Thay đổi cấu trúc thiết kế truyền thống
Những chuyến bay đường dài hoàn toàn bằng năng lượng điện là hy vọng tương lai của ngành hàng không. Nguyên nhân chủ yếu là do tỷ lệ năng lượng trên trọng lượng của pin Li-ion thương mại thấp, ở mức ~ 270 Wh/ kg, nhưng pin nguồn điện yêu cầu phải đạt được là 800 Wh/kg đối với các chuyến bay đường dài.
Đến thời điểm này, ngành hàng không đã đạt được chuyến bay hoàn toàn bằng điện trên khoảng cách ngắn. Một điều thú vị là, chi phí điện cho máy bay điện MagniX Cesna Caravan là khoảng 6 USD cho chuyến bay địa phương dài 160 km so với chi phí là 400 USD nếu sử dụng nhiên liệu lỏng. Điện khí hóa máy bay không chỉ là một lựa chọn “xanh hơn” cho các hãng hàng không mà còn có hiệu quả chuyến bay, cho lợi nhuận cao hơn.
Một giải pháp mang tính quá trình, cho đến khi máy bay hoàn toàn chạy bằng điện có thể là mô hình lai ghép hybrid, nhiên liệu năng lượng cao (dầu hóa thạch, nhiêu liệu sinh học có thể được sử dụng để cất cánh, pin điện được sử dụng trong quá trình bay hành trình.
Nhiên liệu hydro hoặc năng lượng cao có nguồn gốc tái tạo như metanol, dimetyl ete, oxymetylen dimetyl ete có thể được thay thế dầu cho máy bay. Nhưng hiện nay, hydro chưa khả thi vì cần thiết bị chứa nặng, đồng thời các hóa chất năng lượng cao cần nhiều thiết bị phụ trợ hơn để chiết xuất hydro cho sử dụng.
Một thách thức lớn trong những thiết kế “ống và cánh” truyền thống trong điện khí hóa là không có thể tích lưu trữ cho những loại động cơ đẩy khác. Ví dụ, pin để cung cấp năng lượng tương đương nhiên liệu dầu cho máy bay lớn nhất thế giới, Airbus A380, có khối lượng nặng gấp 30 lần khối lượng nhiên liệu lỏng và gấp nhiều lần thể tích do tỷ lệ năng lượng trên khối lượng và thể tích thấp. Do đó, thiết kế hybrid là một cấu trúc hấp dẫn trong tương lai chứ không phải hiện tại.
Các đề xuất máy bay sáng tạo như X-48 của Boeing và NASA, sử dụng thiết kế khung thân dạng cánh bay pha trộn tương tự như máy bay ném bom B-2 của không quân Mỹ có thể là giải pháp thay thế cho thiết kế "ống và cánh" thông thường.
Thiết kế kiểu cánh bay pha trộn giảm 15% trọng lượng khi cất cánh và tiết kiệm nhiên liệu 27% so với những thiết kế thông thường. Do khung máy bay X-48 có sức nâng đồng đều hơn, do đó tránh được sự cần thiết những vật liệu gia cường bổ sung, nặng nề để gắn các cánh gắn vào thân máy bay. Cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ 5% trở lên có thể đạt được bằng cách loại bỏ cánh và đuôi ổn định, cấu trúc nhẹ và đồng đều hơn, có thể được chế tạo từ vật liệu composite nhẹ, cho phép tăng tải trọng hữu ích bên trong.
Mô hình máy bay động cơ lai ghép điện - nhiên liệu tương lai của NASA
Sự gia tăng tải trọng hữu ích cho phép sử dụng làm bình chứa hydro, giá đỡ pin, tổ hợp kết cấu pin, thiết lập hệ thống động cơ lai hybrid nhiên liệu điện và có thể mang tới 450 hành khách trong khoang rộng hơn. Nhược điểm của các thiết kế cánh bay pha trộn là cần máy tính điều khiển để duy trì một cấp độ ổn định trong khi bay, trong khi những thiết kế thông thường với vây đuôi có tính năng tự ổn định hoặc tự điều chỉnh độ ổn định. Boeing và NASA đang lên kế hoạch giới thiệu một nguyên mẫu cánh thân pha trộn (cánh bay) tương tự như một máy bay chở khách truyền thống.
Nhưng người đi tiên phong trong công nghiệp nhiên liệu tái tạo
Những chương trình cấu trúc khung máy bay và phát triển động cơ mới này mới bắt đầu, ngành hàng không phải tìm giải pháp sử dụng nhiên liệu tái tạo để đạt được các mục tiêu khí hậu bền vững. Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế (IATA) đặt mục tiêu sử dụng 2% hoặc 7,3 tỷ lít nhiên liệu bền vững vào năm 2025.
Đi tiên phong là các công ty mới thành lập Climeworks và Synhelion, công ty con của ETH Zurich.
Climeworks và Synhelion sử dụng công nghệ thu giữ CO2 từ môi trường và nước tạo ra khí tổng hợp, qua một quá trình nhiệt hóa bằng năng lượng mặt trời phân tách nguồn nguyên liệu thô. Sản phẩm thu được được sử dụng để sản xuất nhiên liệu “xanh”.
Nhiều công ty khác trong lĩnh vực năng lượng tái tạo có thể cung cấp nhiên liệu phản lực carbon thấp. Nguyên liệu đầu vào có thể là dầu thực vật thải loại bỏ các este và axit béo thông qua phương pháp xử lý bằng nước (hơn 10 công ty trong đó có Total và Neste), khí thải công nghiệp chuyển hóa thành cồn đến sản xuất nhiên liệu máy bay phản lực (công ty Lanzatech), nguyên liệu phế thải / sinh khối nông nghiệp và lâm nghiệp, chất thải rắn đô thị, quần áo vải bông thải loại, thông qua quá trình khí hóa và tổng hợp Fischer-Tropsch để tạo thành nhiên liệu (hơn 7 công ty bao gồm Enerkem và Japan Airlines), thu giữ CO2 môi trường, thông qua quá trình tổng hợp quang nhiệt và Fischer -Tropsch để sản xuất nhiên liệu (công ty Synhelion và Climeworks), thu giữ CO2 từ môi trường, thông qua quá trình Power-to-Liquids để sản xuất nhiên liệu (5 công ty, trong đó có Sunfire và Copenhagen Airport).
Một số quốc gia châu Âu cũng đang kêu gọi một quy định về nhiên liệu hàng không bền vững, yêu cầu một tỷ lệ nhiên liệu máy bay sử dụng nhất định phải có nguồn gốc tái tạo. Với tỷ lệ net-zero vào năm 2050 ở nhiều quốc gia, ngành công nghiệp nhiên liệu tái tạo phi hóa thạch sẽ là một yếu tố cần thiết trong những thập kỷ tới trong khi những công nghệ tiên tiến phi carbon khác có thể đưa vào thực tế.
