Ekologija v letalstvu

Bolj tihi ali z manj plini?

Spoštovani potniki, dobrodošli na letu Adrie Airways v Oslo. Vzleteli bomo čez nekaj minut, do tedaj pa uživajte v tišini. Letalski motorji so namreč še ugasnjeni, ker nas na prag vzletno-pristajalne steze vleče posebno vozilo. Na ta način bomo vsako minuto prihranili 50 kg goriva. Prav tako vas vabim, da si med kontinuiranim pristankom (CDA) v Oslu ogledate okolico. Nova pristajalna procedura CDA namreč omogoča enakomerni kot pristajanja (3°), kar pomeni, da motorji delujejo z manjšo močjo in na ta način prihranimo še nekaj goriva. Tako bi piloti lahko v bodoče nagovarjali potnike in narava bi jim bila hvaležna.

boeing888.jpg






















Letalska panoga po padcu v letu 2001 beleži strmo rast. V svetovnem merilu potniški promet narašča 5%, tovorni pa 6,1 % letno. Za gospodarstvo je to dober podatek, mnogo manj pa za naravovarstvenike in ljudi, ki jim je mar za naravo. Letalska panoga je z 2-3% namreč drugi največji proizvajalec toplogrednih plinov, kot so CO2 in NOx-i. Niso pa samo toplogredni dc_6_6.jpgplini tisti, ki motijo naravovarstvenike tu je še hrup, ki ga povzročajo letala in letalski motorji. Hvalabogu pa se vsaj navidezno politiki začenjajo zavedati pomembnosti okolja, v katerem živimo, in na katerega lahko s svojimi političnimi odločitvami močno vplivajo. Seveda pa ni dovolj, da se trudi le nekdo, medtem, ko se drugi še naprej požvižgajo na okolje. Tu mislim predvsem Združene države Amerike, ki se še vedno otepajo podpisa Kjotskega protokola in ostajajo med največjimi onesnaževalci na svetu. Politika tako s predpisi in uredbami sili letalske družbe, ti pa naprej proizvajalce letal in letalskih motorjev, k izdelavi še bolj varčnih, še bolj tihih in še bolj ekonomičnih motorjev in letal. Industrija se je že odzvala!

Kljub tehnološkemu napredku pa bo vpliv letal na okolje ostal skoraj nespremenjen (po nekaterih ocenah bo dosegel celo več kot 3%), saj se bo v prihodnjih 20 letih letalska flota podvojila. Proizvajalci motorjev pa se sprašujejo tudi, kaj bo čez desetletje bolj pomemebno, kdo bo prevldal? Tisti, ki želijo manj toplogrednih plinov ali tisti, ki želijo manj hrupa. Od tega je namreč odvisna tudi smer razvoja motorjev, ki je zelo draga.

Izpusti iz letalskih motorjev vključujejo naslednje pline in delce: CO2 (ogljikov dioksid), H2O (voda), CO (ogljikov monoksid), NOx (dušikovi oksidi), SO2 (žveplov dioksid), saje in nezgorele delce kerozina. CO2 je problematičen zaradi velikih količin in zaradi dolgega obstojnega časa v stratosferi (100 let). NOx ima dva učinka. Pod vplivom sonca nastaja ozon O3, hkrati pa zmanjšuje količino metana, ki je pravtako toplogredni plin. Skupni učinek je še vedno negativen za okolje. Vodna para sicer hitro razpade, a vse eno se lahko kondenzacijske sledi za letalom spremenijo v ciruse, ki imajo bojda (še ni dokazano) toplogredni učinek. Sulfati in saje imajo manjši učinek. Saje absorbirajo toploto in imajo zato toplogredni učinek medem, ko sulfati odbijajo sončevo sevanje in imajo ohlajevalni učinek.

V tem članku se bomo dotaknili štirih najpomembnejših dejavnikov v zmanjševanju vpliva letalskega prometa na okolje.

