Het concept voor een hybride-elektrisch vliegtuig kan het probleem van luchtvervuiling door de luchtvaart verminderen

Op kruishoogte stoten vliegtuigen een gestage stroom stikstofoxiden uit in de atmosfeer, waar de chemicaliën kunnen blijven hangen om ozon en fijne deeltjes te produceren. Stikstofoxiden, of NO_X, zijn een belangrijke bron van luchtverontreiniging en zijn in verband gebracht met astma, aandoeningen van de luchtwegen en cardiovasculaire aandoeningen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de productie van deze chemicaliën als gevolg van de wereldwijde luchtvaart leidt tot 16.000 vroegtijdige sterfgevallen per jaar.

Nu hebben MIT-ingenieurs een concept bedacht voor de voortstuwing van vliegtuigen waarvan ze schatten dat het 95 procent van het NO van de luchtvaart zou elimineren_X emissies, en daarmee het aantal geassocieerde vroege sterfgevallen met 92 procent.

Het concept is geïnspireerd op emissiecontrolesystemen die worden gebruikt in voertuigen voor grondtransport. Veel zware dieseltrucks beschikken tegenwoordig over emissiecontrolesystemen voor na de verbranding om de NO te verminderen_X gegenereerd door motoren. De onderzoekers stellen nu een soortgelijk ontwerp voor de luchtvaart voor, met een elektrische twist.

De vliegtuigen van vandaag worden voortgestuwd door straalmotoren die onder elke vleugel zijn verankerd. Elke motor herbergt een gasturbine die een propeller aandrijft om het vliegtuig door de lucht te laten bewegen terwijl de uitlaatgassen van de turbine naar achteren stromen. Vanwege deze configuratie was het niet mogelijk emissiebeperkende apparaten te gebruiken, omdat deze de stuwkracht van de motoren zouden verstoren.

In het nieuwe hybride-elektrische of “turbo-elektrische” ontwerp zou de krachtbron van een vliegtuig nog steeds een conventionele gasturbine zijn, maar deze zou in het vrachtruim van het vliegtuig worden geïntegreerd. In plaats van rechtstreeks propellers of ventilatoren aan te drijven, zou de gasturbine een generator aandrijven, ook in het ruim, om elektriciteit te produceren, die vervolgens de in de vleugels gemonteerde, elektrisch aangedreven propellers of ventilatoren elektrisch zou aandrijven. De emissies die door de gasturbine worden geproduceerd, zouden worden ingevoerd in een emissiecontrolesysteem, in grote lijnen vergelijkbaar met die in dieselvoertuigen, dat de uitlaat zou reinigen voordat deze in de atmosfeer wordt uitgestoten.

“Dit zou nog steeds een enorme technische uitdaging zijn, maar er zijn geen fundamentele fysische beperkingen”, zegt Steven Barrett, hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. “Als je naar een luchtvaartsector met een netto nul wilt gaan, is dit een mogelijke manier om het luchtverontreinigingsgedeelte ervan op te lossen, dat aanzienlijk is, en op een manier die technologisch redelijk haalbaar is.”

De details van het ontwerp, inclusief analyses van de potentiële brandstofkosten en gezondheidseffecten, worden vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Energie- en milieuwetenschappen. De co-auteurs van het artikel zijn Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham en Jayant Sabnins, alle leden van MIT’s Laboratory for Aviation and the Environment.

Een semi-geëlektrificeerd plan

De zaden voor het hybride-elektrische vliegtuig van het team kwamen voort uit het werk van Barrett en zijn team bij het onderzoeken van het Volkswagen-dieselemissieschandaal. In 2015 ontdekten milieuregelgevers dat de autofabrikant opzettelijk dieselmotoren had gemanipuleerd om de emissiecontrolesystemen aan boord alleen tijdens laboratoriumtests te activeren, zodat ze bleken te voldoen aan NO_X emissienormen, maar in feite tot 40 keer meer NO uitgestoten_X in echte rijomstandigheden.

Terwijl hij de gezondheidseffecten van de emissie-cheat onderzocht, raakte Barrett ook bekend met de emissiecontrolesystemen van dieselvoertuigen in het algemeen. Rond dezelfde tijd onderzocht hij ook de mogelijkheid om grote, volledig elektrische vliegtuigen te ontwerpen.

