Transport lotniczy to bez wątpienia jeden z najważniejszych wynalazków XX wieku. Samoloty pozwalają nam dotrzeć w praktycznie każde miejsce na Ziemi w niespotykanym dotąd czasie. Silniki, które unoszą te ogromne maszyny w powietrze zużywają jednak ogromne ilości paliwa i emitują równie ogromne ilości zanieczyszczeń.
Jeśli zapytać się przeciętnego człowieka na ulicy oto jakie są źródła zanieczyszczenia powietrza, to zapewne odpowie, że spalanie węgla i samochody. Stosunkowo niewiele jednak mówi się o zanieczyszczeniach, które powoduje lotnictwo. A jest to wcale nie mało, ponieważ ostrożne szacunki mówią, że transport powietrzny odpowiada za 5 proc. światowej emisji dwutlenku węgla. Nowoczesne samoloty wyposażone w silniki odrzutowe emitują także parę wodną, która – i tu zaskoczenie – jest bardzo silnym gazem cieplarnianym.
Jaki jest skład paliwa lotniczego?
Paliwo stosowane w samolotach różni się w zależności od typu silnika jaki jest zamontowany w maszynie. Do silników tłokowych stosuje się benzynę lotniczą i naftę lotniczą do silników turbinowych. Skład obu paliw jest dość podobny i zawiera 84 – 87 proc. węgla oraz 13-16 proc. wodoru. Poza węglem i wodorem w skład paliw lotniczych wchodzą tysiące innych pierwiastków i związków, ale ich udział procentowy jest na tyle mały, że możemy pozwolić sobie na ich delikatne ominięcie i skupienie się na innych aspektach. Z kolei produktem spalania paliw lotniczych są: tlenek węgla, tlenki azotu, węglowodory, aldehydy, dwutlenek siarki, cząsteczki sadzy i szereg innych, powstających w nieznacznych ilościach z domieszek do paliwa, jak np. ołów.
Produktem spalania paliwa stosowanego w najpopularniejszych obecnie silnikach odrzutowych są dwutlenek węgla, para wodna i tlenek azotu. Produktami nieefektywnego spalania są tlenek węgla, niespalone węglowodory i sadza. Natomiast produktami, które powstają po spaleniu paliwa gorszej jakości są siarczki i cząsteczki metali.
Ze spalenia jednego kilograma nafty lotniczej w 3,4 kg tlenu powstaje kilka różnych produktów:
- 3,16 kg dwutlenku węgla (CO2)
- 1,29 kg wody (H2O)
- poniżej 0,6 g tlenku węgla (CO)
- poniżej 15 g tlenków azotu (NOx)
- poniżej 0,8 g dwutlenku siarki (SO2)
- poniżej 0,01 g nie spalonych węglowodorów (CHx)
- 0,01 – 0,03 g sadzy C
Jak widać głównym produktem spalania paliwa lotniczego jest dwutlenek węgla i para wodna. Mocno szokujące są dane mówiące o ilości paliwa spalanego przez samoloty. Silnik odrzutowy CFM56-3C-1 używany w samolocie Boing 737 w początkowej fazie wznoszenia zużywa 1 kg paliwa w ciągu 1 sekundy! Zastosowany w samolocie Boing 787 silnik Trent 1000 zużywa już 2 kg paliwa. Trzeba przy tym zaznaczyć, że Boing 737 jest znacznie mniejszym samolotem, ale równocześnie jest to najpopularniejszy na świecie samolot pasażerski. Stosowany jest przede wszystkim przez tanie linie lotnicze takie jak choćby szalenie popularny w Europie RyanAir.
Bitwa o zużycie paliwa
Z każdym rokiem stosowne organy kontrolujące ruch lotniczy wprowadzają kolejne restrykcje dotyczące limitów emisji spalin. Na stronie polskiego Urzędu Lotnictwa Cywilnego czytamy, że od tego roku wprowadzono przepis ograniczający przyrost emisji dwutlenku węgla względem lat 2019 – 2020.
„Głównym celem mechanizmu jest utrzymanie od 2021 roku zerowego przyrostu emisji CO2 w cywilnym lotnictwie międzynarodowym, w stosunku do emisji z lat 2019-2020. Zobowiązania kompensacji i redukcji emisji CO2 zaczną obowiązywać w 2021 roku, jednak pierwsze obowiązki po stronie przewoźników lotniczych oraz Państw miały miejsce już w 2019 roku i dotyczyły m.in. monitorowania emisji” – czytamy na stronie Urzędu Lotnictwa Cywilnego.
