Hibrit-Elektrikli Uçak Konsepti, Havacılık Sektöründen Kaynaklanan Hava Kirliliğini Azaltabilir

Yeni bir araştırmaya göre, önerilen tasarım nitrojen oksit emisyonlarını yüzde 95 oranında azaltabilir.

Seyir irtifasında uçaklar, atmosfere sürekli olarak nitrojen oksit akışı yayar. Nitrojen oksitler veya NOx, önemli bir hava kirliliği kaynağıdır ve astım, solunum hastalığı ve kardiyovasküler bozukluklarla ilişkilendirilmiştir. Araştırmalar, küresel havacılığın da neden olduğu bu kimyasalların oluşması sonucunda her yıl 16.000 prematüre ölüm gerçekleştiğini göstermiştir.

Şimdi MIT mühendisleri, havacılığın NOx emisyonlarının yüzde 95’ini ortadan kaldıracağını ve böylelikle ilgili prematüre ölümlerin sayısını yüzde 92 oranında azaltacağını tahmin ettikleri bir uçak itme konsepti geliştirdiler.

Hibrit elektrikli uçak konsepti, kara taşımacılığı araçlarında kullanılan emisyon kontrol sistemlerinden esinlenmiştir. Günümüzde birçok ağır hizmet dizel kamyonu, motorlardan üretilen NOx’i azaltmak için emisyon kontrol sistemlerine sahiptir. Araştırmacılar şimdi havacılık için benzer elektriksel bir tasarım öneriyorlar.

Günümüzde uçaklar, her bir kanadın altına demirlenmiş jet motorları tarafından hareket ettirilmektedir. Her motor, türbinden çıkan egzoz arkadan dışarı doğru akarken uçağı havada hareket ettirmek için pervaneye güç veren bir gaz türbini barındırır. Motorlar tarafından üretilen itme kuvvetine müdahale edeceğinden emisyon kontrol cihazlarının kullanılması mümkün olmamıştır.

Yeni hibrit-elektrik veya “turbo-elektrik” tasarımında, bir uçağın güç kaynağı hala geleneksel bir gaz türbini olacak, ancak uçağın kargo bölmesine entegre edilecek. Gaz türbini, pervanelere veya fanlara doğrudan güç sağlamak yerine, elektrik üretmek için yine kargo bölmesinde bulunan bir jeneratörü çalıştıracak ve bu da uçağın kanadına monte, elektrikle çalışan pervanelerine veya fanlarına elektriksel olarak güç sağlayacaktır. Gaz türbini tarafından üretilen emisyonlar, dizel araçlarda bulunan atmosfere yayılmadan önce egzozu temizleyen sisteme büyük ölçüde benzeyen bir emisyon kontrol sistemine beslenecektir.

MIT’de havacılık ve astronotik profesörü Steven Barrett, “Bu proje yine de mühendislik açısından oldukça zorlayıcı, ancak temel fizik konusunda herhangi bir kısıtlama yok” diyor. “Havacılık sektöründe net sıfır emisyon hedefine ulaşmak istiyorsanız, hibrit-elektrik sistemi, bu hedefe ulaşmak için en büyük engel olan hava kirliliğini çözmenin potansiyel bir yoludur, ayrıca teknolojik olarak da oldukça uygulanabilir.”

Potansiyel yakıt maliyeti ve sağlık üzerindeki etkilerinin analizleri de dahil olmak üzere tasarımın ayrıntıları, bugün Energy and Environmental Science dergisinde yayınlandı. Makalenin yazarları, MIT’nin Havacılık ve Çevre Laboratuvarı’nın üyeleri olan Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham ve Jayant Sabnins’dir.

Yarı-Elektrikli Planı

Takımın hibrit-elektrikli uçağının tohumları, Barrett ve ekibinin Volkswagen dizel emisyon skandalını araştırma çalışmalarından doğdu. 2015 yılında çevre düzenleyicileri, otomobil üreticisinin dizel motorları yalnızca laboratuvar testleri sırasında yerleşik emisyon kontrol sistemlerini etkinleştirmek için kasıtlı olarak manipüle ettiğini, öyle ki NOx emisyon standartlarını karşılıyor gibi göründüklerini, ancak araçların gerçek sürüş koşullarında 40 kat daha fazla NOx yaydıklarını keşfetti.

