Gli aerei elettrici potrebbero sembrare futuristici, ma non sono così lontani, almeno per brevi salti.

I Velis Electros a due posti stanno già ronzando silenziosamente in giro per l'Europa, gli idrovolanti elettrici sono in fase di test nella Columbia Britannica e stanno arrivando aerei più grandi. Air Canada ha annunciato il 15 settembre 2022 che avrebbe acquistato 30 aerei regionali ibridi elettrici dalla svedese Heart Aerospace, che prevede di avere il suo aereo da 30 posti in servizio entro il 2028. Gli analisti del National Renewable Energy Lab degli Stati Uniti osservano che il il primo aereo per pendolari ibrido elettrico da 50 a 70 posti potrebbe essere pronto non molto tempo dopo. Negli anni '30, dicono, l'aviazione elettrica potrebbe davvero decollare.

Questo è importante per la gestione del cambiamento climatico. Circa il 3% delle emissioni globali proviene dall'aviazione oggi e, con l'aumento dei passeggeri e dei voli previsti con l'espansione della popolazione, entro il 2050 l'aviazione potrebbe produrre da tre a cinque volte più emissioni di anidride carbonica rispetto a prima della pandemia di COVID-19.

L'ingegnere aerospaziale e assistente professore Gökçin Çınar sviluppa concetti di aviazione sostenibile, inclusi aerei ibridi-elettrici e alternative al carburante a idrogeno, presso l'Università del Michigan. Le abbiamo chiesto quali sono i modi chiave per ridurre le emissioni dell'aviazione oggi e dove sono dirette tecnologie come l'elettrificazione e l'idrogeno.

Perché l'aviazione è così difficile da elettrificare?

Gli aerei sono alcuni dei veicoli più complessi in circolazione, ma il problema più grande per elettrizzarli è il peso della batteria.

Se provassi a elettrificare completamente un 737 con le batterie di oggi, dovresti eliminare tutti i passeggeri e il carico e riempire quello spazio di batterie solo per volare per meno di un'ora.

Il carburante degli aerei può contenere circa 50 volte più energia rispetto alle batterie per unità di massa. Quindi, puoi avere 1 libbra di carburante per aerei o 50 libbre di batterie. Per colmare questo divario, dobbiamo rendere le batterie agli ioni di litio più leggere o sviluppare nuove batterie che contengano più energia. Nuove batterie sono in fase di sviluppo, ma non sono ancora pronte per gli aerei.

Un'alternativa elettrica sono gli ibridi.

Anche se potremmo non essere in grado di elettrificare completamente un 737, possiamo ottenere alcuni vantaggi in termini di consumo di carburante dalle batterie dei jet più grandi utilizzando sistemi di propulsione ibrida. Stiamo cercando di farlo accadere a breve termine, con un obiettivo 2030-2035 per aerei regionali più piccoli. Meno carburante bruciato durante il volo, minori sono le emissioni di gas serra.

Come funziona l'aviazione ibrida per ridurre le emissioni?

Gli aerei elettrici ibridi sono simili alle auto elettriche ibride in quanto utilizzano una combinazione di batterie e carburanti per aviazione. Il problema è che nessun altro settore ha i limiti di peso che abbiamo noi nel settore aerospaziale.

Ecco perché dobbiamo essere molto intelligenti su come e quanto stiamo ibridando il sistema di propulsione.

L'uso delle batterie come servoassistenza durante il decollo e la salita sono opzioni molto promettenti. Il rullaggio sulla pista utilizzando solo energia elettrica potrebbe anche far risparmiare una quantità significativa di carburante e ridurre le emissioni locali negli aeroporti. C'è un punto debole tra il peso aggiunto della batteria e la quantità di elettricità che puoi utilizzare per ottenere vantaggi netti in termini di carburante. Questo problema di ottimizzazione è al centro della mia ricerca.

Gli ibridi consumerebbero comunque carburante durante il volo, ma potrebbe essere molto meno che affidarsi interamente al carburante degli aerei.

Vedo l'ibridazione come un'opzione a medio termine per i jet più grandi, ma una soluzione a breve termine per gli aerei regionali.

