Avion na solarni pogon

Početkom maja, avion je preleteo Sjedinjene Američke Države pomoću sunčeve energije. U 2015. godini procenjuje se da će preleteti svet.

Tokom 2011. godine avion na solarni pogon je leteo preko Švajcarske

Tokom 2011. godine avion na solarni pogon je leteo preko Švajcarske

Dvadeset prvog marta 1999. godine, ujutru, Bertrand Pikard (Betrand Piccard) i Brajan Džouns (Brian Jones), prizemljili su njihov balon u egipatskoj pustinji, i tako su kompletirali prvi let oko sveta bez stajanja. Tokom slavlja, Pikard je konstatovao: Rezervoari sa propanom koji su bili neophodni da bi se balon održavao u vazduhu su bili skoro prazni. “Da su vetrovi bili malo slabiji preko Atlantika, završio bih u nekom jarku”, dodao je. Pikard je tada obećao da će pronaći način da preleti svet bez trunke goriva.

Početkom maja, Pikard i njegov partner su, koristeći avion na solarni pogon, leteli od San Franciska do Njujorka – kao uvod za planirani let 2015. koji podrazumeva put oko celog sveta. Kada je prvi put rekao svima za njegov san, svi su mislili da je lud. Iako su pioniri kao što je Pol Mek Kridi (Paul MacCready), pravili avione na solarni pogon još od 70-ih godina, ni jedan nije mogao da leti nakon što sunce zađe, a kamoli da lete danima preko Atlantika i Pacifika.

Prepreka je bila težina. Da bi leteo tokom noći, avion mora da crpi snagu iz baterija koje se pune danju. Ali baterije su sadržale mnogo manje energije po kilogramu nego rezervoar sa gorivom. Što  znači da avion mora da nosi veće baterije kako bi skladištio veću količinu energije, što je dalje značilo da bi avion bio još teži i tako zahtevao još više energije za letenje. Kada na to dodate kabinu i pilota, avion postaje pretežak i za samo uzletanje. Zbog toga su se istraživači letelica na solarni pogon fokusirali na bespilotne letelice, kao što su „heliosi sa letećim krilima“ agencije NASA.

Bertrand Pikard 2012. godine nakon letenja preko Mediterana u solarnom avionu

Bertrand Pikard 2012. godine nakon letenja preko Mediterana u solarnom avionu

Pikard, švajcarski fizioterapeut i pilot, dolazi iz porodice avanturista koji nisu skloni odustajanju: 1960. njegov otac Žakez (Jacques), prvi je putovao do okeanove najdublje tačke, 1931. njegov deda Avgust (Auguste) bio je prvi pilot koji je balonom došao do stratosfere. Pikard je nastavio da promoviše njegov koncept letenja uz pomoć solarne energije, i tako mu je Švajcarski federalni institut za tehnologiju u Luzanu (Lausanne EPFL) omogućio 2003. godine da započne istraživanja. Oni su zaključili da bi ultra laki avion sa širokim rasponom krila mogao da smanji otpor vazduha i uz pomoć solarne energije poleti. Andre Boršberg (André Borschberg), pilot i inženjer koji je vodio EPFL istraživanje, pridružio se Pikardu kako bi zvanično pronašli Solarni impuls. Tako su njih dvojica počeli da regrutuju ljude i donatore za 10-ogodišnji projekat vredan 130 miliona dolara.

Oni su odmah naleteli na probleme. Nisu mogli da nađu nikoga ko bi im napravio avion. Svi su mislili da je nemoguće, tako da su Pikard i Boršberg okupili svoj tim inženjera. “Mislim da imamo više ljudi izvan sveta avijacije nego onih kojih su zapravo za to specijalizovani”, izjavio je Boršberg. Glavni na razvoju aviona, Robert Fraefel, vodi poreklo iz Formula 1 trkanja. Ostali dolaze iz industrija kao što su fotonaponska proizvodnja i izlivanje metala.”U neku ruku, imali smo veliku prednost jer smo imali mnogo neiskusnih ljudi. Kada ste iskusni, stalno se vraćate rešenjima koje već znate”, izjavio je Boršberg.

Tim je odlučio da ram i krila napravi kompletno od karbonskih vlakana (proizvedeno od kompanije koja pravi jahte), koji se spajaju visoko obrađenom plastičnim šrafovima i zavrtnjima. Materijali su lagani, ali ipak dovoljno jaki da omoguće raspon krila od 63 metra (skoro identično kao kod Erbas aviona A340-500). Avion je težio nešto malo preko 1500 kilograma, što je manje od 1% težine Erbasa.