Wprowadzony mechanizm będzie dotyczył przewoźników dysponujących samolotami o maksymalnej masie startowej powyżej 5700 kg emitujących więcej niż 10 000 ton dwutlenku węgla rocznie. Z regulacji mają być wyłączone loty z pomocą humanitarną, medyczną czy przeciwpożarową. Zaostrzanie przepisów oraz rosnące ceny paliw lotniczych powodują opracowywanie coraz nowszych i bardziej oszczędnych silników, co nas może cieszyć. Zmniejszenie spalania i emisji paliw osiągnięto między innymi dzięki zastosowaniu podwyższonej temperatury spalania choć jak zwracają uwagę konstruktorzy – powoduje to z kolei podwyższenie emisji tlenków azotu. Jednakże inżynierowie pracują także nad rozwiązaniem tego problemu i obecnie chcą obniżyć emisję tych związków do 70 proc. obecnych limitów.
Normy emisji z silników lotniczych zostały wprowadzone przez Konwencję o Międzynarodowym Lotnictwie Cywilnym w 1989 roku. Normy te jednak są stopniowo zaostrzane. I tak w 1993 roku zostały zaostrzone o 20 proc., następnie w 1999 roku o kolejne 16 proc., a w 2004 roku o kolejne 12 proc.
Konstrukcja silników lotniczych niesie ze sobą dość ciekawy i trudny do zauważenia problem. Jeśli konstruktorzy zwracali by uwagę na rozwiązanie tylko jednego problemu jakim jest na przykład obniżenie emisji tlenków azotu, to nie przyniosłoby to pożądanych efektów. Koncerny GE/Pratt&Whitney i Rolls-Royce opracowywały silnik dla samolotu Airbus A380. Skupili się oni wyłącznie na redukcji tlenków azotu oraz hałasu i w rezultacie zwiększył się ciężar silnika, zużycie paliwa oraz ostatecznie emisja. Pomiary odbywają się w warunkach odpowiadających warunkom na wysokości 915 metrów (3000 stóp) oraz w momencie lądowania z tej wysokości. W żargonie lotniczym nosi to nazwę e Landing/Take-Off cycle, w skrócie LTO.
Prawidłowy cykl LTO składa się z następujących faz:
1. Start (ustawienie ciągu: 100%, czas pracy: 0,7 min.)
2. Wznoszenie początkowe (ciąg: 85%, czas: 2,2 min.)
3. Podejście do lądowania (ciąg: 30%, czas: 4,0 min.)
4. Kołowanie/bieg jałowy (ciąg: 7%, czas: 26,0 min.)
Smugi kondensacyjne
Zjawiskiem, które chyba najbardziej kojarzy nam się z samolotami są smugi kondensacyjne. Nikogo już chyba nie dziwi widok poprzecinanego takimi chmurami nieba. Wywołują one dość skrajne emocje, ponieważ cześć osób wierzy w teorie spiskowe na ich temat twierdząc, że w istocie są to różnego rodzaju substancje powodujące choroby. Zostawmy jednak tematy science-fiction i skupmy się na tym czym naprawdę są smugi kondensacyjne i co powodują.
Chmury kondensacyjne powstają, gdy panują specyficzne warunki. Musi być określona temperatura i wilgotność na wysokości lotu. W warunkach wysokiej wilgotności chmury te mogą się utrzymywać kilka godzin. Mogą one przekształcić się w chmury wysokie typu cirrus. Smugi kondensacyjne mogą powstać w temperaturze od -35 do -55 stopni Celsjusza. Ich obecność ma negatywny wpływ na środowisko, ponieważ przyczynia się do efektu cieplarnianego.
Powodem jest zawarta w chmurach kondensacyjnych para woda, która jak wspomniałem wcześniej jest silnym gazem cieplarnianym. Drastyczny wzrost ruchu lotniczego obsługiwanego przez samoloty z silnikami odrzutowymi sprawił, że chmury kondensacyjne zaczęły być zauważalnym problemem. Wysokie chmury, w których tworzące je kryształki lodu są rozproszone słabo odbijają światło słoneczne i jednocześnie uniemożliwiają promieniom podczerwonym opuszczenie naszej planety. Urlike Burkhard z niemieckiego Instytutu Fizyki Atmosferycznej obliczył, że do 2050 roku przy zakładanym czterokrotnie wyższym ruchu lotniczym efekt cieplarniany smug kondensacyjnych wyniesie 160 miliwatów/m2. Obecnie jest to „zaledwie” 50 miliwatów. Ponadto niemiecki naukowiec obliczył, że efekt cieplarniany pochodzący z emisji dwutlenku węgla wynosi obecnie 24 miliwaty/m2, a do 2050 roku wyniesie 84 miliwaty/m2.
