Масштабована воднева система забезпечує політ без викидів

Мобільність є важливою частиною нашого повсякденного життя, а авіація — ключовим компонентом цієї здатності швидко переміщатися з одного місця в інше.

Дозволяючи людям і товарам долати кілометри протягом кількох годин, авіаційна галузь об'єднує людей так, як не може жоден інший вид транспорту. Це робить її значним внеском у світову економіку, складаючи 3.5% світового валового внутрішнього продукту (ВВП). 

Ця галузь також підтримує загалом 86.5 мільйона робочих місць у всьому світі, а оціночний розмір ринку світової авіаційної галузі перевищує 760 мільярдів доларів.

Примітно, що, за прогнозами, авіакомпанії по всьому світу перевезли приблизно 9.5 мільярда пасажирів у 2024 році, що на 104% більше, ніж у 2019 році, та на 9% більше з 2023 року, згідно з даними ACI World. Очікується, що це зростання прискориться ще більшими темпами, і, за прогнозами, до 19.5 року світовий пасажиропотік досягне 2042 мільярда.

Авіаційна галузь явно розширюється, і її майбутнє справді світле. З огляду на це, вона також робить свій внесок у викиди парникових газів (ПГ). значною мірою.

Хоча авіація становить відносно невелику частку світових викидів на 2.5%, у період з 2000 по 2019 рік він зростав швидше, ніж залізничний, автомобільний чи морський транспорт. Це збільшення попиту на міжнародні подорожі після пандемії Covid-19 фактично призвело до того, що викиди від авіації досягли майже 950 млн тонн CO2.

Викиди від авіації не лише стрімко зростають, але й є одним із найскладніших секторів для декарбонізації, що створює критичну екологічну проблему.

В результаті, галузь зараз зосереджена на декарбонізації своєї діяльності та досягненні мети «Нульових викидів», що передбачає зменшення викидів CO2 до рівня, який природа зможе поглинути до 2050 року.

Розкриття потенціалу водню для авіації без викидів

Оскільки авіація здійснює значну частину світових викидів вуглекислого газу та інверсійних слідів, надзвичайно важливо розробляти передові та комплексні рішення для досягнення кліматичних цілей галузі. 

Одним із перспективних рішень є водень, найлегший і найпоширеніший хімічний елемент у Всесвіті, що становить близько 75% усієї нормальної матерії.

Цей хімічний елемент став популярним та цінним інструментом декарбонізації завдяки своєму чистому згорянню. Це паливо з чистим згорянням, оскільки під час згоряння утворюється лише водяна пара як побічний продукт.

Більше того, гравіметрична щільність енергії, або доступна енергія на одиницю маси речовини, водню приблизно в 2.8 раза вища, ніж у звичайного авіаційного палива, гасу. Водень насправді має найвищу гравіметричну щільність енергії серед усіх відомих речовин, тобто ~120 кДж/г. Натомість, реактивне паливо на основі гасу має щільність енергії, що дорівнює 43 МДж/кг.

Однак водень має низьку густину за навколишніх умов, тобто 0.08 кг/м3. Це створює значні проблеми зі зберіганням, особливо для далекомагістральних рейсів.

Практичною альтернативою цьому є зберігання безбарвного, без запаху та смаку газу в рідкому стані при температурі 20 K. Ця форма збільшує густину водню до 𝜌𝐿𝐻² = 2 кг/м³, що стало рішенням для авіаційного застосування.

Компанії також досліджували різні аспекти інтеграції рідкого водню (LH2) у літаки, включаючи управління температурою, механізми контролю тиску, стратегії ізоляції та проектування кріогенних резервуарів.

Однак, цілісна система, яка інтегрує зберігання LH2, управління температурою та керування передачею у формі, масштабованій відповідно до конструкції літака, все ще недостатньо досліджена.

Отже, команда дослідників з Інженерного коледжу FAMU-FSU, який є спільним інженерним коледжем Університету Флориди A&M та Університету штату Флорида, розробила систему зберігання та доставки рідкого водню, яка може допомогти авіаційній промисловості досягти мети нульових викидів.  

За підтримки NASA, дослідження окреслило масштабовану, інтегровану систему, яка вирішує численні інженерні проблеми, дозволяючи використовувати водень як чисте паливо. Він також використовується як вбудоване охолоджувальне середовище для критично важливих систем живлення на борту електричних літаків. 

Команда дослідників показала, що рідкий водень можна ефективно зберігати, безпечно транспортувати та використовувати для охолодження критично важливих бортових систем, одночасно забезпечуючи енергоспоживання літака під час зльоту, крейсерського польоту та посадки.