Kako bi pokrenuli avion, inženjeri su obložili sa skoro 12.000 silikonskih solarnih ćelija glavno krilo i horizontalni stabilizator. Ćelije su proizvodile u proseku 50 kilovati tokom 24 časa, šaljući energiju direktno u motor kada je avion u vazduhu i usmeravajući svaki višak do četiri litijum-polimerne baterije.

Krilo solarnog aviona, izgrađeno od karbonskih vlakana

Krilo solarnog aviona, izgrađeno od karbonskih vlakana

Nakon četiri godine dizajniranja i 2 pravljenja, avion je načinio svoje prve korake – letenjem 350 metara na aerodromu u Dubendorfu, Švajcarskoj, krajem 2009. godine. Pravi test desio se u julu 2010. godine kada je Boršberg leteo avionom noću po prvi put preko Pajerne, Švajcarska. ”Nismo znali kako će tačno avion da se ponaša”, dodao je. “Da li ćemo potrošiti više energije nego što smo planirali? Da li ćemo se susreti sa silaznom strujom?” Bez autopilota, leteo je u sedećoj poziciji 26 sati bez prestanka, koristeći joga tehnike da se istegne u skučenoj kabini. Kada je sleteo, oborio je tri rekorda, uključujući postignutu najvišu tačku letenja avionom na solarni pogon koja je iznosila 9.150 metara, kao i najduži solarni let od 26 sati, 10 minuta i 19 sekundi.

Prototip aviona dokazao je da je koncept koji je tim prolongirao važeći – ali i dalje ne mogu da lete oko sveta. Pošto je brzina solarnog aviona koji su osmislili iznosila 100 kilometara po času, Pikard procenjuje da bi bila potrebna 3 dana letenja bez prestanka da bi se preleteo Atlantski okean i 5 do 6 za Pacifički. To zahteva složeniji sistem sa većim kokpitom koji bi omogućavao pilotu da prespava; veću efikasnost za skladištenje više energije u rezervama; kao i nepromočivu elektroniku koja bi omogućavala letenje u vlažnim uslovima. Tako da je Solarno impulsni tim sada na pola puta. “Prvi avion imao je tehnologiju iz 2007. godine. Drgi će imati tehnologiju budućnosti”, dodao je Pikard.

Solarni avion se ubacuje u Boing 747. Inženjeri će ga sastaviti kada sleti u San Francisko radi leta između San Franciska i Njujorka.

Solarni avion se ubacuje u Boing 747. Inženjeri će ga sastaviti kada sleti u San Francisko radi leta između San Franciska i Njujorka.

HB-SIB, avion budučnosti, će biti 11% veći, imaće autopilota, motore sa većom efikasnošću, i kostur napravljen od još lakših karbonskih vlakana. Baterije će imati veću gustinu energije zahvaljujući novim elektrolitima i elektrodama razvijenim od strane Solvaj i Bajer istraživačkog tima posvećenog razvoju novih materijala (Solvay and Bayer MaterialScience) – tehnologiji koja je već rasprostranjena u električnim vozilima i tehnici. Dve kompanije već su razvile čvrstu poliuretansku penu sa visokim performansama za krila aviona i kokpit izolaciju koju Bajer trenutno koristi u frižiderima i građevinskoj industriji.

Pikard je zadovoljan jer njegovi projekti podstiču razvijanje tehnologija koje mogu unaprediti i druge industrije, ali takođe se nada da će Solarni impuls podstaći potragu za obnovljivom energijom. “Vrlo često se dešava da dok pričamo o zaštiti sredine, to postane dosadno”, izjavio je Pikard. “Sve se svodi na manje pokretljivosti, manje konforta, manje razvoja”. Nasuprot tome, on se nada da će dokazati da eksploatisanje sunčeve energije može da nam donese i veću slobodu.

Konstrukcija aviona na solarnu energiju

Konstrukcija aviona na solarnu energiju

1) Struktura

Inženjeri su napravili kostur aviona ultra lakim, spajanjem delova od karbonskih vlakana u grede i jarbol. Laka i čvrsta pena formira krila i izoluje gondolu od kokpita.

2) Krila

Tanka i dugačka krila prostiru se 63 metra. Dužina smanjuje otpor, povećavajući tako aerodinamiku, i  uisto vreme omogućava prostor za 10.748 solarnih ćelija.

3) Solarne ćelije

Napravljene od nanokristalnog silikona, debele svega 150 mikrona, solarne ćelije prekrivaju 200 kvadratnih metara. One pretvaraju sunčevu svetlost u eliktricitet sa koeficijenotm efikasnosti od 22%.

