Авиацията представлява 2,5% от глобалните емисии на CO2, според Международната агенция по енергетика (МАЕ). По данни от 2023 г., в периода между 2000 г. и 2019 г. емисиите на този сектор нарастват по-бързо от тези в железопътния, автомобилния или корабния транспорт. В края на 2022 г. държавите-членки на ICAO приеха дългосрочна амбициозна цел за постигане на нулеви нетни въглеродни емисии от международната авиация до 2050 г.
Въпреки че се очаква постигането на тази цел да разчита най-вече на водород и устойчиви авиационни горива, слънчевата енергия може да изиграе пионерската роля. Самолетите, задвижвани със слънчева енергия, макар и все още само прототипи, биха могли да се окажат обещаващо решение в дългосрочен план. Те разчитат на комбинация от модерни технологии, предназначени да увеличат максимално енергийната ефективност, да намалят теглото и да осигурят стабилна производителност.
Ключово е използването на високоефективни слънчеви панели. Често те биват интегрирани директно в крилата на самолета, за да улавят възможно най-много слънчева светлина. Тези леки фотоволтаични клетки, комбинирани с литиево-йонни батерии на борда, добиват и съхраняват енергия за използване по време на нощни полети или летене в облачно време. Необходими са и специални системи за внимателно управление на енергията, за да е сигурно, че тя не се похабява.
Иновации с вкус на Швейцария и Русия
За да останат леки и ефективни, соларните самолети са направени от здрави, но леки материали – като въглеродни влакна. Електрическите им двигатели са проектирани да използват възможно най-малко енергия. Интелигентните системи за автопилот помагат за управлението на дълги полети.
Със силната си традиция на инженерни постижения, особено в прецизните индустрии, Швейцария изглежда като ключов играч в слънчевата авиация. Проектът Solar Impulse бе ясен пример – той демонстрира инженерни иновации, но и постигна забележителна глобална осведоменост за чистите технологии и устойчиви решения.
Воден от швейцарските пионери Бертран Пикар и Андре Боршберг, проектът успешно разработи серия от самолети, задвижвани със слънчева енергия, които демонстрираха впечатляващи постижения в екологичното летене. Двамата построиха прототип на самолет и завършиха 26-часов полет без кацане през 2010 г., отбелязвайки първия нощен полет, захранван само от слънчева енергия. Това демонстрира способността на самолета да генерира и съхранява достатъчно енергия, за да може да лети денонощно.
Вторият етап от този проект през 2016 г. доведе до конструирането на самолет, който постигна историческо околосветско пътешествие, използвайки само слънчева енергия. Пътуването обхвана над 40 000 км през множество континенти. То бе разпределено в 17 етапа, демонстрирайки потенциала на слънчевата фотоволтаична енергия в авиацията.
Най-новият проект в тази насока е SolarStratos – самолет, захранван със слънчева енергия, предназначен да лети в стратосферата (ръба на космоса), използвайки само енергия от слънцето. Целта му е да вдъхнови по-масово приложение на устойчивите технологии в световен мащаб. Проектът е плод на въображението на Рафаел Домян – бивш механик, парамедик и швейцарски планински водач, посветил последните 20 години от живота си на изследване и насърчаване на чистите технологии. През 2012 г. изследователят извърши първата околосветска обиколка със слънчева лодка PlanetSolar.
52-годишният Домян е приятел на Пикар от Solar Impulse и признава, че е бил силно повлиян от проекта, който – според него – го е научил на някои важни уроци. „Видяхме, че размерът на самолета е важен. Ако самолетът е твърде голям, разходите са много високи и е трудно да се управлява. Тогава се нуждаете от огромен екип и това е много скъпо“, обясни той пред списание Wired през 2016 г.
Solar Impulse струваше около 178 милиона швейцарски франка (187 милиона долара), докато цената на самолета SolarStratos, каза Домян, ще бъде „по-близо до 10 милиона долара“. Двуместният самолет разполага с 22 кв. м. фотоволтаични клетки на крилата си, осигуряващи приблизително 6 kW енергия. Тази конструкция, твърди пилотът, позволява на самолета да работи само със слънчева енергия по време на типичните полети.