За словами автора дослідження, Вей Го, професора кафедри машинобудування, який відповідає за дослідження:

«Нашою метою було створити єдину систему, яка б обробляла кілька критично важливих завдань: зберігання палива, охолодження та керування його подачею. Ця конструкція закладає основу для реальних водневих авіаційних систем».

Гібридно-електричний літальний апарат на водневому паливі: масштабоване рішення для силової установки

Published in Прикладна енергія¹, дослідження бере на себе завдання скорочення викидів вуглецю та інверсійних слідів в авіаційній галузі, які є ключовими факторами зміни клімату, шляхом пропозиції інноваційного проекту системи зберігання рідкого водню, управління температурою та контролю його передачі, який адаптований для Інтегрованої авіації з нульовими викидами (IZEA). 

IZEA – це академічна та промислова співпраця, спрямована на досягнення нульових викидів парникових газів від комерційної авіації. Серед промислових партнерів – Raytheon Technologies, Boeing та Advanced Magnet Laboratories.

Зокрема, ця співпраця досліджує гібридне виробництво енергії за допомогою комбінації паливних елементів та турбоелектричних генераторів, використовуючи водень із концентрованим киснем або навколишнім повітрям.

Мета IZEA — з'ясувати, як використовувати рідкий водень як паливо, а також підвищити ефективність та потужність без збільшення ваги.

Вони обраний Інженерний коледж FAMU-FSU допоможе розробити систему сталого розвитку авіації наприкінці 2022 року в рамках п'ятирічного проєкту вартістю 10 мільйонів доларів.

Щоб виконати національний порядок денний щодо енергетичних систем та двигунів комерційних літаків, спрямованих на скорочення шкідливих викидів авіаційної галузі, команда FAMU-FSU співпрацюватиме з дослідниками з Університету Кентуккі, Університету Буффало, Технологічного інституту Джорджії та галузевих партнерів, як було оголошено IZEA два з половиною роки тому.

Тепер ця співпраця вирішила проблему відсутності цілісної системи шляхом створення масштабованої та комплексної водневої рушійної системи для майбутніх літаків. 

Проєкт починається з регіональних рейсів на короткі відстані, щоб оцінити найближчу доцільність авіації на рідкому водні. Основна увага тут приділяється прототипу літака зі змішаною конфігурацією крила, який може перевозити 100 пасажирів.

Гібридно-електричний літак отримує енергію як від водневих паливних елементів, так і від високотемпературних надпровідних (HTS) електричних генераторів, які приводяться в дію турбінами внутрішнього згоряння, що працюють на водні. 

Паливні елементи пропонують рішення для уникнення викидів NOx та інверсійних слідів, тому такі організації, як Airbus та CHEETA, також розглядають літаки, що працюють на паливних елементах. Однак проблема з сучасними пакетами паливних елементів полягає в тому, що вони надзвичайно громіздкі, що ускладнює живлення великого літака на різних етапах його польоту, особливо під час зльоту.  Як рішення цієї проблеми команда запровадила подвійне джерело живлення. 

Паливні елементи використовуються в умовах низького навантаження, таких як руління та крейсерський політ, з максимальною потужністю приблизно 6.8 МВт. Тим часом, надпровідні генератори з водневими турбінами забезпечують додаткову потужність (9.4 МВт), необхідну під час зльоту. Ця комбінація доводить загальну потужність до піку 16.2 МВт та підвищує стійкість, забезпечуючи резервування потужності.

Щоб вирішити проблему щільності, оскільки водень має меншу щільність і, отже, займає багато місця, якщо його не зберігати при температурі -253°C як надхолодну рідину, дослідники розробили кріогенні резервуари та пов'язані з ними підсистеми, використовуючи новий гравіметричний індекс.

Індекс – це відношення маси палива до повної паливної системи, але індекс команди включає масу водневого палива, конструкції бака, теплообмінників, ізоляції, робочих рідин та циркуляційних пристроїв.

Щоб знайти конфігурацію, яка забезпечує максимальну масу палива відносно загальної маси системи, дослідники продовжували коригувати ключові параметри, такі як тиск у вентиляційному отворі та розміри теплообмінника, доки не визначили оптимальний варіант.

Ідеальне компонування досягло гравіметричного індексу 0.62. Це означає, що 62% загальної ваги системи становить придатне для використання водневе паливо, що є значним покращенням порівняно з традиційними конструкціями.

Для терморегуляції, іншої ключової функції системи, дослідники не встановлювали окрему систему охолодження, а натомість направляли надзвичайно холодний водень через теплообмінники. Ці теплообмінники, розташовані поетапно, відводять зайве тепло від таких компонентів, як кабелі, двигуни, надпровідні генератори та силова електроніка. Поглинання цього тепла поступово підвищує температуру водню.