Barrett, emisyon hilesinin sağlık üzerindeki etkilerini incelerken, genel olarak dizel araçların emisyon kontrol sistemlerine de aşina oldu. Aynı sıralarda, büyük ve tamamen elektrikli bir uçak tasarlama imkanı için araştırma yapıyordu.

Barrett, “Son birkaç yılda yapılan araştırma, muhtemelen küçük uçakları elektrikli hale getirebileceğinizi gösteriyor, ancak büyük uçaklar için, batarya teknolojisinde gelişmeler olmadan bu pek mümkün görünmüyor.” diyor Barrett. “Bu yüzden, belki de elektrikli uçaklardan elektrikli yürütme parçasını ve uzun süredir kullanılan, olduça güvenilir ayrıca çok da verimli olan gaz türbinlerini alıp bunu otomotivde kullanılan emisyon kontrol teknolojisi ile birleştirebilir ve en azından yarı elektrikli uçakları etkinleştirmek için güç sağlayabiliriz diye düşündüm. ”

Sıfır Etki ile Uçmak

Uçak elektrifikasyonu ciddi bir şekilde düşünülmeden önce, bunun gibi bir konsepti, örneğin jet motorlarının arkasına bir eklenti olarak uygulamak mümkün olabilirdi. Ancak Barrett, bu tasarımın bir jet motorunun üreteceği “herhangi bir itme akışını öldüreceğini” belirtiyor.

Barrett’in konsepti, itme üreten pervaneleri veya fanları güç üreten gaz türbininden ayırarak bu engeli aşıyor. Pervaneler veya fanlar bunun yerine doğrudan bir elektrik jeneratörü tarafından çalıştırılacak ve bu jenertör de gücünü gaz türbininden alacaktır. Gaz türbininden çıkan egzoz, uçağın kargo ambarında akordeon tarzında katlanabilen bir emisyon kontrol sistemine beslenecek, bu sistem itme üreten pervanelerden tamamen izole edilmiş olacak.

Hibrit-elektrik sisteminin (gaz türbini, elektrik jeneratörü ve emisyon kontrol sistemi) büyük kısmının, birçok ticari uçakta geniş bir alan olan uçağın karın bölgesine sığacağını öngörüyor.

Araştırmacılar yeni makalelerinde, Boeing 737 veya Airbus A320 benzeri bir uçakta böyle bir hibrit-elektrik sistemi uygulandığında, sistemden kaynaklanan ekstra ağırlığın uçağı uçurmak için yaklaşık yüzde 0,6 daha fazla yakıt gerektireceğini hesaplıyorlar.

Barrett, “Bu, tam-elektrikli uçaklar için önerile göre çok daha uygulanabilir olacaktır” diyor. “Bu tasarım, ekstra ağırlık kapasitesinin üzerinde olacak tonlarca pil eklemenin aksine, bir uçağa birkaç yüz kilogram ekler.”

Araştırmacılar ayrıca, emisyon kontrol sistemi olan ve olmayan büyük bir uçak tarafından üretilecek emisyonları hesapladılar ve hibrit-elektrik tasarımının NOx emisyonlarının yüzde 95’ini ortadan kaldıracağını buldular.

Bu sistem dünyanın dört bir yanındaki tüm hava araçlarına uygulanırsa, havacılığın sebep olduğu kirlilik kaynaklı ölümlerin yüzde 92’sinin önleneceğini tahmin ediyorlar. Bu tahmine, atmosferdeki havacılık emisyonlarının akışını haritalamak için küresel bir model kullanarak ulaştılar ve dünyadaki çeşitli popülasyonların bu emisyonlara ne kadar maruz kalacağını hesapladılar. Daha sonra bu maruziyetleri ölümlülere veya havacılık emisyonlarına maruz kalmanın bir sonucu olarak ölecek insan sayısı tahminlerine dönüştürdüler.

Ekip şimdi de NOx ve iklimi değiştiren karbondioksit gibi kimyasalları atmosfere yaymadan uçan “sıfır etki” bir uçak tasarımı üzerinde çalışıyor.

Barrett, ” Sıfır net iklim etkisine ve hava kirliliğinden sıfır ölüme ulaşmamız gerekiyor” diyor. “Bu mevcut tasarım, havacılığın neden olduğu hava kirliliği sorununu etkili bir şekilde ortadan kaldıracaktır. Şimdi bunun iklim etkisi kısmı üzerinde çalışıyoruz.”

Kaynak: eurekalert.org