“Het onderzoek dat de afgelopen jaren is gedaan, toont aan dat je waarschijnlijk kleinere vliegtuigen zou kunnen elektrificeren, maar voor grote vliegtuigen zal het niet snel gebeuren zonder behoorlijk grote doorbraken in batterijtechnologie”, zegt Barrett. “ Dus ik dacht: misschien kunnen we het elektrische voortstuwingsgedeelte van elektrische vliegtuigen en de gasturbines die al heel lang bestaan ​​en superbetrouwbaar en zeer efficiënt zijn, overnemen en dat combineren met de emissiebeheersingstechnologie die wordt gebruikt in de auto-industrie. en grondvermogen, om op zijn minst halfgeëlektrificeerde vliegtuigen mogelijk te maken. “

Vliegen zonder impact

Voordat er serieus werd nagedacht over vliegtuigelektrificatie, was het wellicht mogelijk geweest om een ​​dergelijk concept te implementeren, bijvoorbeeld als aanvulling op de achterkant van straalmotoren. Maar dit ontwerp, merkt Barrett op, zou “elke stroom stuwkracht doden” die een straalmotor zou produceren, en het ontwerp effectief aarden.

Barrett’s concept omzeilt deze beperking door de stuwkracht producerende propellers of ventilatoren te scheiden van de energieopwekkende gasturbine. De propellers of ventilatoren zouden in plaats daarvan rechtstreeks worden aangedreven door een elektrische generator, die op zijn beurt zou worden aangedreven door de gasturbine. De uitlaatgassen van de gasturbine zouden in een emissiecontrolesysteem worden gevoerd, dat in accordeonstijl in het vrachtruim van het vliegtuig kon worden opgevouwen – volledig geïsoleerd van de stuwkracht producerende propellers.

Hij stelt zich voor dat het grootste deel van het hybride-elektrische systeem – gasturbine, elektrische generator en emissiecontrolesysteem – in de buik van een vliegtuig zou passen, waar in veel commerciële vliegtuigen voldoende ruimte kan zijn.

In hun nieuwe paper berekenen de onderzoekers dat als een dergelijk hybride-elektrisch systeem zou worden geïmplementeerd op een Boeing 737- of Airbus A320-achtig vliegtuig, het extra gewicht ongeveer 0,6 procent meer brandstof nodig zou hebben om het vliegtuig te besturen.

“Dit zou vele, vele malen beter haalbaar zijn dan wat is voorgesteld voor volledig elektrische vliegtuigen”, zegt Barrett. “Dit ontwerp zou enkele honderden kilo’s aan een vliegtuig toevoegen, in tegenstelling tot het toevoegen van vele tonnen batterijen, wat meer dan een veelvoud aan extra gewicht zou zijn.”

De onderzoekers berekenden ook de uitstoot die zou worden geproduceerd door een groot vliegtuig, met en zonder emissiecontrolesysteem, en ontdekten dat het hybride-elektrische ontwerp 95 procent van de NO zou elimineren._X uitstoot

Als dit systeem in alle vliegtuigen over de hele wereld zou worden uitgerold, schatten ze verder dat 92 procent van de aan vervuiling gerelateerde sterfgevallen als gevolg van de luchtvaart zouden worden vermeden. Ze kwamen tot deze schatting door een mondiaal model te gebruiken om de stroom van luchtvaartemissies door de atmosfeer in kaart te brengen, en berekenden hoeveel verschillende bevolkingsgroepen over de hele wereld aan deze emissies zouden worden blootgesteld. Vervolgens hebben ze deze blootstellingen omgerekend naar sterftecijfers, of schattingen van het aantal mensen dat zou overlijden als gevolg van blootstelling aan luchtvaartemissies.

Het team werkt nu aan ontwerpen voor een “zero-impact” vliegtuig dat vliegt zonder NO uit te stralen_X en andere chemicaliën zoals klimaatveranderende kooldioxide.

“We moeten nagenoeg geen netto-impact op het klimaat en geen sterfgevallen door luchtverontreiniging bereiken”, zegt Barrett. “Dit huidige ontwerp zou het probleem van luchtverontreiniging in de luchtvaart effectief elimineren. We werken nu aan het klimaateffect daarvan.”