Зеленое небо

Человеческая зависимость от полетов разрушает климат. Но захватывающая новая технология исправит это.

Сейчас в небе полмиллиона человек. На высоте 11 км, у основания стратосферы, эквивалент населения города привязан к сиденьям гигантских резервуаров с керосином. Это необыкновенно, но мысль о самолете вызывает беспокойство. По некоторым оценкам, авиация станет источником углекислого газа. Можно переключиться на поставщика зеленой энергии, поменять автомобиль на велосипед и перестать есть мясо. Но если отправиться к средиземному морю, не нарушая углеродный бюджет, дорога окажется долгой. Люди зависимы от полетов. Немногие добровольно откажутся от свободы и возможностей, которые предоставляет авиация. Так есть ли способ удерживать людей в небе, не разрушая планету?

Проблема – постоянно растущее число людей. Билет на самолет в 2017 году стоил на 60% дешевле, чем в 1995 году. Это привело к ежегодному 5% росту числа пассажиров. В гражданских авиалайнерах ежегодно реализуется 4 млрд. пассажирских мест. К 2036 году эта цифра увеличится до 7,8 млрд. Это означает, что через 20 лет ежегодное число пассажиров будет на порядок выше, чем население Земли.

В то же время увеличатся выбросы авиацией парниковых газов, таких как углекислый газ и оксиды азота. На полеты приходится 2% антропогенных выбросов CO2. К 2050 году этот показатель составит 10%. Если другие источники загрязнения, такие, как автомобильный транспорт, сократят выбросы, то это составит 20%, что представляется вероятным по мере установки странами предельных сроков, предусматривающих переход на электромобили.

Решение проблем в авиации – критически важная задача в борьбе с глобальным потеплением. Тем не менее, в отличие от автомобильного транспорта, международная авиация избежала «укуса» экологических соглашений, таких как парижское соглашение ООН. Внутренние рейсы охватываются Киотским протоколом, но представляют собой незначительную долю выбросов. Однако, международные рейсы пересекают границы, что затрудняет согласование того, кто несет ответственность за сокращение выбросов.

Соглашение было достигнуто в 2016 году, когда международная организация гражданской авиации ООН выступила посредником в первой глобальной сделке по ограничению выбросов. Стержень – схема компенсации и сокращения выбросов углерода для международной авиации (CORSAIR). Это направлено на сохранение статичности чистых выбросов отрасли после 2020 года. От авиакомпаний требуется покупать углеродные кредиты, которые оплачивают меры по сокращению количества CO2 в атмосфере, такие как посадка деревьев.

72 страны подписались на добровольную схему, то есть она покрывает 75% выбросов CO2 международной авиации. Но это недостаточно радикально. Китай, где ожидается рост числа пассажиров, не подписался на схему, а европейский союз в прошлом месяце формально возражал против этой схемы. Сделка также позволяет авиакомпаниям эмитировать столько, сколько им нужно, если они компенсируют это финансовыми инструментами. Но это не стимулирует инновации в сокращении выбросов в авиационной системе в целом. Итак, какие практические меры эффективны?

Полеты по прямым линиям

Способ сокращения выбросов – полет самолетов по прямым линиям. Воздушное движение проходит по воздушным коридорам, которые зигзагообразно входят и выходят из воздушного пространства стран в нескольких фиксированных точках. Это наследие прошлых десятилетий, когда самолеты летали от точки маршрута к точке маршрута, чтобы оставаться в пределах радиолокационного диапазона.

Полетные коридоры постепенно сметаются новым подходом, называемым свободным маршрутным воздушным пространством, который обеспечивается GPS и постоянным спутниковым слежением за самолетами. Каждый рейс заранее публикует запланированный маршрут, а авиадиспетчеры следят за движением, чтобы избежать столкновений самолетов. Увеличение маршрутного выбора снижает плотность самолетов, что означает меньший шум в коридорах полетов и низкий риск аварий.