Оптимізація подачі водню та управління температурою під час польоту

Коли справа доходить до доставки рідкого водню по всьому літаку, це створює свої труднощі. Наприклад, насоси не лише збільшують вагу, але й ускладнюють систему, а також можуть створювати небажане тепло в кріогенних умовах. 

Щоб подолати ці проблеми, команда розробила безнасосну систему, яка використовує тиск у балоні для контролю потоку водневого палива. 

Тиск підвищується шляхом впорскування газоподібного водню зі звичайного балона високого тиску та знижується шляхом випускання водневої пари. Для регулювання тиску в режимі реального часу петля зворотного зв'язку з'єднує датчики тиску з енергоспоживанням літака, що забезпечує точну швидкість потоку водню на всіх фазах польоту. 

Згідно з моделюванням, система здатна подавати водень зі швидкістю до 0.25 кілограма за секунду. Цієї швидкості подачі достатньо для задоволення потреб в електроенергії в 16.2 мегавата під час зльоту або у разі надзвичайної ситуації, коли літак повинен робити круговий поворот.

Завдяки послідовному теплообміну, під час руху водню через систему газ спочатку охолоджує компоненти, що працюють за кріогенних температур, такі як кабелі та генератори високотемпературних паливних елементів. Потім він поглинає тепло від компонентів з вищими температурами, таких як двигуни та силова електроніка. Нарешті, перш ніж водень досягне паливних елементів, його попередньо нагрівають, щоб досягти оптимальних умов на вході паливного елемента.

Саме ця поетапна теплова інтеграція дозволяє використовувати рідкий водень як паливо, так і теплоносій, тим самим максимізуючи ефективність системи та мінімізуючи складність апаратного забезпечення.

«Раніше люди не були впевнені, як ефективно переміщувати рідкий водень у літаку, і чи можна також використовувати його для охолодження компонента системи живлення. Ми не лише показали, що це можливо, але й продемонстрували, що для такого типу конструкції необхідно провести оптимізацію на системному рівні».

- го

Основна увага в дослідженні була зосереджена на оптимізації конструкції та моделюванні системи. На наступному етапі дослідники проведуть експериментальну перевірку. Для цього команда створить прототип системи, а потім проведе випробування в Центрі передових енергетичних систем Університету штату Флорида.

У своїй майбутній роботі дослідники також зосередяться на конструкції теплообмінників, які присутні в кожному циркуляційному контурі та передають тепло від компонентів до робочої рідини. У поточному дослідженні бракує детальних специфікацій щодо матеріалу, розміру та теплових властивостей цих компонентів.

Інноваційні стратегії теплового управління також будуть зосереджені на охолодженні стеків паливних елементів та вирішенні проблеми значного тепловиділення під час роботи. У дослідженні зазначається, що ці досягнення мають вирішальне значення для вдосконалення загальної архітектури теплового управління та забезпечення практичного впровадження авіаційних технологій з нульовим рівнем викидів.

Інвестування у технології авіації на водневому паливі

Коли йдеться про інвестування в авіаційний сектор, Розширення RTX (RTX )пропонує можливості з високим потенціалом. Найбільша у світі аерокосмічна та оборонна компанія є основним галузевим партнером у співпраці IZEA. Вона також має масштабні програми досліджень та розробок, спрямовані на технології сталого розвитку авіації, включаючи системи на паливних елементах та водневому паливі.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX працює через три основні сегменти:

• Collins Aerospace постачає технологічно передову аерокосмічну та оборонну продукцію комерційним авіакомпаніям, виробникам цивільних та військових літаків, а також космічним операціям.
• Сегмент Pratt & Whitney постачає авіаційні двигуни військовим, загальним та комерційним клієнтам.
• Raytheon розробляє ракети, інтелектуальну зброю та передові засоби протиповітряної та протиракетної оборони.

Через підрозділи Collins Aerospace та Pratt & Whitney, RTX бере активну участь у розробці та випробуванні літаків на водневому паливі та пов'язаних з ними технологій.

Це включає програму HySIITE, яка працює над тим, щоб дозволити авіаційній промисловості використовувати водень у великих масштабах. Проект, що спонсорується Агентством передових дослідницьких проектів Міністерства енергетики США, оптимізований для рідкого водню та завершується у грудні 2024 року. Випробування на стенді HySIITE показали зниження викидів NOx на 99.3% порівняно з двигуном GTF та підвищення енергоефективності до 35%.

Тим часом, два інші проекти компанії тривають, спрямовані на розвиток водневої авіації. Дослідження вдосконалених водневих двигунів (HyADES), що підтримується спільною канадською ініціативою промисловості та уряду INSAT, працює над просуванням використання водню для турбогвинтових літаків. Тим часом COCOLIH2T підтримується Спільним підприємством ЄС з чистого водню та розробляє спосіб зберігання палива.

