچنان اکسیژن مورد نیاز آن را تأمین می‌کند.

این روش عملکردی چندین مزیت کلیدی دارد که باعث بهبود راندمان و کاهش آلاینده‌های سیستم می‌شود. مهم‌ترین تفاوت Hy2PASS با سایر موتورهای هیبریدی این است که اکسیژن تأمین شده توسط کمپرسور، علاوه بر توربین، برای سلول سوختی نیز استفاده می‌شود. این موضوع باعث می‌شود که تأمین اکسیژن برای واکنش‌های شیمیایی سلول سوختی بهینه‌تر انجام شود و میزان تولید انرژی افزایش یابد.

مزایای کلیدی موتور هیبریدی هیدروژنی Hy2PASS

Hy2PASS از چندین جنبه، نسبت به سایر موتورهای هواپیمایی هیبریدی و حتی موتورهای توربینی رایج، مزایای قابل توجهی دارد:

افزایش بهره‌وری انرژی:
در موتورهای معمولی، کمپرسور به‌صورت مستقیم به توربین متصل است و این اتصال باعث اتلاف حرارتی قابل‌توجهی در طول انتقال انرژی مکانیکی می‌شود. اما در Hy2PASS، این کمپرسور از توربین جدا شده و در نتیجه میزان انرژی از دست رفته به حداقل می‌رسد.

بهینه‌سازی عملکرد کمپرسور:
در سیستم‌های سنتی، عملکرد کمپرسور وابسته به سرعت توربین است، اما در این مدل جدید، یک الگوریتم هوشمند می‌تواند عملکرد کمپرسور را به‌طور مستقل تنظیم کند. این قابلیت باعث می‌شود که فشار هوا در هر لحظه بسته به نیاز سیستم تنظیم شود و کارایی کلی موتور افزایش پیدا کند.

حذف آلاینده‌های کربنی:
در موتورهای جت معمولی، سوخت فسیلی مانند نفت سفید (Kerosene) یا جت A-1 سوزانده می‌شود که منجر به تولید مقادیر زیادی دی‌اکسید کربن (CO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) می‌شود. اما در این موتور هیبریدی، تنها محصول جانبی فرایند احتراق، بخار آب (H₂O) است. این یعنی هیچ‌گونه آلاینده‌ی مخربی وارد جو نمی‌شود و در نتیجه تأثیر منفی سفرهای هوایی بر تغییرات اقلیمی کاهش پیدا می‌کند.

کاهش مصرف سوخت:
به دلیل طراحی خاص این موتور، میزان مصرف هیدروژن برای تولید انرژی کمتر از موتورهای دیگر خواهد بود. این موضوع باعث می‌شود که هزینه‌های عملیاتی کاهش یابد و ذخیره‌سازی سوخت هیدروژنی در هواپیماها آسان‌تر شود.

افزایش انعطاف‌پذیری در طراحی هواپیماهای آینده:
به‌کارگیری این سیستم به طراحان هواپیما این امکان را می‌دهد که مدل‌های جدیدی از هواپیماهای هیبریدی را توسعه دهند که نیازی به موتورهای حجیم و آلاینده‌ی فعلی ندارند. این تغییر می‌تواند منجر به طراحی هواپیماهای کوچک‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر شود.

چالش‌های پیش رو و مسیر توسعه‌ی Hy2PASS

با وجود این مزایا، Hy2PASS هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار دارد و راه طولانی‌ای برای تبدیل‌شدن به یک فناوری تجاری پیش رو دارد. در حال حاضر، این پروژه در مرحله‌ی اول (Phase I) تحقیقات NIAC قرار دارد که تمرکز آن بر اثبات امکان‌پذیری مفهومی این سیستم است.

یکی از چالش‌های کلیدی این پروژه، بهینه‌سازی مسیرهای پروازی و نحوه‌ی توزیع انرژی در شرایط مختلف پرواز است. این موضوع شامل تحلیل میزان مصرف انرژی، نحوه‌ی توزیع اکسیژن بین سلول سوختی و توربین، و امکان‌سنجی استفاده از این موتور در هواپیماهای مسافربری و باربری تجاری خواهد بود.

همچنین، ذخیره‌سازی هیدروژن مایع (Liquid Hydrogen) در هواپیماها یکی دیگر از چالش‌های این فناوری است. هیدروژن در دمای بسیار پایین (-۲۵۳ درجه‌ی سانتی‌گراد) نگهداری می‌شود و سیستم‌های ذخیره‌سازی آن نیازمند فناوری‌های پیشرفته‌ی عایق‌سازی هستند.

نتیجه‌گیری: آیا این موتور می‌تواند آینده‌ی هوانوردی را تغییر دهد؟

اگرچه هنوز مسیر زیادی تا تجاری‌سازی این فناوری باقی مانده است، اما Hy2PASS می‌تواند گام بزرگی در راستای تحقق هوانوردی پایدار باشد. ترکیب بهره‌وری بالاتر، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی صفر، این موتور را به یکی از جذاب‌ترین گزینه‌ها برای آینده‌ی صنعت هوایی تبدیل کرده است.

در صورت موفقیت، ممکن است در آینده‌ی نه‌چندان دور شاهد پرواز هواپیماهایی باشیم که تنها با هیدروژن کار می‌کنند و هیچ گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌کنند. چنین پیشرفتی نه‌تنها تأثیر مثبتی بر محیط‌زیست خواهد داشت، بلکه هزینه‌های عملیاتی شرکت‌های هواپیمایی را نیز کاهش خواهد داد. اگر ناسا و تیم تحقیقاتی آنسل بتوانند این پروژه را از مرحله‌ی آزمایشگاهی به واقعیت برسانند، هوانوردی بدون آلایندگی دیگر یک رؤیا نخواهد بود!