Van-e jövője a napelemes repülésnek?

Néhány órával ezelőtt befejezte transzamerikai útját a világ első tisztán napenergiával működő repülőgépe, a Solar Impulse. Az 1600 kilogrammos repülő szárnyfesztávolsága 63 méter, vagyis széltében akkora, mint egy Boeing 747-es, ez utóbbival ellentétben azonban mindössze egyetlen utas, a pilóta befogadására alkalmas. 

Van-e jövője a napelemes repülésnek?

1. oldal

Néhány órával ezelőtt befejezte transzamerikai útját a világ első tisztán napenergiával működő repülőgépe, a Solar Impulse. A svájci-belga gyártású gép május 3-án kezdte meg az észak-amerikai kontinens átszelését, amikor San Franciscóból felszállva Phoenixbe repült. A repülő elviekben ugyan képes lett volna egyben is megtenni a nagyjából ötezer kilométeres távolságot, de korlátozott csúcssebessége miatt ehhez több napra lett volna szükség, így a pilótákra való tekintettel, illetve biztonsági okokból öt szakaszra osztották a teljes utat. A gép Phoenix után Dallasban, St. Louisban, Cincinnatiben, illetve Washingtonban tartott pihenőt.

Az utolsó szakaszt 18 óra alatt teljesítette a napelemes repülő, amely keleti parti idő szerint szombaton este 11 után (magyar idő szerint vasárnap hajnali ötkor) szállt le a New York-i John F. Kennedy Nemzetközi Repülőtéren. Az útszakaszon André Borschberg irányította a gépet, aki szintén svájci nemzetiségű pilótatársával, Bertrand Piccard „világutazóval” együtt a vállalkozás társalapítója. A projekt 2003-ban indult a svájci EPFL támogatásával, az ötletgazda Piccard volt, aki ezt megelőzően arról vált híressé, hogy 1999-ben elsőként repülte körbe a Földet egy hőlégballon fedélzetén. A fejlesztésben a svájci felvonógyártó Schindler mérnökei, valamint a belga Solvay kutatói is segédkeztek.

A Solar Impulse először 2009 decemberében emelkedett a levegőbe, majd 2010 júliusában 26 órányi egyhuzamban való repüléssel megdöntötte az emberi pilóta (Borschberg) által irányított napelemes repülés időbeli világrekordját. Később Piccard vezetésével egy új magassági rekordot is felállított a gép, ugyanis 9235 méterre emelkedett. 2012 nyarán aztán sikerrel zárult az első interkontinentális út: a Piccard vezette Solar Impulse Madridból a marokkói Rabatba repült, 19 óra alatt 1116 kilométert téve meg (ezzel a napelemes repülés távolsági rekordere lett).

2013 tavaszán aztán megkezdődött a megszakításokkal összesen két hónapig tartó transzamerikai út, amelyet Piccard tervei szerint egy-két éven belül egy (szintén szakaszosan végrehajtott) földkörüli repülés követhet. A Solar Impulse tehát minden kétséget kizárva igazolta, hogy lehetséges tisztán napenergiával éjjel-nappal működni képes repülőt alkotni, de felmerülhet a kérdés, hogy mire lesz ez jó. Milyen jövője lehet a napelemes repülésnek?

A Solar Impulse szárnyfesztávolsága 63 méter, így szélességére nagyjából akkora, mint egy Boeing 747-es gépé, tömege azonban az akkumulátorokkal együtt is csak 1600 kilogramm. A szárnyakon majdnem 12 ezer szilíciumcellát helyeztek el, ezek gyűjtik össze az energiát a négy, 7,5 kW-os villanymotor működtetéséhez, a többletenergia pedig az összesen 400 kilogrammot kitevő, lítium-polimer akkumulátorok felé irányítódik. Ideális esetben a nap folyamán elegendő energia gyűlik össze a motorok éjszakai meghajtására, így a gép elviekben korlátlan ideig bírja leszállás nélkül.

A gép szárnyain körülbelül 200 négyzetméternyi napelem található. Felhőtlen időben az éjszaka sötét óráit is beleszámítva átlagosan 250 Watt értékű napsugárzással számolhatunk a felszín egy négyzetméterén, vagyis ideális esetben ekkora mértékű sugárzást alakítható át elektromos energiává. Jelenleg a kereskedelmi forgalomban kapható legjobb napelemek hatásfoka 20 százalék körüli, és további veszteségekkel kell számolni az akkumulátorokban, illetve a villanymotorokban is. A Solar Impulse a tervezők állítása szerint a beérkező napenergia 12 százalékát képes ténylegesen repülésre fordítani, vagyis nagyjából 6000 watt hasznos teljesítményről beszélhetünk.

