خبرنامه Fix the Planet :چرا هواپیماها به پیشرفت بزرگی در باتری نیاز دارند
خبرنامه Fix the Planet – با بازگشت مردم به پرواز، ما به یک راه‌حل بلندمدت احتمالی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در هوانوردی می‌پردازیم: هواپیماهایی با نیروی باتری.
با توجه به گفتگوهای اخیر من، بسیاری از مردم به زودی برای اولین بار از زمان ورود کووید-۱۹ قصد پرواز دارند. انتظار می‌رود سفرهای هوایی حداقل یک تا دو سال دیگر به سطح پیش از همه‌گیری بازگردد، اما همانطور که صنعت هوانوردی بهبود می‌یابد، انتظار می‌رود تأثیر آن بر تغییرات اقلیمی دوباره مثل قبل شود.
مسئله هوانوردی به اندازه‌ی کنونی آن نه از نظر اندازه مهم است – که تقریبا 2 درصد از انباشت دی‌اکسید کربن جهانی را شامل می‌شود – بلکه به دلیل نرخ سریع رشد گازهای گلخانه‌ای آن است. امسال، هواپیمای مافوق صوتی جدیدی (Boom’s XB-1) قرار است پرواز اول خود را داشته باشد، که احتمال رشد مجدد سفرها بر اساس مصرف سوخت را نیز افزایش می‌دهد.
خبرنامه Fix the Planet :چرا هواپیماها به پیشرفت بزرگی در باتری نیاز دارند
برخی معتقدند تنها پاسخ واقعی به انتشار گازهای هوانوردی کاهش تقاضا و کمتر پرواز کردن است، اما همانطور که رشد اخیر پروازها نشان می‌دهد، مردم هنوز هم می‌خواهند با هواپیما سفر کنند. به همین دلیل است که امروز “Fix the Planet” به یکی از راه‌حل های فناوری بلندمدت می‌پردازد: هواپیماهایی با نیروی باتری.
رقبای اصلی پروازهای بدون احساس گناه کدامند؟
در کوتاه‌مدت، پرواز سبز وجود ندارد. تنها گزینه‌های واقعی موجود امروز، موتورهای کارآمدتر، سوخت‌های زیستی و تعدیل دی اکسید کربن هستند. اولی مورد قبول است، اما قبل از همه‌گیری نیز نتوانست از افزایش انتشار جلوگیری کند. دو گزینه دیگر مشکل‌ساز و محدود هستند.
در بلندمدت، احتمالاً به هیدروژن، باتری‌ها، ترکیبی از هر دو یا چیز کاملاً جدیدی نگاه می‌کنیم. قبلاً درباره هیدروژن نوشته‌ام که برای سازندگان هواپیما جذاب است زیرا انرژی زیادی نسبت به جرم خود دارد. با این حال، با مشکلات زیادی ، از جمله چالش ساخت آن به روشی کم‌کربن روبرو است.
چرا هواپیماهای باتری‌دار نمی‌بینیم؟
Venkat Viswanathan که با تیمی در دانشگاه کارنگی ملون در پنسیلوانیا برای ساخت باتری‌های بهتر همکاری می‌کند ، می گوید:”جایگزینی سوخت جت با باتری‌ها دشوار است”.
در یک مقاله، Viswanathan و همکارانش چالش‌ها را بررسی کرده‌اند که از چگالی انرژی باتری‌ها، وزن آن‌ها و نگرانی‌ها در مورد آتش‌سوزی باتری‌ها در میان پرواز تا توازن چگالی انرژی در مقابل تعداد دفعاتی که می‌توان باتری را شارژ کرد، متغیر است.
برای اینکه مشکل را در مقیاس بزرگتری بگذاریم، یک هواپیمای بزرگ با انرژی معادل انرژی تحویل داده شده توسط ۳۰,۰۰۰ خودروی تسلا بلند می‌شود. Viswanathan می‌گوید: “هدف مقاله این است که واقع‌گرایی را در مقابل همه خوش‌بینی‌های موجود قرار دهد.” هوانوردی به‌طور ویژه‌ای پرچالش است: “شما نیاز به ایمنی، اقتصادی بودن، قابلیت اطمینان و عدم مصالحه در هر کدام از این‌ها را دارید.”