Burkhard jednak założył również bardziej optymistyczny scenariusz, w którym przemysł lotniczy nadal obniża zużycie paliwa. W takim scenariuszu efekt cieplarniany ze smug kondensacyjnych wyniesie do 2050 roku 140 mW/m2, a w przypadku dwutlenku węgla będzie to 60 mW/m2.
Jak walczyć z chmurami kondensacyjnymi?
Naturalnym pytaniem, które się nasuwa to jak walczyć ze zjawiskiem chmur kondensacyjnych? Można oczywiście ograniczyć liczbę lotów, ale wszyscy wiemy, że nikt na świecie nie podejmie takiej decyzji. Rozwiązanie dostarcza nam sama fizyka. Jak już wspomniałem smugi kondensacyjne tworzą się w warunkach konkretnej temperatury. Okazuje się, że warstwa takich temperatur w ziemskiej atmosferze jest stosunkowo cienka, ponieważ ma około 600 m. Aby zapobiec powstawaniu chmur kondensacyjnych często więc wystarczy korekta wysokości lotu przez pilota.
Przyszłość
Wpływ samolotów na efekt cieplarniany i emisję dwutlenku węgla będzie rósł wraz ze wzrostem ruchu lotniczego. Jeśli wierzyć szacunkom Burkharda, to w 2050 roku staniemy przed niewesołą wizją rosnącego efektu cieplarnianego, którego skutki mogą być dla ludzkości zatrważające. Gdzie szukać rozwiązania? Trudno oczekiwać, że nagle z dnia na dzień ograniczymy poruszanie się samolotami, bo jest to zwyczajnie nierealne. Z pomocą mogą tutaj przyjść naukowcy i próby konstrukcji samolotów bezemisyjnych. Takie pomysły i projekty już się pojawiają choć jeszcze daleko im do wprowadzenia do produkcji.
W 2017 roku firma Eviation zaprezentowała projekt małego samolotu elektrycznego zdolnego pomieścić na swoim pokładzie 9 osób i dwie załogi. Alice, bo tak nazywa się maszyna ma być gotowy do lotu w 2024 roku. Jest całkowicie elektryczny więc nie emituje dwutlenku węgla. Zasięg Alice ma wynosić według jej twórców 1050 km. Akumulatory mają pojemność bagatela 900 kWh! Prędkość maksymalna wynosi 444 km/h i osiąga się nią dzięki trzem silnikom elektrycznym o mocy 260 kW każdy. Dyrektor Eviation Omer Bar-Yohay twierdzi, że ponad połowa lotów na świecie odbywa się na dystansie poniżej 800 km. Choć Alice jeszcze oficjalnie nie lata, to z pewnością jest to dobry krok w kierunki ograniczenia emisji spalin z ruchu lotniczego.
Inną koncepcją jest opracowany przez Airbusa samolot turbowentylatorowy. Jego paliwem ma być ciekły wodór, a zasięg ma wynosić 2000 mil. Sprawi to, że konstrukcja Airbusa będzie mogła wykonywać loty międzykontynentalne. Ta sama firma zaproponowała w sumie trzy różne koncepcje samolotów na wodór, które w przyszłości zamierza rozwijać.
Ostatnią koncepcją, o której warto się czegoś dowiedzieć jest zeroemisyjny sterowiec. Choć konstrukcje te zostały wyparte przez samoloty, to współcześni konstruktorzy wracają do tamtych pomysłów. Startup Hybrid Air Vehicles pracuje nad sterowcem, który wypełniony jest helem. I właśnie w tym ultralekkim gazie tkwi ekologiczna przewaga brytyjskiej konstrukcji. Dzięki niemu maszyna może unosić się w powietrzu nawet przez 5 dni oraz jest w stanie ograniczyć emisję o 90 proc.
To, który koncept ostatecznie trafi do produkcji i zrewolucjonizuje lotnictwo jest melodią przyszłości. Pewne jest to, że jako cywilizacja musimy spojrzeć w górę i pochylić się na problemem emisji spalin z lotnictwa, bo to od nas zależy co po sobie zostawimy naszym dzieciom i wnukom. Oby kierunek rozwoju technologii szedł w stronę zeroemisyjności, ponieważ w przeciwnym kierunku będziemy musieli przygotować się na życie w ciężkich warunkach.
Źródła: ulc.gov.pl, ilot.edu.pl, naukawpolsce.pap.pl