A következő kérdés, hogy mire elég mindez. Egy repülőgép esetében a levegőben maradáshoz szükséges energia mennyisége alapvetően két dologtól függ: a gép tömegétől, és aerodinaimkai kialakításától, vagyis attól, hogy mennyire képes siklani. Minél nagyobb egy gép tömege, annál erősebb a legyőzendő gravitációs erőhatás, így egy nehezebb gép levegőben tartásához több energiára van szükség. A repülőgép szárnyának alakja és pozíciója úgy van kialakítva, hogy a szárny fölött a levegő gyorsabban halad, így alacsonyabb nyomású, mint a szárny alatti levegő. Ennek a nyomáskülönbségnek az eredménye az a felhajtóerő, amelynek a gravitáció ellen kell hatnia. Ha nagyobb a gép tömege, nagyobb lesz a súlya is, ezért gyorsabban kell haladnia a szükséges felhajtóerő megteremtéséhez.

A tömeg azonban nem minden, gépünk formájának is nagy jelentősége van abban, hogy mennyi energiát fogyaszt repülés közben. Egy gondosan meghajtogatott papírrepülő eldobva sokkal messzebbre jut, és tovább marad a levegőben, mintha ugyanazt a papírlapot szimplán összegyűrnénk és elhajítanánk. Aerodinamikai kialakításának köszönhetően, ha egy Boeingből kifogy az üzemanyag, az nem egyszerűen lepottyan, mint egy eldobott kődarab, hanem csökkenő magasságú pályán siklani kezd, így a pilótának elviekben lehet némi reménye az épségben való landolásra.

2. oldal

A siklás képességének számszerűsített értékét az úgynevezett siklószám adja meg, amelyből megtudhatjuk, hogy az adott gép esetében motor vagy hajtómű használata nélkül mennyi a megtett út és az elveszített magasság hányadosa. A Boeing 474 siklószáma 12, vagyis siklás közben 120 méter megtétele alatt 10 métert süllyed. Hogy az élővilágból is lássunk pár releváns számot: a légakrobata hírében álló albatrosz siklószáma 20, a jóval kevésbé elegáns repülőnek számító papagájé viszont csak 4.

Minél nagyobb egy gép (vagy madár) siklószámának értéke, annál energiatakarékosabban képes repülni, mivel az aerodinamikailag kedvezően kialakított formák esetében kisebb energiabefektetéssel lehet elérni a megfelelő mértékű felhajtóerőt, és kisebb lesz a légellenállás is, ami a szükséges sebesség elérése és megtartása ellen dolgozik. Ahogy az albatrosz és a papagáj esetéből is kiderül, a siklószám növelésének egyik legegyszerűbb módja a szárny fesztávolságának növelése.

A tömeg és a siklószám hányadosából megkaphatjuk, hogy egységnyi távolság megtételéhez mennyi energiára lesz szüksége repülőgépünknek. Ha igazán kevés energiával akarunk működtetni egy gépet, nagyon könnyűre kell építenünk, és olyan formát kell kialakítanunk, amelynek nagy a siklószáma. A Solar Impulse tervezői pontosan ezt tették: gépük rendkívül kis tömegű, szárnyai pedig ehhez képest óriásiak. A napelemes repülő tömege 1600 kilogramm, siklószáma pedig 40, tehát sokkal jobban siklik, mint az albatrosz.

A repülésre fordítandó teljesítmény kiszámításához szükségünk lesz a gép sebességére is. A Solar Impulse eddigi leghosszabb, 26 órás útján 42 km/órás átlagsebességgel haladt, vagyis majdnem 12 m/szekundummal. Ennek alapján a gép repüléséhez 4700 wattra van szükség, vagyis a villanymotorokból kinyert 6000 watt bőven elegendő ahhoz, hogy a gép éjjel-nappal repülni tudjon. A számítások során persze rengeteg faktor maradt figyelmen kívül, nem foglalkoztunk a kedvező hátszelekkel, amelyek csökkenthetik a fogyasztást, illetve a kedvezőtlen időjárási viszonyok közti manőverezés, illetve a fel- és leszállás energiaigényesebb momentumai is kimaradtak a képletből. 6000 wattnak azonban még 25 százalékos hibahatárral számolva is elegendőnek kell lennie a szakadatlan működtetéshez.