4) Instrumenti

Zbog raspona krila i male brzine – 100 kilometara po času, avion može da se nagne za samo 5 stepeni, mnogo manje od konvencionalnog aviona. Omega instumenti sa tačnošću mere ugao nagimanja i tresu kontrolni točak ako se pilot nagne previše jako.

5) Kokpit

Samo jedan pilot staje u kokpit, i mora da bude u sedećem položaju. On kontroliše avion uz pomoć džoistika, kormila i 4 poluge.

6) Gondole

Svaka od četiri gondole, ili odvojene motorske konzole, staju ispod krila, sadržeći pakovanje baterija, motor od 10 konjskih snaga i kutiju sa opremom koja pokreće propeler na 400 rpm. Raspodeljujući težinu baterija, gondole takođe smanjuju opterećenje aviona.

7) Baterije

Sa nešto više od 360 kilograma, litijum-polimerske baterije čine četvrtinu ukupne težine aviona. Veoma su efikasne, skladište oko 109 wati po satu.

Putanja leta

Putanja leta

Putanja leta:

Tokom dana, solarni avion se penje između 8220 i 8530 metara nadmorske visine. Kada sunce zađe, propeleri se priguše kako bi se energija sačuvala, i avion se polako spušta na 1200 metara. On ostaje na toj visini sve dok sunce ne izađe ponovo i baterije krenu da se pune. Tim meteorologa koristeći simulacije, procenjuje kada je najbolje doba dana da se avion penje, uzimajući u obzir oblačnost i vetrove.

Naučnik iz Fermilab-a optimizuje proces ukrcavanja u avione

Neki put, ljudi nemaju baš neki osećaj da im nauka pomaže. Naučnici su ljudi u belim mantilima, za koje se često misli da su jedini koji sami sebe razumeju. Sem toga, deluju kao čudaci, koje svakodnevne, životne stvari ne zanimaju previše, i da se bave samo nekim svojim visokoumnim problemima.

To nije tačno.

Evo jednog primera, gde naučni pristup problemu može dati poboljšanja za sve, ne samo za određenu grupu ljudi.

čovek: Dr. Džejson Stefen (Jason Steffen)

zanimanje: nuklearni fizičar pri Fermilab-u

problem: brže ukrcavanje putnika u avion

Rešenje

Raspored ukrcavanja može uticati na brzinu celog procesa, i to je intuitivno jasno. Međutim, ako malo razmislimo, jasno je da ne daju svi rasporedi isti učinak. Predloženi pristup se svodi na sledeće.

Od 6 kolona sedišta u avionu, sprovesti tako ukrcavanje da niko nikoga ne čeka,  i što je još važnije, da ceo proces teče, kako na mikro tako i na makro nivou.

– Svi koji treba da sednu do levog prozora i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

– Svi koji treba da sednu do desnog prozora i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

– Svi koji treba da sednu u središnji levu kolonu i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

– Svi koji treba da sednu u središnji desnu kolonu i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

– Svi koji treba da sednu u prvu levu kolonu i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

– Svi koji treba da sednu u prvu desnu kolonu i u neparnom redu ući će, smestiti stvari i zauzeti svoje mesto.

Ponoviti ovaj postupak za sve parne redove i avion je spreman da poleti!

Rezultat sprovođenja upravo opisanog algoritma se pretvara u opipljivu činjenicu: vreme ukrcavanja u avion je prepolovljeno! Avio kompanijama bi se to, verovatno, isplatilo – i ne samo njima.

Međutim, i ako je rad ovog naučnika objavljen još 2008. godine (koji se bazira na algoritmu za optimizaciju Monte Carlo), izgleda da se još niko nije setio da ga primeni in vivo.

Brzom analizom ponuđenog možemo izvući neke zaključke.

Ljudi bi morali prilikom ulaska u avion znati kada tačno moraju ući u njega. Algoritam unapred određuje raspored ulaza. Ovde nije u pitanju vremenski trenutak nego, poštovanje redosleda, ili nema ulaska van reda. To upućuje na dodatnu organizaciju, i na pitanje: „Na kome je to da sprovede? Na samim putnicima, ili na osoblju koje je već zaduženo za njihov transport do aviona?“ Na kraju, toliko pravila ima već, koja treba ispoštovati prilikom ukrcavanja u avion, da uvođenje još jednog deluje, samo, kao dodatna gnjavaža.

Ovde čovek može i drugačije da razmišlja.

Od kada su procedure za ukrcavanje u avion silno pooštrene, gde se skoro ništa ne prepušta slučaju, dodatna organizacija zarad bolje efikasnosti ne bi trebala biti neki naročiti problem.

Sve se svodi na izreku: „Kakvo sedište, takvo gledište…“