آیا ساخت هواپیماهای باتری‌دار غیرممکن است؟
پیشرفت در شیمی و مواد باتری‌ها به این معناست که نباید چشم‌انداز پرواز با نیروی باتری را نادیده بگیریم. Paul Shearing از دانشگاه کالج لندن می‌گوید:” حتی باتری‌های لیتیوم-یونی امروزی، که در خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند، می‌توانند برای هواپیماهای کوچکی مانند تاکسی‌های هوایی کار کنند
(بوئینگ این هفته ۴۵۰ میلیون دلار در یکی از استارتاپ‌های “وسیله نقلیه عمودی برخاست و فرود” سرمایه‌گذاری کرد). او می‌گوید: “نظر من این است که به‌زودی شاهد نفوذ باتری‌های لیتیوم-یونی به بخش‌هایی از صنعت هوافضا خواهیم بود.”
اما پیشرفت‌ها احتمالاً به همینجا ختم نمی‌شود. استفاده از شیمی و مواد جدید میتواند باتری‌هایی برای هواپیماهای متوسط را فراهم کند که قادر به حمل ده‌ها مسافر در چند صد کیلومتر هستند – مثلاً یک پرواز از لندن به یکی از پایتخت‌های شمال غربی اروپا.
کلید این پیشرفت، استفاده از نسل جدیدی از باتری‌های قابل شارژ و سبک وزن خواهد بود. Shearing معتقد است که این ممکن است به معنای باتری‌های لیتیوم-سولفور و احتمالاً باتری‌های حالت جامد نیز باشد، جایی که الکترولیت باتری جامد است نه مایع.
او می‌گوید باتری‌های حالت جامد اکنون به طور معمول چگالی انرژی حدود ۴۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم نشان می‌دهند، تقریباً دو برابر بیشتر از بیشتر باتری‌های لیتیوم-یونی (اگرچه باتری‌های پیشرفته می‌توانند به ۲۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم برسند).
دولت ایالات متحده تلاش‌هایی برای دستیابی به ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را تأمین مالی کرده است و برنامه‌ای دارد که سال گذشته ۷۵ میلیون دلار برای مرحله دوم دریافت کرد. اما Viswanathan معتقد است که با سرمایه‌گذاری هدفمند و قابل توجه در باتری‌های هوانوردی، می‌توان در ۱۰ سال آینده به حدود ۶۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم رسید.
لیتیوم-فلز یکی از موادی است که او فکر می‌کند امیدبخش است. اما او می‌گوید یک رویکرد خوب برای یافتن باتری‌های سبک جدید این است که به اصطلاح باتری‌های اولیه – باتری‌های تک‌بار مصرف – نگاه کنیم و سعی کنیم نسخه‌ای قابل شارژ از آن‌ها را بسازیم. باتری‌های لیتیوم-کربن-مونو‌فلوراید یکی از نامزدهای ممکن است.
او می‌گوید: “هیچ‌گاه تلاش جدی توسط دانشمندان باتری برای نگاه کردن به هوانوردی به عنوان یک بازار اولیه وجود نداشته است.” او اضافه می‌کند که اتکا به نوعی بهبود تدریجی که در باتری‌های خودروهای الکتریکی دیده می‌شود، پیشرفتی که هواپیماها نیاز دارند را به همراه نخواهد داشت.
و در مورد یک پرواز فرااقیانوسی، مانند لندن به نیویورک چطور؟
کار کردن باتری‌ها برای هواپیماهایی با صدها مسافر، کلیدی برای کاهش اثرات تغییرات اقلیمی هوانوردی خواهد بود. هواپیماهای بزرگ مسئول بیش از ۹۵ درصد از انتشار گازهای هوانوردی هستند.
هواپیماهایی با بیش از ۲۰۰ صندلی بیش از نیمی از آلودگی های کلی را تولید می‌کنند. در این اندازه، Shearing معتقد است که احتمالاً باتری‌ها باید در نوعی سیستم ترکیبی استفاده شوند، مانند ترکیب آن‌ها با سلول سوختی هیدروژنی. او می‌گوید: “پروازهای بلندمدت سختی زیادی خواهند داشت.”
آیا تعویض باتری‌ها میتواند کمک کند؟
چند سال پیش، کارآفرین اسرائیلی Shai Agassi سعی کرد جهان را متقاعد کند که خودروهای الکتریکی با باتری‌هایی که می‌توانند تعویض شوند، آینده هستند. او با استارتاپ “Better Place” خود شکست خورد. اما Viswanathan می‌گوید این میتواند یک “استراتژی معقول” برای هواپیماها هم باشد، زیرا آن‌ها به عنوان ناوگان‌های مدیریت شده مرکزی با خدمه‌های زمینی سازماندهی شده‌اند. به نظر نمی‌رسد که کسی این مسیر را دنبال کند، اما در حال بحث است.
دلایل امیدواری چیست؟
Viswanathan می‌گوید تغییر اهداف چگالی انرژی برای باتری‌ها با هدف قرار دادن ۸۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم به جای ۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم ایالات متحده میتواند شروع خوبی باشد.
او معتقد است که چندین دلیل برای باور به توانایی محققان برای دستیابی به این هدف و بازگشایی راهی برای هواپیماهای بزرگتر وجود دارد. اول این که پیشرفت‌ها در تصویربرداری اکنون توانایی بی‌سابقه‌ای برای نگاه کردن به داخل باتری‌ها در زمان واقعی و یادگیری نحوه تغییر آن‌ها ارائه می‌دهد.
دوم، استفاده از رباتیک است. سوم، استفاده از یادگیری ماشینی برای کشف مواد جدید است، که او آن را به روشی که شرکت‌های داروسازی از آن برای توسعه داروها و واکسن‌های جدید استفاده می‌کنند، تشبیه می‌کند. او می‌گوید: “فکر می‌کنم باتری‌ها نقطه عطف مشابهی دارند.”
Shearing در بریتانیا با گروه‌هایی مانند مؤسسه فارادی که توسط دولت بریتانیا تأمین مالی می‌شود، برای توسعه باتری‌های بهتر همکاری می‌کند. او امیدوار است که در بخش‌هایی از صنعت هوافضا (مانند تاکسی‌های پرنده) در پنج تا ده سال آینده شاهد الکتریکی شدن باشیم و معتقد است که این نمایش‌های موفق باید تلاش‌ها برای هواپیماهای بزرگتر را تحریک کند.
در اندازه های مختلف هواپیماها، شیمی باتری‌های متفاوت قبل از اینکه نیاز به یک شیمی جدید باشد ،به سقف توانایی‌های خود خواهند رسید. او می‌گوید: “من به کربن‌زدایی این بخش در ۵۰ سال آینده خوشبین هستم. فکر نمی‌کنم این مشکلی برای قرن آینده باشد، بلکه چیزی است که باید به زودی اتفاق بیفتد.”
راه‌حل‌های بیشتر
- Alok Sharma ، وزیر بریتانیا گفت:” 196 کشوری که در اجلاس COP26 دو ماه پیش پیمان اقلیمی گلاسکو را امضا کردند، باید به وعده‌های خود عمل کنند. او از کشورها خواست ، همانطور که در گلاسکو تعهد کرده بودند، امسال برنامه‌های ملی اقلیمی خود را بازبینی و تقویت کنند .
- نیروی باد شناور در بریتانیا در حال رشد است. این فناوری در مرکز برنامه‌های بسیاری از شرکت‌های بزرگ انرژی برای مزارع بادی آینده در اسکاتلند قرار داشت که هفته گذشته اعلام شد. این هفته، دولت بریتانیا ۳۱.۶ میلیون پوند پشت این فناوری گذاشت، که در حال حاضر بسیار گران‌تر از توربین‌های بادی معمولی روی برج‌های فولادی است.
- در مورد نیروی باد، این حقیقت شگفت‌انگیز چطور است؟ چین سال گذشته به اندازه کل جهان در پنج سال گذشته ظرفیت جدید نیروی بادی فراساحلی نصب کرد، Simon Evans در وب‌سایت Carbon Brief می‌گوید: این حتی برای کشوری با ۱.۴ میلیارد جمعیت سریع است، اما قبل از اینکه خیلی هیجان‌زده شوید، فراموش نکنید که انتشار گازهای گلخانه‌ای چین نیز سال گذشته بیش از ۵ درصد افزایش یافت.
سپاسگزاریم که مشترک خبرنامه Fix the Planet هستید. اگر هنوز عضو نیستید، به شدت توصیه می‌کنم مشترک مجله New Scientist نیز بشوید: این کار باعث می‌شود این خبرنامه رایگان بماند و دنیایی از روزنامه‌نگاری علمی درخشان را برای شما باز کند.
