Skalerbart hydrogensystem muliggjør utslippsfri flyging

Mobilitet er en avgjørende del av hverdagen vår, og luftfart er en nøkkelkomponent i denne evnen til å reise fra ett sted til et annet i hastighet.

Ved å gjøre det mulig for mennesker og varer å reise flere kilometer i løpet av få timer, forbinder luftfartsindustrien mennesker som ingen annen transportmåte kan. Dette gjør den til en betydelig bidragsyter til global økonomi, og står for 3.5 % av verdens bruttonasjonalprodukt (BNP). 

Bransjen støtter også totalt 86.5 millioner jobber globalt, med en estimert markedsstørrelse for den globale flyindustrien på over 760 milliarder dollar.

Spesielt er det forventet at flyselskaper over hele verden har gjennomført ca 9.5 milliarder passasjerer i 2024, noe som representerer en økning på 104 % fra 2019-nivåene og en økning på 9 % fra 2023, ifølge ACI World. Denne veksten forventes å akselerere i et større tempo, og den globale passasjertrafikken forventes å nå 19.5 milliarder innen 2042.

Luftfartsindustrien er tydelig i vekst, og fremtiden er virkelig lys. Når det er sagt, bidrar den også til klimagassutslipp (GHG). i betydelig grad.

Selv om luftfart står for en relativt liten andel av de globale utslippene på 2.5%, den vokste raskere enn jernbane, vei eller skipsfart mellom 2000 og 2019. Denne økte etterspørselen etter internasjonal reisevirksomhet etter covid-19-pandemien førte faktisk til at luftfartsutslippene nådde nesten 950 millioner tonn CO2.

Ikke bare øker utslippene fra luftfarten i raskt tempo, men de er også en av de mest utfordrende sektorene å dekarbonisere, noe som utgjør en kritisk miljøutfordring.

Som et resultat er bransjens fokus for tiden på å dekarbonisere driften og oppnå Netto Zero-målet, som innebærer reduserer CO2-utslipp til et nivå som naturen kan absorbere innen 2050.

Låser opp hydrogens løfte om utslippsfri luftfart

Ettersom luftfarten bidrar med en betydelig andel av de globale karbondioksid- og kondensstripeutslippene, blir det ekstremt viktig å utvikle avanserte og omfattende løsninger for å nå bransjens klimamål. 

En lovende løsning er hydrogen, det letteste og mest forekommende kjemiske elementet i universet, som utgjør omtrent 75 % av all normal materie.

Dette kjemiske elementet har blitt et populært og verdifullt verktøy for dekarbonisering takket være den rene forbrenningen. Det er et rentbrennende drivstoff, ettersom det bare produserer vanndamp som et biprodukt ved forbrenning.

Dessuten er den gravimetriske energitettheten, eller den tilgjengelige energien per masseenhet av et stoff, for hydrogen omtrent 2.8 ganger høyere enn for konvensjonelt flydrivstoff, parafin. Hydrogen har faktisk den høyeste gravimetriske energitettheten av alle kjente stoffer, dvs. ~120 kJ/g. I motsetning til dette har parafinbasert jetdrivstoff en energitetthet lik 43 MJ/kg.

Hydrogen har imidlertid lav tetthet ved omgivelsesforhold, dvs. 0.08 kg/m3. Dette gir store lagringsutfordringer, spesielt for langdistanseflyvninger.

Et praktisk alternativ til dette er å lagre den fargeløse, luktfrie og smakløse gassen i flytende form ved 20 K. Denne formen øker hydrogenets tetthet til 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³, noe som har dukket opp som en løsning for luftfartsapplikasjoner.

Selskaper har også utforsket ulike aspekter ved integrering av flytende hydrogen (LH2) i fly, inkludert termisk styring, trykkkontrollmekanismer, isolasjonsstrategier og design av kryogene tanker.