Такой подход уже закрепился в Европе и США. Евроконтроль, межправительственная организация, разрабатывающая программу «Единое европейское небо», заявляет, что большинство стран будут эксплуатировать эту программу к концу 2019 года. Федеральное авиационное управление США (FAA) работает над аналогичным набором, который называется «Система воздушного транспорта следующего поколения». Это будет частью комплекса мер, которые ограничат выбросы после 2020 года.

Сколько углерода сэкономят прямые полеты? Расчеты Eurocontrol предполагают, что свободное маршрутное воздушное пространство предотвратит выброс 150 000 тонн CO2 в год в Европе. Это маленький кусочек мировой авиационной эмиссии, которая в 2017 году составила 859 млн. тонн.

Беспилотные самолеты станут легче и будут находиться в воздухе с уменьшенной подъемной силой, обеспечиваемой разреженным воздухом. Поскольку этот воздух обеспечивает меньшее сопротивление, высокие крейсерские высоты также эффективны, поэтому авиалайнеры будут дрейфовать вверху во время полета, а не подниматься ступеньками. Такие подъемы сэкономят самолетам 10% топлива.

Курсирующие коммерческие рейсы поднимаются по ступеням, как указано управлением воздушным движением. Но плавные подъемы более экономичные.

Если сделать коридоры полетов в Европе более прямыми, можно было бы сэкономить 150 тыс. тонн CO2 в год, но глобальные выбросы от авиации в 2017 году составили 859 млн. тонн, поэтому план сократит выбросы только на 0,02%.

Плавные траектории полета сократят количество углерода, но можно сэкономить больше, если самолеты будут прорезать воздух более эффективно. Двигатели Airbus A350 производят на 15% меньше CO2 при той же тяге, что и Airbus A330, выпущенный в 2000 году. Эта тенденция сохраняется: за последнее десятилетие инновации повышали эффективность самолетов на 1% каждый год.

Предоставление самолетам более длинных крыльев увеличит подъемную силу и уменьшит количество топлива, которое им нужно, чтобы оставаться в воздухе. У будущего самолета Boeing 777X есть крылья, которые настолько длинные, что не помещаются в стандартные ворота аэропорта, но их кончики будут складываться, чтобы обойти это препятствие.

Но подобные нововведения мало что значат, если сравнить экономию 1% в год с ожидаемым ежегодным ростом пассажиропотока на 5%. Кроме того, многие авиалайнеры эксплуатируются десятилетиями, поэтому инновации в области экономии топлива не используются сразу. Необходимо нечто радикальное и неотложное.

Возвращение к пропеллерным самолетам – еще одно решение. У них высокая экономия топлива. Самолеты, такие как канадский Bombardier Q400 – рабочие лошадки для коротких полетов, но они – медленные. Снижение скорости влияет на сжигание меньшего количества топлива, но продление времени в пути, особенно на дальних рейсах, не приветствуется.

Углеродно-нейтральное топливо

Заставить самолеты использовать меньше топлива невозможно, но материал, который они сжигают, может быть более зеленым. Большинство самолетов работают на Jet A, что представляет собой керосин – химическое вещество, полученное из нефти и состоящее из углерода и водорода. Но можно сделать материал, используя углерод из более зеленых источников.

Керосин из масла содержит ряд низкоуровневых примесей, которые способствуют работе двигателей, например, путем набухания резиновых уплотнений.

В 2008 году Мелкерт начал тестировать, будет ли синтетическое топливо, содержащее меньше примесей, безопасным. Вскоре после этого он полетел на испытательном самолете с топливом, изготовленным из 95% синтетического керосина. Это топливо синтезируется из природного газа, но синтетический керосин из любого источника безопасен. Это побудило компанию ASTM International, устанавливающую стандарты для реактивного топлива, принять решение о том, что смеси, содержащие до 50% синтетического керосина, могут использоваться на рейсах. Это заставило авиационную отрасль разрабатывать синтетический керосин из сельскохозяйственных культур.