Pravna podlaga
S Kjotskim protokolom so prvič opozorili na veliko nevarnost ogrevanja ozračja in naredili tudi prve korake k preprečitvi nadaljnega poslabšanja. Kjotski protokol je mednarodni sporazum, ki skuša zmanjšati emisije ogljikovega dioksida in petih ostalih toplogrednih plinov. Sprejelo ga je 141 držav sveta, da bi zaustavile segrevanje ozračja, med zadnjimi Avstralija. Protokol je začel veljati 16. februarja 2005 in predvideva ohranjanje vrednosti vseh izpustov na enakem nivoju na kakršnem so bili leta 1990. To pomeni, da se bo izpust teh plinov zaradi upoštevanja Kjotskega protokola do leta 2012 realno zmanjšal za 29%.

cfm56-5b_virsnecma.jpgLeta 2004 je letni izpust CO2 znašal 27.245,758 milijonov ton. Letala pa so v zrak spustila dobrih 600 milijonov ton CO2.

Na koncu januarja je Evropska komisija in skupina 86 aeronavtičnih družb in raziskovalnih organizacij iz 16 držav pristopila k programu Clean Sky. Gre za sedem letni program EU v okviru Sedmega okvirnega programa (7th Framework program-FP7) v vrednosti 1,6 milijarde evrov, ki bo pripomogel k razvoju naprednih tehnologij, ki bodo uporabljene pri konstruiranju letal, helikopterjev in letalskih motorjev. Program predvideva zmanjšanje izpustov CO2 za 40%, NOx za 60% in hrupa za 50%. ZDA na drugi strani se dokaj brezbrižno obnašajo do okolja, a kljub temu so proizvajalci letal in motorjev zaradi konkurence, ki prihaja iz Evrope prisiljeni spoštovati in upoštevati tudi regulative, ki se jih sicer naposredno ne tičejo. Tako so pri General Electricu leta 2005 ustanovili iniciativo Ecomagination, ki bo za raziskave čistejših tehnologij do leta 2010 namenila 1,5 milijarde dolarjev. Ta primer na srečo ni osamljen, v Evropi nove tehnologije in goriva razvijajo tudi pri Airbusu in Shellu. Airbus je v zečetku februarja opravil prvi polet s potniškim letalom A380, ki je za pogonsko gorivo enega od štirih motorjev uporabljalo sintetično gorivo pridobljeno iz plina (Gas to liquid – GTL). Cilj programa je ugotoviti vpliv sintetičnega goriva na okolje in na trg nasploh. Program alternativnih goriv je prvi korak v dolgoročni fazi testiranj uporabnosti in primernosti alternativnih goriv v komercialnem letalstvu. GTL ima dobre karakteristike in nizek nivo emisij. Emisije skoraj ne vsebujejo žvepla pridobivajo pa ga lahko iz naravnega plina ali organskih snovi po Fischer-Tropschovem postopku.

V svetu najbolj znan lokalni boj proti hrupu je sprožila vlada VB. Za zmanjšanje hrupa v okolici londonskih letališč so razvili sistem QC (quota count). Letala kategorizirajo glede na povzročen hrup med pristankom in vzletom. čŒe naprimer pristanek B747-400 podnevi šteje eno točko je to število med 23:30 in 06:00 kar štiri točke. Vsako letališče ima natančno število točk, ki jih lahko doseže v nočnem terminu.

Poleg nacionalnih regulatorjev pa za okoljske predpise skrbijo tudi mednarodne inštitucije. ICAO je tako predpisala kar nekaj standardov, ki zadevajo emisije in hrup med drugimi CAEP4 standard in STAGE4.

Za zmanjšanje negativnega vpliva na okolje je Mednarodna organizacija za standardizacijo (ISO) uvedla tudi standard ISO 14001. Ta sicer na zadeva neposredno letalske panoge, ampak vso proizvodnjo. Spodbuja k identifikaciji in kontroli vpliva njihove proizvodnje in izdelkov na okolje. Hkrati jih vzpodbuja k izboljšanju proizvodnih procesov in izdelkov ter njihovi implementaciji v praksi, kar naj bi tudi javno predstavili.