Imidlertid er et helhetlig system som integrerer LH2-lagring, termisk styring og overføringskontroll i en form som er skalerbar til flydesign fortsatt underutforsket.

Et team av forskere fra FAMU-FSU College of Engineering, som er en felles ingeniørhøyskole ved Florida A&M University og Florida State University, har derfor utviklet et system for lagring og levering av flytende hydrogen som kan hjelpe luftfartsindustrien med å nå sitt nullutslippsmål.  

Med støtte fra NASA skisserte studien et skalerbart, integrert system som adresserer flere tekniske utfordringer ved å muliggjøre bruk av hydrogen som et rent drivstoff. Det brukes også som et innebygd kjølemedium for kritiske kraftsystemer om bord på elektrisk drevne fly. 

Teamet viste at flytende hydrogen kan lagres effektivt, overføres trygt og brukes til å kjøle ned kritiske systemer om bord, samtidig som det dekker flyets strømbehov under avgang, marsjfart og landing.

Ifølge den korresponderende forfatteren av studien, Wei Guo, som er professor ved Institutt for maskinteknikk:

«Målet vårt var å lage ett enkelt system som håndterer flere kritiske oppgaver: drivstofflagring, kjøling og leveringskontroll. Denne designen legger grunnlaget for virkelige hydrogenflysystemer.»

Hydrogenhybridelektriske fly: Skalerbar fremdriftsløsning

Publisert i Anvendt energi¹Studien tar oppgaven med å redusere luftfartsindustriens karbon- og kondensstripeutslipp, som er viktige bidragsytere til klimaendringer, ved å foreslå en innovativ design for et system for lagring av flytende hydrogen, termisk styring og kontroll av overføringen av dette, som er tilpasset integrert nullutslippsflyvning (IZEA). 

IZEA er et samarbeid mellom akademia og industrien som har som mål å oppnå nullutslipp av klimagasser fra kommersiell luftfart. Industrielle partnere inkluderer Raytheon Technologies, Boeing og Advanced Magnet Laboratories.

Dette samarbeidet undersøker spesielt hybrid kraftproduksjon gjennom en kombinasjon av brenselceller og turboelektriske generatorer, som bruker hydrogen med enten konsentrert oksygen eller omgivelsesluft.

Målet med IZEA er å finne ut hvordan man kan bruke flytende hydrogen som drivstoff, samt øke effektiviteten og kraften uten å øke vekten.

De valgt FAMU-FSU College of Engineering for å bidra til å utvikle det bærekraftige luftfartssystemet sent i 2022, som en del av et femårig prosjekt på 10 millioner dollar.

For å oppfylle den nasjonale agendaen for energisystemer og fremdrift av kommersielle fly for å redusere luftfartsindustriens skadelige utslipp, vil FAMU-FSU-teamet samarbeide med forskere fra University of Kentucky, University at Buffalo, Georgia Tech og industripartnere, slik IZEA annonserte for to og et halvt år siden.

Nå har samarbeidet adressert mangelen på et helhetlig system ved å bygge et skalerbart og omfattende hydrogenbasert fremdriftssystem for fremtidens fly. 

Prosjektet starter med regionale flyvninger over korte avstander for å vurdere den kortsiktige gjennomførbarheten av luftfart drevet av flytende hydrogen. Fokuset her er på et prototypefly med en blandet vingekonfigurasjon, som kan frakte 100 passasjerer.

Det hybridelektriske flyet henter strøm fra både hydrogenbrenselceller og høytemperatur superledende (HTS) elektriske generatorer, som drives av forbrenningsturbiner drevet av hydrogen. 

Brenselceller tilbyr en løsning for å unngå NOx-utslipp og kondensstriper, og det er derfor organisasjoner som Airbus og CHEETA også ser på fly drevet av brenselceller. Problemet med dagens brenselcellestabler er imidlertid at de er ekstremt store, noe som gjør det vanskelig å drive et stort fly gjennom de ulike fasene, spesielt under avgang.  Som en løsning på dette problemet introduserte teamet den doble strømkilden. 