Увеличение полетов

Воздушных пассажиров становится больше, и рост может ускориться в зависимости от политики в ближайшие десятилетия. Биотопливо сократит выбросы, и некоторые рейсы широко рекламируются, чтобы донести информацию. В сентябре 2018 года, из Мобила, штата Алабама, в авиакомпанию JetBlue в Нью-Йорке доставили Airbus A320 с 15% смесью биотоплива. Но общее влияние было скромным. 143 тыс. пассажирских рейсов использовали смеси биотоплива за последнее десятилетие – не так много по сравнению с 39 млн. регулярных рейсов в 2018 году. Даже при широком использовании биотоплива существует обеспокоенность по поводу последствий выращивания сырья. Сместит ли это продовольственные культуры? И сколько углерода выделяется, генерируя энергию, используемую для превращения сельскохозяйственных культур в топливо? У Boeing есть ряд проектов, в которых исследуются лучшие источники биотоплива, в том числе отходы лесного хозяйства в Канаде, табак без никотина в Южной Африке и орошаемые растения с морской водой в ОАЭ. Все они производят небольшое количество топлива.

Лучше сделать синтетическое топливо, используя углерод, высосанный из воздуха, чтобы при его сжигании не выделялся чистый углерод. Впервые это было продемонстрировано компанией Air Fuel Synthesis в 2014 году. В июне 2018 года канадская фирма Carbon Engineering показала, что ее стоимость удаления 1 т CO2 из атмосферы снизилась до 94–232 долл. США. Это на треть дешевле, чем предыдущие оценки. Но задача состоит в том, чтобы выделять меньше углерода для производства топлива, чем экономить, избегая керосина, получаемого из масла. И это сложно. Что характерно, синтез авиатоплива спокойно сложился в 2016 году.

Электрические самолеты

В июне прошлого года министр транспорта Норвегии уселся в маленький белый самолет рядом с генеральным директором Avinor, государственной компании, которая управляет аэропортами страны. Они взмыли в воздух, подхваченные ветром, и сделали несколько кругов вокруг аэропорта Осло. Трюк подчеркнул обещание Норвегии, что к 2040 году внутренние рейсы будут электрическими.

Электрификация самолетов повлияет на выбросы. Если самолеты эксплуатировать на батареях, заряженных электричеством из возобновляемых источников, полет может быть углеродно-нейтральным.

Однако, самолет, летевший в Норвегию, был двухместным. Никому еще не удалось запитать авиалайнер электричеством, хотя некоторые пытаются. Амбициозная схема – проект E-Fan X от Airbus. Компания работает с производителем электромоторов Siemens и Rolls-Royce над преобразованием четырехмоторного реактивного самолета в гибридно-электрический самолет, в котором один двигатель заменяется электрическим вентилятором. Двигатель будет заряжать батареи, запускающие электродвигатель. В 2020 году планируется испытательный полет.

Boeing к 2022 году инвестирует в Zunum Aero, стартап, нацеленный на создание гибридного самолета на 50 мест. Самолет будет сжигать половину топлива стандартного самолета аналогичного размера. Но такие самолеты будут иметь скудные диапазоны при использовании современных аккумуляторных технологий. Zunum рассчитывает, что самолеты пройдут 1100 км на одной зарядке.

Электрические самолеты изменят путешествия. Они будут зелеными, дешевыми и тихими, и в долгосрочной перспективе заменят пригородные поезда, которые считаются зелеными.

Немецкая фирма Volocopter занимается разработкой электрического самолета вертикального взлета и посадки (СВВП), кабина которого подвешена под кольцом из нескольких роторов. Фирма планирует испытательный полет двухместной машины в Сингапуре в этом году. ЕС начал консультации по стандартам, необходимым для сертификации eVTOL, а НАСА и FAA разрабатывают аналогичные правила.

До пассажирских самолетов без керосина далеко, за исключением технологического прорыва. Пол Петерс, бывший авиационный инженер, исследующий устойчивый транспорт в университете Бреды в Нидерландах, проанализировал требования к аккумулятору 60-местного электрического самолета. «Батарея с литиевой технологией должна быть больше самолета», – говорит Питерс. Решение состоит в том, чтобы найти способ ограничения количества рейсов, например, с помощью международного соглашения, которое выходит далеко за рамки того, что до сих пор заключала при посредничестве ООН. Нельзя рассчитывать на эти меры. Уже слишком поздно.