Trgovanje z emisijami v letalstvu
trent900_virairbus.jpgEvropska komisija je po dolgoletnih analizah, v sodelovanju z letalsko industrijo, raziskovalnimi in pravnimi inštitucijami prišla do zaključka, da je potrebno emisije letal vključiti v Evropsko trgovalno shemo. Z njimi se strinja tudi ICAO in Svet ministrov EU ter Evropski parlament, ki je tudi zakonodajno telo EU. Evropska trgovalna shema (ETS), ki je v veljavi od 1. Januarja 2005 danes zajema okrog 10.000 industrijskih družb, ki proizvedejo polovico CO2 v Evropi. Višino dovoljenih emisij bodo letalskim družbam predpisali na podlagi povprečnih izpustov v letih 2004-2006. Trgovanje pa bo potekalo po enakem principu za vse zavezance – kdor ima viška kuponov, jih lahko proda, kdor ima premalo kuponov jih lahko kupi ali zmanjša izpust (posodobi floto ali zmanjša število letov). Trgovanje z emisijami bo v letalstvo uvedeno v dveh korakih. V prvem koraku, od začetka leta 2011, bodo ETS podvrženi vsi leti znotraj EU. V drugem koraku, od začetka leta 2012 pa bodo ETS podvrženi vsi leti, ki se bodo začeli ali končali v EU. Evropska komisija želi na ta način in z podporo ICAO njen model razširiti na cel svet. ETS ne bo veljala za športna letala, vladna, vojaška, carinska, SAR, raziskovalna in šolska plovila. Raziskave kažejo, da bodo zaradi ETS letala na leto v ozračje spustila 183 milijonov ton manj CO2. Letalske karte naj bi se zaradi ETS podražile za 1,8-9 evrov.
Pravnih regulativ je še veliko, vsem pa je skupen cilj skrb za okolje.

Letalski motorji
Prav proizvajalci letalskih motorjev so pod največjimi pritiski. Z ene strani zakonskih predpisov in z druge strani letalskih družb, ki želijo čimbolj ekonomične in zanesljive motorje. Razvoj letalskih motorjev se danes vrti okrog dveh konceptov. Oba sta sicer stara vendar zaradi nizkih cen goriva in nezadostno razvitih tehnologiji nista nikol bila množično uporabljena v praksi. Prvi je turboventilatorski motor z reduktorjem (geard turbofan) in drugi propelrskoventilatorski motor (ultra-high bypass propfan).

Prihajajo tudi nove tehnologije, ki bodo omogočale izdelavo motorskih komponent na hitrejši in inovativen način. Za primerjavo, motor GEnx, ki je naslednih CF6 ima 30% daljšo življensko dobo in 30% manj sestanvih delov. Proizvajalci veliko pozornost posvečajo tudi konstrukcijskim gradivom v takoimenovanem 'vročem' delu motorja – turbini. Razvijajo nove zlitine in kompozitne materiale na osnovi keramik, ki bodo prenašale večje obremenitve in višje temperature. Ena takih je LEK94, ki so jo razvili na Univerzi Bayreuth v sodelovanju z MTU. Gre za zlitino na osnovi niklja, ki vsebuje renij, volfram in tantal in je cenejša in lažja ob enaki trdnosti in temperaturni odpornosti kakor primerljive zlitine. Uporabili so jo pri konstrukciji lopatic motorja GP7000, ki je zato 7% lažji. Zlitine na osnovi niklja bodo v prihodnosti zamenjale zlitine na osnovi molibdena s primesmi silicija, kroma in ogljika. Danes so te zlitine prekrhke in zato še neuporabne. Znanstveniki, ki se ukvarjajo s tem predvidevajo, da bodo zlitine na osnovi molibdena nared za uporabo v 10-15 letih. Te komponente naj bi zdržale 10.000 ur.

Turboventilatorski motor z reduktorjem
geared_turbofan.jpgGre za standardni turboventilatorski motor, ki ima vgrajeno planetno gonilo. Pratt&Whitney je prve teste opravil lansko leto za letos pa napovedujejo tudi uporabo na demonstratorju med letom. MTU je razvil kompresorski del motorja, ki bo imel obtočno razmerje 17:1. Motor je z ventilatorskim delom povezan preko planetnega gonila, ki ga je izdelal italijanski Avio in bo vrtljaje ventilatorja zmanjšal na tretjino vrtljajov motorja. Vsi trije partnerji v projektu verjamejo, da bodo s skupnimi močmi dosegli željene cilje, 15% zmanjšanje porabe goriva v primerjavi z današnjimi primerljivimi motorji.