Говорейки пред Aerospace Global News, Домян обясни как работи захранването: „Слънчевите панели винаги са свързани към двигателя, така че използваме това, което получаваме от слънцето и – ако имаме нужда от повече енергия, при излитане например – използваме и батерията. Но когато кацнем, нямаме нужда от енергия, така че спираме двигателя и просто презареждаме батерията.“
Запитан колко дълго може да кръстосва стратосферата този нов самолет, Домян каза, че това не е целта на проекта. „Целта е да се качим възможно най-високо и при добро слънце да можем да летим между 2 и 6 часа. Целта за 2025 г. ще бъде да летим над 10 000 м, което ще бъде първият пилотиран самолет, който ще се издигне над тази височина“. Ако този полет е успешен, добави той, планът ще бъде да се лети до стратосферата в ултралек скафандър, захранван от слънчева енергия. Той ще бъде проектиран от руската фирма „Звезда“, създала костюмите за Юрий Гагарин, първият човек в космоса.
Предизвикателства и решения
Управлението на самолета, докато пилотът носи костюма в тясната пилотска кабина, и с ограничен визуален изглед, ще изисква специално обучение, призна Домян. Това е едно от многото предизвикателства, пред които са изправени той и неговият екип. Някои хора се съмняват в осъществимостта и практичността на проекта. Притесненията касаят амбициозните цели на проекта, технологичните ограничения и потенциалните рискове, свързани с полет на голяма надморска височина със слънчева енергия.
„Батериите са голямо предизвикателство“, призна Домян. „Батериите за предстоящия полет все още не са готови. Трябва също да сменим витлото за полета на голяма надморска височина. Голямо предизвикателство е да имаме най-добрата, най-леката батерия“.
В други области обаче SolarStratos вече има забележителен успех. Миналата година самолетът постигна важен крайъгълен камък, като се издигна до височина от 5993 метра по време на полет над Матерхорн, демонстрирайки способността на самолета да работи на големи височини.
Последва серия от тестови полети, които бяха от решаващо значение за валидиране на подобренията в дизайна и системните функционалности. Следващият полет – този на височина от 10 000 м. – ще е над швейцарските Алпи това лято, отбелязвайки критична стъпка към достигане на стратосферата.
Поглед напред
Въпреки че ще мине много време, преди слънчевите самолети да могат да носят по-тежки товари или да летят толкова бързо, колкото традиционните самолети, развитието на слънчевите технологии и батериите е важна стъпка за осъществяването на тази визия. В бъдеще соларните самолети могат да играят важна роля в области като изследване на околната среда, комуникации или дори екологичен туризъм.
В крайна сметка Домян предвижда бъдеще, в което авиацията, захранвана със слънчева енергия, ще стане комерсиално жизнеспособна. Това, което дръзките пилоти от Швейцария правят, би могло да накара авиационната индустрия да забележи соларната енергия и да се оттегли от употребата на изкопаемите горива.
В това време техническият комитет на Международната електротехническа комисия IEC, IEC TC 82, вече изготвя стандарти за слънчеви фотоволтаични енергийни системи. За момента тези стандарти се използват за наземни фотоволтаични системи, независимо дали са големи инсталации или малки системи, монтирани на покрив. Комисията разработва и стандарти за плаващи фотоволтаични системи. Слънчевите панели за самолети или дронове биха изисквали специфични стандарти, но тяхната подготовка може да стъпи на големия обем от работа, вече публикувана в IEC.
IEC също така има два екипа, специално занимаващи се с авиационната индустрия, IEC TC 107: Управление на процеси за авионика и IEC TC 97: Електрически инсталации за осветление и маяци на летища. Всяка електроника, която влиза в самолетите, трябва да отговаря на стандартите TC 107.
Едно от основните притеснения е да се предотврати използването на фалшиви или рециклирани електронни компоненти, които не отговарят на очакваните изисквания за безопасност и ефективност за въздухоплавателни средства. IEC 62668-1 е пример за такива стандарти. Системата за оценка на качеството на IEC, IECQ, предлага оценка и сертифициране от трета страна за съответствие с IEC 62239-1 и IEC 62239-2.
Въпреки че слънчевите самолети все още не са годни за масов въздушен транспорт, авио-индустрията вече показва солиден интерес към технологията. И при следващите стъпки за комерсиализация на технологията ще можем да разчитаме, че международните стандарти на IEC ще бъдат налице, за да гарантират, че новата технология отговаря на изисквания за безопасност и производителност.