Що стосується ринкових показників Raytheon, то її акції демонструють високі темпи зростання. Акції компанії, ринкова капіталізація якої на момент написання статті становить 183.64 мільярда доларів, торгуються вище 137.50 доларів, що є новим історичним максимумом (ATH), і представляють собою приріст на 18.7% з початку року (YTD).

Протягом останніх трьох десятиліть спостерігається постійне зростання акцій RTX. Акції також зросли приблизно на 21% з квітневих мінімумів. Таким чином, їх прибуток на акцію (TTM) становить 3.41, а коефіцієнт P/E (TTM) – 40.31. Raytheon також пропонує привабливу дивідендну дохідність у розмірі 1.98%.

Що стосується фінансових показників компанії, то повідомляє сильні результати у першому кварталі 2025 року: продажі зросли на 5% порівняно з попереднім роком до 20.3 млрд доларів, а скоригований прибуток на акцію склав 1.47 долара. Операційний грошовий потік Raytheon за цей період становив 1.3 млрд доларів, а вільний грошовий потік – 0.8 млрд доларів, тоді як портфель замовлень становить 217 млрд доларів, включаючи 92 млрд доларів на оборону та 125 млрд доларів на комерційну галузь.

«Ми успішно розпочали 2025 рік. Поточне середовище, безумовно, дуже динамічне, але наша компанія має гарні можливості для операційної роботи, а наші команди залишаються зосередженими на виконанні наших зобов’язань та розв’язанні значного портфеля завдань».

– президент і генеральний директор RTX Кріс Каліо

Компанія прогнозує, що скоригований обсяг продажів становитиме від 2025 до 83 млрд доларів США, скоригований прибуток на акцію (EPS) – від 84.0 до 6.00 доларів США, а вільний грошовий потік – від 6.15 до 7 млрд доларів США, зазначаючи, що ці оцінки не враховують вплив нещодавно запроваджених тарифів.

Серед усього цього, лише цього тижня компанія отримала контракт від ВМС США на суму 536 мільйонів доларів на сімейство радарів SPY-6, які зараз встановлені на двох їхніх кораблях, а ще три готові до встановлення. Протягом наступного десятиліття радари будуть розгорнуті на понад 60 кораблях ВМС США.

Згідно з контрактом, Raytheon надаватиме постійну підтримку шляхом навчання, встановлення, інтеграції та тестування, а також оновлення програмного забезпечення для покращення можливостей радара.

«SPY-6 — це найсучасніший радар у військово-морському флоті США, який забезпечує кораблям новий рівень захисту від загроз, що постійно змінюються».

– Барбара Боргонові, президент Naval Power у Raytheon.

13-й радар протиракетної оборони AN/TPY-2 також було передано Агентству протиракетної оборони США, що стало першим пристроєм, оснащеним повністю GaN-антенною решіткою, що значно підвищує чутливість та продуктивність системи.

Компанія також уклала контракт на суму 1.1 мільярда доларів на виробництво та постачання ракет AIM-9X Sidewinder. Цим контрактом Raytheon продовжує свою довгострокову підтримку програми Sidewinder, широко використовуваної в усьому світі ракетної системи малої дальності.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих акцій аерокосмічної та оборонної промисловості.

Останні новини та події щодо акцій RTX Corp. (RTX)

Заключні думки: роль водню в екологічно стійкій авіації

Авіаційний сектор швидко зростає та робить свій внесок у глобальний економічний та соціальний розвиток, але водночас він створює нагальну потребу у вирішенні проблеми викидів вуглецю та інверсійних слідів. Тут водень, з його високою питомою хімічною енергією, став перспективною альтернативою чистому паливу.

З огляду на це, останнє дослідження представляє комплексну основу для проектування та оптимізації системи зберігання рідкого водню, управління температурою та контролю його передачі, демонструючи її потенціал для розвитку ефективних та сталих авіаційних технологій.

Використовуючи позитивний вплив водню на зміну клімату та якість повітря, авіаційна галузь тепер має життєздатний шлях до зменшення свого вуглецевого сліду, прокладаючи шлях до майбутнього, де подорожі на далекі відстані більше не здійснюватимуться за рахунок планети.

Натисніть тут, щоб дізнатися про останні аерокосмічні інновації, що прокладають шлях для польотів наступного покоління.

Посилання на дослідження:

^{1. Вірді, П.С., Го, В., Каттафеста, Л.Н. III, Чітем, П., Кулі, Л., Гладін, Дж.К., Хе, Дж., Кім, К., Лі, Х., Ордоньєс, Дж., Паміді, С., та Чжен, Дж.-П. (2025). Система зберігання рідкого водню, управління температурою та передачі-контролю для інтегрованої авіації з нульовим рівнем викидів (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}