Propelrskoventilatorski motor
Značilnost teh motorjev so krajše, bolj vitke, tanke ter zavite lopatice propelerja. Taka konstrukcija omogoča povečanje kritičnega Machovega števila na lopaticah. Kljub večjim številom vrtljajev ne prihaja do tlačnih skokov, letalo pa lahko dosega večje horizontalne hitrosti ob do 20 odstotkov manjši porabi goriva. V uporabi sta dve vrsti propfan motorjev. Osnovna z enim propelerskim vencem in druga z dvema nasproti vrtečima se vencema. Izkoristek slednjega je nekoliko večji, ker zagotavlja manjši odklon toka zraka za vencema. Potisna sila se z odklonom od aksialne smeri namreč zmanjša za cos α (α=kot odklona potisne sile za vencem).

Obtočno razmerje teh motorjev naj bi po nekaterih podatkih dosegalo tudi 90:1. Propelerska gred tega motorja je lahko s turbinskim delom povezana direktno ali pa preko reduktorja. Oboje je možno zaradi spremenljivega koraka propelerskih lopatic.

Poleg novih tehnologij in materialov tečejo raziskave tudi v smeri uporabe in razvoja novih vrst goriv. Na eni strani vodik, ki je ekološko zelo sprejemljiv, težaven za hranjenje in drag za proizvodnjo ter biogoriv, katerih vpliv na delovanje letalskih motorjev še raziskujejo.

Gorivne celice
Razvojni oddelek Boeinga, Phantom Works se ukvarja tudi z raziskovanjem uporabnosti gorivnih celic za pogon letal. Testiranja potekajo v Španiji na Daimondovem enomotornem letalu. Gre za hobridni pogon, ki je sestavljen iz gorivnih celic in litij-ionske baterije, kinapajata električni motor, ki poganja letalo. Med vzletom in pristankom letalo napajajo baterije medtem, ko je med horizontalnim letom gnan z energijo iz gorivnih celic. Opravljeni test so dokazali, da letalo lahko leti v vodoravnem letu le s pomočjo sončne energije. Pri Boeingu se zavedajo, da ta alternativni način pogona ne bo mogel biti uporabljen pri potniških letalih, a vendar bo lahko poganjal APU enote in manjša športna letala ter drone.

Tekoči vodik
V primerjavi z kerozinom ima vodik pri enaki masi 2,8 krat višjo kalorično vrednost. Na drugi strani pa pri enaki kalorični vrednosti tekoči vodik zavzema štirikrat več prostora kot kerozin. Ker je tekoči vodik potrebno hraniti pod tlakom, mora biti shranjen v ovalnih posodah. Ker je vodik zelo difundiven bodo morali na novo skonstruirati tudi gorivni sistem (cevi, ventile, rezervoarje, tipala, …) in prilagoditi tudi letalske motorje (zgorevalno komoro, predgretje goriva, …). Materiali, ki jih bodo uporabili v te namene ne bodo smeli biti porozni za vodik. Morali bodo biti lahki in hkrati prenašati velike temperaturne razlike (tekoči vodik hranimo pri -253°C). Pri motorjih na vodik sta edina produkta zgorevanja voda in dušikovi oksidi (NOx).

foto_za_delo.gif









Letala
Oblika letala, postavitve motorjev in profil krila močno vplivajo na aerodinamične lastnosti letala. Raziskave zato potekajo v smeri aerodinamično čistih oblik letal, ki bi generirala čim manj turbolenc in zračnega upora. Boeing in Airbus sta veliko naporov vložila v raziskave oblik krila, gondul za motorje, oblik pristajalnega podvozja in izpušnih šob. Zavihki (wing lets) so postali takorekoč standardna oprema vseh potniških letal, saj bistveno zmanjšujejo porabo goriva. Ta na letni ravni za letalo A320 lahko znaša 2-3%. Raziskave, ki jih je opravil Boeing so pokazale, da že sama oblika luknjic pri sistemu za razledenitev kril povzroča dokajšen hrup. čŒe so luknjice kvadratne oblike namesto okroglih je hrup manjši. Prav tako se hrup zmanjša, če so sestavni deli gondole motorja – predvsem vstopnik zraka iz enega kosa. Oblika izpušnih šob pravtako močno vpliva na jakost hrupa, zato so nazobčano izpušno šobo že uporabili pri konstruiranju B787 in B747-8. Med vzletom in pristankom letala, povečuje hrup tudi tok zraka okrog pristajalnega podvozja. Inženirji so zato hidravlične cevi umaknili iz glavnega toka zraka za nosilno nogo, načrtujejo pa tudi uporabo električnega zavornega sistema, ki bi hidravlične cevi popolnoma odstranil. Tudi Airbus preučuje uporabo električnega zavornega sistema a ga pri A350XWB še ne nameravajo uporabiti.