Brenselceller brukes under lavbelastningsforhold, som taksing og marsjfart, med en maksimal effekt på omtrent 6.8 MW. Samtidig leverer hydrogenturbindrevne superledende generatorer den ekstra effekten (9.4 MW) som trengs under start. Denne kombinasjonen bringer den totale effekten til en topp på 16.2 MW og forbedrer robustheten ved å gi redundans i strømforbruket.

For å håndtere utfordringen med tetthet, der hydrogen er mindre tett og dermed tar opp mye plass med mindre det lagres ved -253 °C som en superkald væske, designet forskerne kryogene tanker og tilhørende delsystemer ved hjelp av en ny gravimetrisk indeks.

Indeksen er forholdet mellom drivstoffmassen og hele drivstoffsystemet, men teamets indeks inkluderer massen av hydrogendrivstoffet, tankstrukturen, varmevekslerne, isolasjonen, arbeidsvæskene og sirkulasjonsanordningene.

For å finne konfigurasjonen som gir maksimal brenselmasse i forhold til total systemmasse, fortsatte forskerne å justere nøkkelparametrene som ventilasjonstrykk og varmevekslerdimensjoner inntil de kom frem til den optimale.

Det ideelle oppsettet oppnådde en gravimetrisk indeks på 0.62. Dette betyr at 62 % av systemets totale vekt er brukbart hydrogendrivstoff, noe som representerer en betydelig forbedring i forhold til konvensjonelle design.

For termisk styring, systemets andre nøkkelfunksjon, installerte ikke forskerne et separat kjølesystem, men dirigerte heller det ekstremt kalde hydrogenet via varmevekslere. Disse vekslerne, arrangert i en trinnvis rekkefølge, fjerner den bortkastede varmen fra komponenter som kabler, motorer, superledende generatorer og kraftelektronikk. Absorpsjon av denne varmen øker gradvis temperaturen på hydrogenet.

Optimalisering av hydrogentilførsel og termisk styring under flyvning

Når det gjelder å levere flytende hydrogen gjennom flyet, byr det på sine egne utfordringer. For eksempel gir pumper ikke bare ekstra vekt, men også kompleksitet til systemet, og de kan avgi uønsket varme under kryogene forhold. 

For å overvinne disse utfordringene utviklet teamet et pumpefritt system som bruker tanktrykk til å kontrollere strømmen av hydrogendrivstoff. 

Trykket økes ved å injisere hydrogengass fra en vanlig høytrykksflaske og reduseres ved å lufte ut hydrogendamp. For justering av trykket i sanntid kobler en tilbakekoblingssløyfe trykksensorer til flyets effektbehov, noe som sikrer nøyaktig hydrogenstrømningshastighet i alle flyfaser. 

Systemet er, ifølge simuleringene, i stand til å levere hydrogen med hastigheter på opptil 0.25 kilogram per sekund. Denne leveringshastigheten er tilstrekkelig til å dekke det elektriske behovet på 16.2 megawatt under avgang eller i tilfelle en nødsituasjon, der flyet må bevege seg rundt.

Med varmevekslinger organisert i sekvensiell rekkefølge, kjøler gassen først ned komponenter som opererer ved kryogene temperaturer, som kabler og HTS-generatorer, etter hvert som hydrogenet beveger seg gjennom systemet. Deretter absorberer den varme fra komponenter med høyere temperatur, som motorer og kraftelektronikk. Til slutt, før hydrogenet når brenselcellene, forvarmes det for å matche de optimale forholdene for brenselcelleinnløpet.

Det er denne trinnvise termiske integrasjonen som gjør det mulig å bruke flytende hydrogen som både drivstoff og kjølevæske, og dermed maksimere systemets effektivitet samtidig som maskinvarens kompleksitet minimeres.