Per il periodo 2030-2035, ci concentriamo sui turboelica ibridi, tipicamente aerei regionali con 50-80 passeggeri o utilizzati per il trasporto merci. Questi ibridi potrebbero ridurre il consumo di carburante di circa il 10%.

Con gli ibridi elettrici, le compagnie aeree potrebbero anche utilizzare maggiormente gli aeroporti regionali, riducendo la congestione e il tempo che gli aerei più grandi trascorrono in idle sulla pista.

Cosa ti aspetti di vedere a breve termine dall'aviazione sostenibile?

A breve termine vedremo un maggiore utilizzo di combustibili aeronautici sostenibili, o SAF. Con i motori di oggi, puoi scaricare carburante per aviazione sostenibile nello stesso serbatoio e bruciarlo. Vengono già utilizzati combustibili a base di mais, semi oleosi, alghe e altri grassi.

I carburanti sostenibili per l'aviazione possono ridurre le emissioni nette di anidride carbonica di un aereo di circa l'80%, ma l'offerta è limitata e l'utilizzo di più biomassa per il carburante potrebbe competere con la produzione alimentare e portare alla deforestazione.

Una seconda opzione è l'utilizzo di carburanti sintetici sostenibili per l'aviazione, che comporta la cattura del carbonio dall'aria o altri processi industriali e la sua sintesi con l'idrogeno. Ma questo è un processo complesso e costoso e non ha ancora una scala di produzione elevata.

Le compagnie aeree possono anche ottimizzare le loro operazioni a breve termine, come la pianificazione del percorso per evitare di far volare aerei quasi vuoti. Ciò può anche ridurre le emissioni.

L'idrogeno è un'opzione per l'aviazione?

Il combustibile a idrogeno è in circolazione da molto tempo e quando è idrogeno verde, prodotto con acqua ed elettrolisi alimentati da energia rinnovabile, non produce anidride carbonica. Può anche contenere più energia per unità di massa rispetto alle batterie.

Esistono due modi per utilizzare l'idrogeno in un aeroplano:al posto del normale carburante per jet in un motore o combinato con l'ossigeno per alimentare le celle a combustibile a idrogeno, che quindi generano elettricità per alimentare l'aereo.

Il problema è il volume:il gas idrogeno occupa molto spazio. Ecco perché gli ingegneri stanno cercando metodi come mantenerlo molto fresco in modo che possa essere conservato come liquido fino a quando non viene bruciato come gas. Occupa ancora più spazio del carburante degli aerei e i serbatoi di stoccaggio sono pesanti, quindi come conservarlo, maneggiarlo o distribuirlo sugli aerei è ancora in fase di elaborazione.

Airbus sta effettuando molte ricerche sulla combustione dell'idrogeno utilizzando motori a turbina a gas modificati con una piattaforma A380 e mira ad avere una tecnologia matura entro il 2025. La compagnia aerea australiana Rex prevede di iniziare a testare un aeroplano elettrico a idrogeno da 34 posti per brevi viaggi nel prossimi anni.

A causa della varietà di opzioni, vedo l'idrogeno come una delle tecnologie chiave per un'aviazione sostenibile.

Queste tecnologie saranno in grado di soddisfare gli obiettivi dell'industria aeronautica per la riduzione delle emissioni?

Il problema con le emissioni dell'aviazione non sono i loro livelli attuali:è il timore che le loro emissioni aumenteranno rapidamente all'aumentare della domanda. Entro il 2050, potremmo vedere da tre a cinque volte più emissioni di anidride carbonica dall'aviazione rispetto a prima della pandemia.

L'Organizzazione per l'aviazione civile internazionale, un'agenzia delle Nazioni Unite, definisce generalmente gli obiettivi del settore, esaminando ciò che è fattibile e come l'aviazione può superare i limiti.

Il suo obiettivo a lungo termine è ridurre le emissioni nette di anidride carbonica del 50% entro il 2050 rispetto ai livelli del 2005. Per arrivarci sarà necessario un mix di diverse tecnologie e ottimizzazione. Non so se riusciremo a raggiungerlo entro il 2050, ma credo che dobbiamo fare tutto il possibile per rendere l'aviazione del futuro sostenibile dal punto di vista ambientale. + Esplora ulteriormente

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Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.