Procedure
Letala letijo po določenih koridorjih in po natančno določenih procedurah. Zračne poti potekajo kakor avtoceste in so dokaj togo začrtane. Vse to v sled varnosti in na podlagi tehnologij, ki so bile razvite desetletja nazaj. Danes radionavigacijski sistemi in satelitska navigacija omogočajo povsem natančno pozicioniranje letal in s tem se je odprla nova možnost uveljavitve novih koridorjev, ki so krajši. V ZDA in Evropi tečeta dva projekta, ki uresničujeta te načrte NextGen ATM in Sesar ATM. Leta 2006 je bilo tako skrajšanih 350 koridorjev, kar je po podatkih IATA pomenilo prihranek 662 milijonov dolarjev in 6 milijonov kubičnih metrov CO2. Lani se je ta številka povzpela že na 14 mio kubičnih metrov. Alan Melrose iz Eurocontrola pravi, da na vsakem poletu v okolje oddajo od 2-10% manj toplogrednih plinov, medtem, ko v ZDA trdijo, da se ta številga giblje med 10-15%. Mogoče res, saj nebo nad ZDA nadzira le FAA (oziroma ATO, ki je ena od njenih služb), medtem, ko v Evropi deluje preko 30 kontrol letenja, ki si letala tako rekoč podajajo. Skupni nadzor zračnega prometa bi okolju prihranil še kakšen odstotek emisij.

cda_shema.jpgKontinuiran prilet (CDA-Continuous Descent Approach) je postopek pri katerem se letala v prihodu iz višine 1,83 km enakomerno spuščajo proti letališču. Proceduro podpira sistem Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B), ki skrbi tudi za razvrščanje letal v fazi pristajanja. Sistem je že v uporabi in letalski prevozniki, ki ga uporabljajo pričakujejo, da bodo letališča za letala, ki uporabljajo ta sistem rezervirala posebno pristajalno stezo, ki bo omogočala večje število pristankov. Motorji so v primeru CDA procedure nekoliko nad položajem IDLE, kar pomeni manjšo porabo goriva in manj hrupa. CDA proceduro testira 12 ameriških in 12 evropskih letališč. Po podatkih Aviationweeka pri vsakem CDA priletu letalo porabi od 45 do 135 litrov goriva manj (1% na krajših in 2% na daljših letih). Prihranek pa bo še večji, ko bo sistem CDA popolnoma računalniško podprt.

LP/LD (low power/low drag) procedura, predvideva, da letala mad pristankom čim kasneje spustijo zakrilca in pristajalno podvozje. Vse seveda v okviru zahtevanih varnostnih predpisov in tehničnih procedur.

Poleg letal so velik onesnaževalec neposredne okolice letališč tudi servisne službe. Slišati je bilo predloge, da bi letala do praga vzletne steze vlekli s posebnimi (električnimi ali plinskimi) vozili.  Airbus je objavil podatek, da bi povprečno letalo A320 v svoji življenski dobi potrošilo 10.000 m3 goriva manj, če nebi taksiralo s prižganimi motorji. Na nekaterih letališčih pa že uporabljajo hibridna in električna vozila v vseh servisnih službah.

Kot smo videli lahko s pravim pristopom močno znižamo negativne vplive letalske panoge na okolje. Nekateri pristopi so proceduralne narave, medtem, ko so drugi znanstvene narave. S skupnimi močmi politike in tehnike se ti učinki seštevajo in negativni vpliv na okolje relativno zmanjšuje. Relativno zato, naj bi se ob podvojenem letalskem prometu nivo izpustov toplogrednih plinov in hrupa do leta 2020 ohranil na enakem nivoju. čŒe bi z enako veliko zavestjo delovalo še preostalih 98% onesnaževalcev ozračja, bi bil učinek mnogo večji.

Avtor: Borut Podgoršek,

Viri:
www:aviationweek.com
http://aero-defense.ihs.com
http://www.britishairways.com
www.sierra5.net
http://www.foe.co.uk/