«Tidligere var folk usikre på hvordan man effektivt kunne flytte flytende hydrogen i et fly, og om man også kunne bruke det til å kjøle ned strømforsyningskomponenten. Vi viste ikke bare at det er gjennomførbart, men vi demonstrerte også at man måtte gjøre en optimalisering på systemnivå for denne typen design.»

- Guo

Fokuset i studien her var på designoptimalisering og systemsimulering. I neste trinn vil forskerne utføre eksperimentell validering. For dette vil teamet bygge et prototypesystem og deretter kjøre tester ved FSUs senter for avanserte kraftsystemer.

I sitt fremtidige arbeid vil forskerne også fokusere på varmevekslernes design, som er tilstede i hver sirkulasjonssløyfe, og overfører varme fra komponentene til arbeidsfluidet. Den nåværende studien mangler detaljerte spesifikasjoner for materiale, størrelse og termiske egenskaper til disse komponentene.

Innovative termiske styringsstrategier vil også være i fokus for å kjøle ned brenselcellestablene og håndtere den betydelige varmegenereringen under drift. Studien bemerket at disse fremskrittene er avgjørende for å forbedre den overordnede termiske styringsarkitekturen og sikre praktisk implementering av nullutslippsteknologier for luftfart.

Investering i hydrogendrevne luftfartsteknologier

Når det gjelder investeringer i luftfartssektoren, RTX utvidelse (RTX -0.4%)tilbyr en mulighet med stort potensial. Verdens største luftfarts- og forsvarsselskap er en sentral industripartner i IZEA-samarbeidet. Det har også omfattende FoU-programmer rettet mot bærekraftig luftfartsteknologi, inkludert brenselceller og hydrogendrevne systemer.

RTX Corp. (RTX -0.4%) 

RTX opererer gjennom tre hovedsegmenter:

• Collins Aerospace leverer teknologisk avanserte luftfarts- og forsvarsprodukter til kommersielle flyselskaper, sivile og militære flyprodusenter og romfartsoperasjoner.
• Pratt & Whitney-segmentet leverer flymotorer til militære, generelle og kommersielle kunder.
• Raytheon utvikler missiler, smarte våpen og avanserte luft- og missilforsvarskapasiteter.

Gjennom divisjonene Collins Aerospace og Pratt & Whitney er RTX aktivt involvert i utvikling og testing av hydrogendrevne fly og relaterte teknologier.

Dette inkluderer HySIITE-programmet, som jobber med å gjøre det mulig for luftfartsindustrien å bruke hydrogen i stor skala. Prosjektet, som er sponset av DOEs Advanced Research Projects Agency-Energy, er optimalisert for flytende hydrogen og avsluttes i desember 2024. HySIITE-riggtestene viste en reduksjon på 99.3 % i NOx sammenlignet med en GTF-motor og en forbedring på opptil 35 % i energieffektivitet.

De to andre prosjektene deres pågår for å drive fremtiden til hydrogen i luftfarten. Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), støttet av Canadas felles initiativ mellom industri og myndigheter, INSAT, jobber med å fremme bruken av hydrogen til turbopropfly. COCOLIH2T støttes i mellomtiden av EUs fellesforetak for ren hydrogen og utvikler en måte å lagre drivstoff på.

Når det gjelder Raytheons markedsutvikling, har aksjene deres steget kraftig. Selskapets aksjer, med en markedsverdi på 183.64 milliarder dollar per dags dato, har blitt handlet over 137.50 dollar, en ny rekordhøyde (ATH) og representerer en gevinst på 18.7 % hittil i år.

