سبز خیلی سرد

برش‌هایی از مقالۀ مرکز پیشرانش دانشگاه کرنفیلد با عنوان:

Liquefied Natural Gas for Civil Aviation

با جهش ناگهانی قیمت نفت در دهۀ 80 میلادی، تلاش برای دستیابی به سوخت جایگزین بیش‌ازپیش حس می‌شد. شوروی با تجربیات مثبتی که از ساخت Tu-154 به‌دست آورده بود، درصدد بود تا بتواند هواپیمایی را در قالب بستر آزمایشی با سوخت مافوق‌سرد[1]‌ به‌پرواز درآورد. سوخت‌های مورد بحث، هیدروژن مایع (LH) و گاز طبیعی مایع (LNG) بودند. با درنظر گرفتن ملاحظات اقتصادی، توجه اصلی روی LNG بود. هواپیمای سه‌موتورۀ[2]­ Tu-155 (ارتقایافتۀ Tu-154) جزو اولین هواپیما‌هایی بود که در کلاس خود با سوخت پاک پرواز می‌کرد. در این هواپیما، موتور شمارۀ سه[3] آن با سوخت جایگزین و دو موتور دیگر آن با سوخت متعارف کار می‌کردند. این هواپیما در دوران فعالیت خود بیش از 100 پرواز آزمایشی را به ثمر رساند. با فروپاشی شوروی، این موضوع هم همچون دیگر طرح‌های هوافضایی روس‌ها به فراموشی سپرده شد.

اما چیزی که امروزه کاملاً واضح و مبرهن است آن است که استفاده از سوخت جایگزین، نه فقط به‌دلایل اقتصادی بلکه مهم‌تر از آن، در موضوعات زیست‌محیطی خلاصه می‌شود. مسئله‌ای که می‌خواهیم با بررسی بخش‌هایی از این مقاله گذر کوتاهی بر آن داشته ‌باشیم.

· مقدمه

دستیابی به اهداف بلندپروازانۀ چشم‌انداز حمل‌ونقل هوایی 2050[4]، بخش‌های مختلف این صنعت را به‌صورت جدی تحت تأثیر قرار داده‌است. توسعۀ روزافزون تکنولوژی در حوزۀ پیشران‌ها، ارائۀ طرح‌های مفهومی جدید در نوع سازه و پیکربندی بال و بدنه و ... شاخه‌های اصلی رسیدن به دستورالعمل‌های سخت‌گیرانۀ ترسیم شده در این چشم‌انداز می‌باشد. اما محور دیگری که می‌توان در آن میزان تأثیرگذاری را بیشتر مشاهده کرد، تفاوت در نوع سوخت‌های مصرفی متداول است. یکی از این سوخت‌های مورد بحث در زمینۀ کاهش فزایندۀ آلاینده‌ها که شاید چندان هم در حوزۀ هوایی شناخته‌شده نباشد، گاز طبیعی مایع یا همان LNG است. در این مقاله سعی شده‌است که موضوعات متعدد در خصوص استفاده از LNG در صنعت هوانوردی تجاری را به‌صورت اجمالی ارزیابی کند.

· آمار جهانی

­­­­­­­­­طبق گزارش‌های رسمی ATAG[5] ، سهم صنعت هوانوردی در تولید گازهای گلخانه‌ای نظیر CO2 حدود 2 درصد و سهم آن صرفاً در حوزۀ حمل‌ونقل حدود 12 درصد کل سرانۀ تولید این گاز در جهان است. با افزایش چشم‌گیر تقاضا برای سفرهای هوایی، بر اساس تخمین‌ها انتظار می‌رود که تا 10 سال آینده، میزان جابه‌جایی بیش از 1.4 برابر و تا سه دهۀ آینده به 3 برابر نرخ سفرهای امروزی برسد. شورای انجمن تحقیقاتی و نوآوری هوانوردی در اروپا (ACARE[6]) با ترسیم چشم‌انداز 2050، سیاست‌های بلندپروازانه‌ای را در مقابل مهار رشد آلاینده‌ها در دهه‌های آتی اتخاذ کرده‌است. طبق مفاد آن، در قیاس با یک هواپیمای تولیدشده در سال 2000، میزان تولید آلاینده‌های CO2 و NOX ­ به ترتیب 75% و 90% و آلودگی صوتی نیز حدود 60% می‌بایست کاهش یابد.

· مقایسه

دستیابی به این اعداد و ارقام، مستلزم تغییر در نوع سوخت است. هر سوخت جایگزین باید از نظر معیارهای متعددی چون قیمت، میزان و نوع آلایندگی، چگالی انرژی، شرایط احتراق، دسترسی، ایمنی و ... بررسی شود. LNG هم از نظر مسائل زیست‌محیطی و نیز معیارهای اقتصادی گزینۀ بسیار خوبی‌ست. یکی از مزایای مهم سوخت‌های مافوق‌سرد نظیر LNG، هیدروژن مایع و غیره این است که چگالی انرژی مخصوص[7]بالایی دارند؛ اما در مقابل، نسبت‌به دیگر سوخت‌های متعارف، چگالی انرژی حجمی[8]پایینی دارند. این بدان معناست که برای بهره‌گیری بهینه از این سوخت می‌بایست از مخازن سوخت و محفظه‌های نگهداری بزرگ‌تری استفاده شود. بدین ترتیب تفاوت در نوع ذخیره‌سازی باعث تغییرات سازه‌ای و در ادامه، مسائل آئرودینامیکی می‌شود که از این نظر نکته‌ای چالشی و حیاتی برای هوانوردی محسوب می‌شود. در جدول زیر می‌توان چگالی انرژی سوخت‌های متعارف و نیز پیشنهادی را از دو منظرVED و SED ارزیابی کرد:

· چالش‌ها

یکی از ابتدایی‌ترین موضوعات در پیاده‌سازی این سوخت، توجه به زیرساخت‌هاست. با توجه‌ به موارد مطرح شده، فرودگاه‌ها باید مخازن و ذخایر بزرگی برای ذخیر‌ه‌سازی این سوخت داشته‌ باشند. همچنین تأسیسات انتقال و تراکم‌سازی سوخت مطمئن و امنی‌ جهت تزریق در خطوط لوله باید مدنظر قرار بگیرد. با توجه به خصوصیات شیمیایی و نیز نقطه‌جوش بسیار پایین آن، ملاحظات ایمنی با دقت مضاعف باید انجام شود. به‌طوری‌که ممکن است تحت اثر تماس آن با آب در شرایط خاص، انفجار و آتش‌سوزی رخ دهد.

نکتۀ جالب توجهی که پیرامون این موضوع مطرح است، این است که چنانچه فرایند احتراق به‌خوبی رخ ندهد و یا اینکه به‌دلیل نشت آن، مقداری از این سوخت به بیرون درز کند، تأثیر زیست‌محیطی آن کاملا برعکس عمل می‌کند! سهم عمدۀ گاز طبیعی را متان تشکیل می‌دهد. متان یکی از مهم‌ترین گازهای گلخانه‌ای به‌شمار می‌رود که حتی تأثیر منفی آن بیشتر از کربن‌دی‌اکسید است. مقدار GWP[9] متان حدوداً 28-36 برابر کربن‌دی‌اکسید است. بنابراین چنانچه حتی 1 درصد از LNG در محفظۀ احتراق سوزانده نشود و یا تحت شرایطی نشت کند، این سوخت نه‌تنها سوخت پاک تلقی نشده، بلکه به‌عنوان آلایندۀ گاز گلخانه‌ای[10]رفتار خواهدکرد!

· سازه، پیشران و...

هواپیماهای متعارف امروزی[11] برای بهر‌ه‌گیری از این سوخت به ‌فضای بیشتری نیاز دارند تا بتوانند مخازن سوخت مافوق‌سرد را در خود جای دهند. در شکل تعدادی از طرح‌های پیشنهادی برای سازه‌های امروزی و دیگر سازه‌های نسل آینده به‌صورت شماتیک بررسی شده‌است. واضح است که هر یک از حالات، مباحث عملکردی، سازه‌ای، آئرودینامیکی و ... به‌خصوص خود را خواهند داشت.

البته همچون دیگر سوخت‌های فسیلی، وجود ترکیب‌های شیمیایی و ناخالصی‌ها در گاز طبیعی بسته به نوع ذخایر طبیعی آن، منطقه‌به‌منطقه متفاوت خواهد بود. عاملی که می‌تواند روی چگالی سوخت، ارزش گرمایی و نهایتاً در عملکرد پیشران پرنده نقش داشته ‌باشد.

هرچقدر نسبت هیدروژن به کربن بیشتر باشد، حین فرایند احتراق بخار آب بیشتری تولید خواهد شد. این نسبت در LNG برابر با 4 است. از این رو، نسبت تولید فراوردۀ بخار آب در آن نسبت به دیگر هیدروکربن‌ها بیشتر خواهد بود. نکتۀ جالب‌توجه اینجاست که بخار آب، خود از علل افزایش گرمایش جهانی است. با این حال به‌علت کاهش دوده و ترکیب‌های گوگرددار در فراورده‌های آن، ردپای هواپیما در آسمان(!) [12]حالت بهینه‌ای خواهد داشت.

· ارزیابی

عملکرد و رفتار پروازی پرنده با سوخت LNG روی یک فروند 737-800 در این مرکز مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌است. در حالت کلی، باتوجه به تغییرات سازه‌ای جهت دستیابی به شرایط بهینه، وزن سازه از نظر OWE[13] و MTOW[14] اندکی بیشتر از حالت معمولی است. همچنین کاهش نسبی در مسافت پروازی آن نسبت‌به شرایط متعارف دیده می‌شود. با این حال نتایج نشان می‌دهد که با وجود افزایش در مصرف سوخت، LNG توانسته است تا 15% در کاهش تولید آلایندۀ CO2 نقش داشته ‌باشد. این مزیت در کنار کاهش هزینۀ مصرف سوخت و انرژی به‌ازای هر مسافر، دلایلی هستند که روی توسعۀ مصرف این سوخت در صنعت هوانوردی تاکید دارند.

امیرعباس راحمی‌نژاد / ورودی 98 کارشناسی هوافضا

[1] Cryogenic fuel

[2] Trijet

[3] Starboard engine

[4] Flightpath 2050

[5] Air Transport Action Group

[6] Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe

[7] Specific Energy Density (SED)

[8] Volumetric Energy Density (VED)

[9] Global Warming Potential

[10] Greenhouse gas(GHG)

[11] Wing and Tube architecture

[12] Contrail

[13] Operating Weight Empty

[14] Maximum Take-Off Weight