A Solar Impulse jelenlegi formájában tehát „papíron” is működőképes, továbbra is kérdéses azonban, hogy mit jelent ez hosszú távon. Avagy: lesznek-e valaha napelemes utasszállítók? Ahogy az előzőekben láttuk a Solar Impulse működőképessége nagy százaléka alacsony tömegének köszönhető. Egy 64 méteres szárnyfesztávolságú Boeing 747 tömege üresen 180 tonna, maximálisan megpakolva 400 tonna, ekkora súly levegőben tartása pusztán napelemek révén pedig megoldhatatlan feladat. Még ha a közeli jövőben óriási mértékben megugrana a napcellák hatásfoka, akkor is több mint százszoros (utasokkal és csomagokkal kétszázszoros) tömegről beszélünk, amelynek reptetése olyan óriási napelemfelületet és szárnyakat igényelne, ezeket viszont egyszerűen nem tudnánk kellően könnyűre építeni a rendelkezésünkre álló anyagokból.

A napelemes repülés jövőjének másik nagy problémája a sebesség kérdése. Minél könnyebb egy repülő, és minél nagyobb szárnyainak fesztávolsága, annál alacsonyabb az a sebesség, amely mellett a legkisebb energiafogyasztással képes repülni. Így aztán a Solar Impulse-hoz hasonló kialakítású gépek optimális sebessége mindig sokkal lassabb lesz, mint egy mai utasszállító sebessége. Ismét visszatérve alappéldánkhoz, a Boeing 747-400 utazási sebessége 913 km/h. Ahhoz, hogy a Solar Impulse ugyanezt a sebességet megközelítse (amennyiben ez nem lenne fizikai képtelenség) több mint 20-szor akkora hasznos teljesítményre lenne szüksége, mint amennyit jelenleg villanymotoraitól kap, amihez viszont még sokkal jobb napelemekkel számolva is jóval nagyobb lefedett felület, azaz nagyobb szárnyak kellenének, ami viszont még inkább csökkentené az optimális sebességet, így még több energia kéne ennek megnöveléséhez.

Végül pedig szót kell ejteni a hatótávolság kérdéséről is. Ez azt a távolságot jelenti, amennyit a gép tankolás nélkül képes megtenni. Első pillantásra talán azt hihetnénk, hogy minél nagyobb egy gép, annál nagyobb lesz a hatótávolsága is, hiszen több üzemanyagot tud magával vinni, a valóságban azonban nem ennyire egyszerű a helyzet, a nagyobb tömegű gépek ugyanis gyorsabban használják el üzemanyagukat. A hatótávolság két adattól függ: a siklószámtól, illetve az üzemanyag energiasűrűségétől. A kőolajszármazékok energiasűrűsége napjainkban még több mint 25-szöröse a legjobb akkumulátorokénak. Ezért van az, hogy egy Boeing 747 hatótávolsága meghaladhatja a 13 ezer kilométert, ugyanakkor a napelemes repülő akkumulátorról működve egy menetben még háromszor jobb siklószámával együtt is maximum csak 1700 kilométert képes megtenni, vagyis ennyit repülhet összesen egy éjszaka alatt.

Mindezen adatok ismeretében elmondhatjuk, hogy a napelemes gépek a közeljövőben biztosan nem fognak betörni a kereskedelemi repülés piacára. Ehhez sokkal jobb napelemekre, akkumulátorokra és alapanyagokra lenne szükség, és még ezek megléte esetén is erősen kérdéses, hogy lehet-e olyan napenergiával hajtott gépet építeni, amely több száz utas vagy nagyobb terhek befogadására alkalmas. A Solar Impulse gyakorlatilag megtestesíti mindazt, ami a jelenlegi technológiai viszonyok mellett egy napelemes gépből kihozható, és mint ilyen, elképesztő mérnöki teljesítmény, amely utat mutat arra vonatkozóan, hogy milyen területeken kell fejlődni ahhoz, hogy általánosságban jobb repülőket építsünk.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward