Samoloty zasilane słońcem. Dlaczego nigdy nie polecimy takimi na wakacje?

26 lipca 2016 r. był w historii lotnictwa bardzo pamiętną datą. Na lotnisku w Abu Zabi wylądował wtedy dziwaczny, ogromny samolot, który dokonał właśnie czegoś, o czym jeszcze kilka lat wcześniej marzyli jedynie nieliczni. Solar Impulse 2 zakończył lot dookoła świata, podczas którego nie zużył nawet kropli paliwa. 

Ogromna maszyna, o rozpiętości skrzydeł o 3 m większej, niż u słynnego Boeinga 747, ale masie porównywalnej z przeciętnym SUV-em dokonała tego wyłącznie dzięki energii słonecznej. Zasilany ogniwami fotowoltaicznymi o powierzchni 270 metrów kwadratowych samolot obleciał świat, choć tempo tego lotu nie było spektakularne. Cały lot potrwał 16 miesięcy.

Maszyna miała na pokładzie zaledwie jednego pilota. Mimo tego, entuzjaści czystego lotnictwa mieli nadzieję, że Solar Impulse da impuls do rozwoju słonecznych samolotów przyszłości. Te nadzieje częściowo się spełniły. Ale marzyciele snujący wizje słonecznych jumbo-jetów wożących pasażerów między kontynentami szybko zderzyli się z brutalną rzeczywistością.

Energochłonne, latające potwory

Samolot pasażerski, nawet stosunkowo niewielki, o rozmiarach Boeinga 737, wymaga ogromnej mocy, by oderwać się od ziemi i utrzymać w powietrzu. Ważący 82 tony 737 Max 8 lata dzięki dwóm silnikom o ciągu 130 kilonewtonów każdy. Aby lecieć ze stałą prędkością, maszyna musi zużywać około 10 milionów watów energii.

Rhett Allain, profesor fizyki na Southeastern Louisiana University obliczył dla magazynu Wired powierzchnię paneli fotowoltaicznych, potrzebną do wygenerowania porównywalnej energii. Wyliczenia nie wróżą świetlanej przyszłości słonecznego lotnictwa.

Co prawda słońce dostarcza Ziemi mnóstwo energii – średnio każdy metr kwadratowy otrzymuje 342 waty energii słonecznej. Ale to wciąż za mało, by utrzymać samolot w powietrzu. Allain wylicza, że przy optymistycznej wydajności paneli słonecznej rzędu 25 procent, zasilany energią słoneczną 737 potrzebowałby 29 tys. metrów kwadratowych paneli. Dla porównania powierzchnia skrzydeł tego samolotu to 125 metrów kwadratowych. Pokrycie całych skrzydeł panelami dałoby zaledwie 0,4 proc. mocy potrzebnej, by utrzymać się w powietrzu.

Oznacza to, że samolot pasażerski przewożący 200 pasażerów z prędkościami porównywalnymi do współczesnych potrzebowałby skrzydeł o setki razy większej powierzchni. A dodatkowa masa tych skrzydeł jeszcze bardziej podniosłaby jego zapotrzebowanie na energię.

Słoneczne pseudosatelity

Co nie oznacza, że słoneczne lotnictwo nie ma przyszłości. Ma, i to wielką. Tylko w zupełnie innej dziedzinie.

Nie chodzi tu nawet o lekkie, turystyczne samoloty dla hobbystów. Pierwsze słoneczne maszyny zdolne do przewożenia jednego (niezbyt wyrośniętego) pilota już latają. Trudno jednak będzie zaprojektować je tak, by pełniły jakąkolwiek użyteczną rolę transportową.

Zamiast tego jednak, napędzane słoneczną energią samoloty już dziś testowane są w rolach, w których maszyny konwencjonalne się nie sprawdzają. Prototypy opracowane przez NASA, Airbusa a nawet Facebooka wznoszą się na wielkie wysokości, na których bez paliwa mogą krążyć przez wiele dni, tygodni czy nawet miesięcy. To sprawia, że są doskonałymi platformami do zastosowań, do jakich dziś zazwyczaj wykorzystujemy satelity. Takie słoneczne “pseudosatelity” mogą prowadzić badania naukowe, wojskowe rozpoznanie, mogą nawet stanowić przekaźniki zapewniające dostęp do internetu na wielkich, niedostępnych obszarach. Bez pilota i bez paliwa.

Co nie oznacza, że jesteśmy skazani na przyszłość pełną samolotów spalających ogromne ilości ropy, produkujących zanieczyszczenia i emitujących gazy cieplarniane. Istnieje już szereg pomysłów na maszyny, które mogłyby latać taniej, ciszej i przyjaźniej dla środowiska.

W służbie są już na przykład pierwsze lekkie samoloty pasażerskie o napędzie elektrycznym. Kanadyjska linia lotnicza Harbour Air, wożąca pasażerów między Vancouver a miastami położonymi na okolicznych wyspach, zastąpiła silnik jednego ze swoich samolotów De Havilland Beaver silnikiem elektrycznym. Jedno ładowanie baterii pozwala maszynie pokonać kilkadziesiąt kilometrów z zapasem energii i przewieźć 4 pasażerów.

Z kolei Airbus przygotowuje kilka koncepcyjnych maszyn, które byłyby napędzane silnikami hybrydowymi – i paliwem wodorowym. Wizja krótkodystansowych samolotów pasażerskich koncernu zakłada, że śmigłowe maszyny byłyby napędzane elektrycznymi silnikami zasilanymi generującą prąd turbiną. Rozwiązanie takie sprawiałoby, że maszyny byłyby cichsze i zdecydowanie bardziej wydajne od konwencjonalnych.

Wielki problem z lotnictwem cywilnym

Problem jest palący, bo lotnictwo cywilne staje się coraz istotniejszym elementem przyczyniającym się do zmian klimatycznych. Szacuje się, że lotnictwo odpowiada za 2,5 proc. globalnych emisji CO2, ale ma nieproporcjonalnie duży wpływ na ocieplanie planety. Analizy sugerują, że lotnictwo odpowiada za aż 4 proc. globalnego wzrostu temperatur. Dzieje się tak, bo samoloty pasażerskie emitują także inne gazy cieplarniane i uwalniają na dużych wysokościach parę wodną, która istotnie wpływa tam na wzrost globalnych temperatur.

Szacuje się, że lotnicze emisje będą w najbliższych latach gwałtownie rosnąć. Do 2050 r. ich poziom ma zwiększyć się 4- lub nawet 8-krotnie w porównaniu z rokiem 2018. Aby ograniczyć negatywny wpływ cywilnego lotnictwa na klimat, ONZ, międzynarodowe stowarzyszenia linii lotniczych, Unia Europejska i USA zamierzają zwiększać odsetek lotniczego paliwa który pochodzi nie z ropy naftowej, a z biologicznych odpadów. Lotnicze biopaliwa stosowane jako domieszka lub zamiennik ropy mogłyby, zdaniem Airbusa, ograniczyć emisje gazów cieplarnianych z samolotów nawet o 80 proc.