RTX-aksjer har hatt en konstant vekst de siste tre tiårene. Aksjene er også opp omtrent 21 % siden april-bunnene. Med det er EPS (TTM) 3.41 og P/E (TTM) 40.31. Raytheon tilbyr også en attraktiv utbytteavkastning på 1.98 %.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapportert Sterk ytelse i første kvartal 2025 med en økning i salget på 5 % fra året før til 20.3 milliarder dollar og et justert resultat per aksje på 1.47 dollar. Raytheons kontantstrøm fra driften i denne perioden var 1.3 milliarder dollar, og fri kontantstrøm var 0.8 milliarder dollar, mens ordrebeholdningen er på 217 milliarder dollar, inkludert 92 milliarder dollar innen forsvar og 125 milliarder dollar innen kommersiell drift.

«Vi har fått en sterk start på 2025. Det nåværende miljøet er tydeligvis svært dynamisk, men selskapet vårt er godt posisjonert til å prestere operativt, og teamene våre er fortsatt fokusert på å oppfylle våre forpliktelser og levere vår robuste ordrebeholdning.»

– RTX president og administrerende direktør Chris Calio

For hele 2025 anslår selskapet et justert salg på mellom 83 og 84.0 milliarder dollar, et justert resultat per aksje på mellom 6.00 og 6.15 dollar, og en fri kontantstrøm på 7–7.5 milliarder dollar, samtidig som det bemerkes at disse estimatene ikke dekker virkningen av de nylig vedtatte tollsatsene.

Midt i alt dette ble selskapet tildelt en kontrakt på 536 millioner dollar fra den amerikanske marinen denne uken for SPY-6-radarfamilien, som nå er installert på to av skipene deres, og tre til er klare for installasjon. I løpet av det neste tiåret vil radarer bli distribuert på mer enn 60 skip fra den amerikanske marinen.

Som en del av kontrakten vil Raytheon tilby fortsatt støtte gjennom opplæring, installasjon, integrasjon og testing, i tillegg til programvareoppgraderinger for å forbedre radarkapasiteten.

«SPY-6 er den mest avanserte radaren i den amerikanske marineflåten, og gir skip et nytt forsvarsnivå mot stadig utviklende trusler.»

– Barbara Borgonovi, president i Naval Power hos Raytheon.

Den 13. AN/TPY-2 missilforsvarsradaren er også levert til det amerikanske missilforsvarsbyrået, og er dermed den første enheten med en fullstendig GaN-basert radar, noe som forbedrer systemets følsomhet og ytelse betydelig.

Selskapet har også sikret seg en kontrakt på 1.1 milliarder dollar for produksjon og levering av AIM-9X Sidewinder-missiler. Med denne tildelingen fortsetter Raytheon sin langsiktige støtte til Sidewinder-programmet, et mye brukt kortdistansemissilsystem globalt.

Klikk her for en liste over beste luftfarts- og forsvarsaksjer.

Siste aksjenyheter og utvikling for RTX Corp. (RTX)

Avsluttende tanker: Hydrogens rolle i bærekraftig luftfart

Luftfartssektoren vokser raskt og bidrar til global økonomisk og sosial utvikling, men samtidig skaper den et presserende behov for å håndtere problemet med karbon- og kondensstripeutslipp. Her har hydrogen, med sin høye spesifikke kjemiske energi, dukket opp som et lovende rent drivstoffalternativ.

Med dette i tankene presenterer den nyeste studien et omfattende rammeverk for design og optimalisering av et system for lagring, termisk styring og overføringskontroll av flytende hydrogen, og demonstrerer potensialet til å fremme effektive og bærekraftige luftfartsteknologier.

Ved å utnytte hydrogens positive innvirkning på klimaendringer og luftkvalitet, har luftfartsindustrien nå en levedyktig vei til å redusere sitt karbonavtrykk, og baner vei for en fremtid der langdistansereiser ikke lenger går på bekostning av planeten.

Klikk her for de nyeste innovasjonene innen luftfart som baner vei for neste generasjons flyging.

Referert til studier:

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., og Zheng, J.-P. (2025). Lagring av flytende hydrogen, termisk styring og overføringskontrollsystem for integrert nullutslippsflyging (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}