Epické pokušení pohánět letadla kapalným vodíkem

Během studené války jak USA, tak SSSR zkoumaly kapalný vodík jako způsob pohonu letadel. Mohlo by toto „čistší palivo“ stát konečně před zrodem?

Jen málo z tisíců turistů, kteří každý rok navštíví West Palm Beach na Floridě kvůli plážím, si všimne opuštěného průmyslového areálu na okraji města. Na bráně, která blokovala zapomenutou přístupovou cestu, byla připevněna vybledlá cedule s nápisem „V TOMTO MAJETKU NENÍ POVOLENO STŘELNÉ ZBRANĚ A KAMERY“. Bylo to jedno z mála vodítek tajemství, které kdysi továrna na hnojiva, Apix, skrývala, napsal server BBC.

Místo o rozloze 25,9 km čtverečních bylo tajným vládním zařízením, které bylo koncem 50. let srdcem amerických snah o špehování sovětského jaderného arzenálu.

Místo výroby hnojiv pro farmáře byla tato lokalita pravděpodobně největším světovým producentem kapalného vodíku, což bylo potřeba pro jednu věc: Projekt Suntan. To byl kódový název projektu „beyond top-sect“ na stavbu náhrady za špionážní letadlo Lockheed U-2, který začal v roce 1956. 

Lockheed CL-400 Suntan připomínal spíše vesmírné letadlo nebo Thunderbird než špionážní letadlo. Létající stroj, vedený geniálním konstruktérem Lockheed a tajnůstkářským zakladatelem Skunk Works Kelly Johnsonem, měl létat rychlostí 2,5 Mach ve výšce 30 000 m (100 000 stop) s teplotou pokožky 177 °C (350 °F) a měl dosah 4 800 km (3 000 mil). A měl být poháněn kapalným vodíkem – tedy vodíkem ochlazeným na kryogenní teploty kolem -423ºF (-253C). Skunk Works se sídlem v Burbanku v Kalifornii byl podnik v rámci podniku, který nepodléhal obvyklému firemnímu dohledu.

Inženýři věřili, že byli ve „vodíkovém závodě“ proti Sovětům poté, co lety U-2 nad Sovětským svazem zaznamenaly výstavbu elektráren na kapalný vodík. Američané nabyli přesvědčení, že Sověti vyvíjejí vlastní vesmírné/špionážní letadlo nebo vysokorychlostní stíhací letoun pro sestřelení U-2. Skutečná sovětská motivace se ukázala v roce 1957, kdy byl vypuštěn Sputnik na vrcholu rakety na kapalný vodík.

Přestože byly aspekty projektu úspěšné, tým Skunk Works nebyl schopen vyřešit dva problémy s letadly na vodíkový pohon, se kterými se konstruktéři potýkají dodnes. První byl rozsah. Vodík je ve srovnání s petrolejem – tradičním leteckým palivem – velmi lehký a obsahuje třikrát více úderů na jednotku hmotnosti, ale ke stejnému zásahu potřebuje čtyřnásobek objemu v letadle a jeho skladování je složité.

Kapalný vodík má výhody oproti alternativnímu, stlačenému plynnému vodíku, které zahrnují vyšší hustotu energie (nezbytné pro delší dojezdy) a nepotřebuje silné, těžké nádrže. Nicméně, i když byl Johnsonův návrh pro Project Suntan dlouhý jako bombardér B-52, stále nemohl dosáhnout dosahu, který Johnson slíbil americkému letectvu.

Druhý problém byl ještě větší. I když se ukázalo, že je možné vyrobit dostatek kapalného vodíku, infrastruktura potřebná pro provoz letadla na vodíkový pohon byla jiná věc. Petrolej byl prostě příliš levný a pohodlný ve srovnání s přepravou těkavého kapalného vodíku v obrovských množstvích na letecké základny po celém světě, jeho skladováním a bezpečným doplňováním paliva do letadla.

Když tým Lockheed skladoval stovky galonů kapalného vodíku ve Skunk Works, hostující vědec je varoval: „Můj bože… vyhodíte do povětří celý Burbank.“ Později se jim toto proroctví připomnělo, když vypukl požár a málem způsobil mohutnou explozi, která mohla zničit přísně tajné zařízení, sousední letiště i samotný Burbank.

Nyní „nová generace inženýrů“ pokračuje v letu na vodíkový pohon s větší naléhavostí, pobídnuta slibem nulových emisí uhlíku.

Se svou pověstnou přímostí řekl Johnson v roce 1958 svým zaměstnavatelům ve Washingtonu, že jim „staví psa“, a splatil kolem 90 milionů dolarů vynaložených na projekt. Letadlo na vodíkový pohon se stalo jedním z mála neúspěchů jeho dlouhé kariéry. Bylo snadné si myslet, že když Johnson a jeho Skunkworks nedokázali zajistit, aby nové palivo fungovalo, nedokáže to nikdo.

Několik dalších leteckých inženýrů nesouhlasilo. 15. dubna 1988 letěl poněkud světsky vypadající sovětský experimentální letoun Tupolev Tu-155 na kapalný vodík a upravené dopravní letadlo absolvovalo kolem 100 letů. Pád Sovětského svazu omezil program, ale od té doby letěla hrstka malých letadel nebo UAV (bezpilotních vzdušných prostředků) na vodíkový pohon. Prototyp vysokohorského dronu Phantom Eye společnosti Boeing s dlouhou výdrží a pohonem na kapalný vodík poprvé vzlétl 1. června 2012. Při posledním ze svých devíti letů letěl Phantom Eye osm až devět hodin ve výšce 16 500 m (54 000 ft). Nedostatek financí nakonec dron uzemnil.

Nyní nová generace inženýrů pokračuje v letu na vodíkový pohon s větší naléhavostí, pobídnuta slibem nulových emisí uhlíku. (Letecký průmysl je v současnosti zodpovědný za přibližně 2,4 % celosvětových emisí uhlíku.)

Většina těchto konstrukcí vyrábí elektřinu buď pomocí kapalného vodíku k pohonu palivového článku nebo ke spalování v motoru, nebo kombinací obou. S vodíkem přichází příležitost přehodnotit konstrukci letadla, včetně křídel, kvůli nutnosti skladovat kapalný vodík v relativně těžkých, izolovaných nádržích. To by mohlo způsobit, že budoucí letadla budou vypadat o hodně jinak, protože lehčí petrolej může být uložen v křídlech. Je to také šance přehodnotit postupy, které v některých případech pocházejí z 50. let 20. století.

„Když proces nebyl inovován po velmi dlouhou dobu, můžete skončit s poruchami v designu,“ říká Arlette van der Veer, senior manažerka radikálních inovací v KLM Royal Dutch Airlines. „Například moji kolegové z Cargo, nebo pozemních služeb, jsou posledním bodem v procesu návrhu letadla, a to je obrovský problém. Momentálně leží vzadu v břiše letadel a přepravují zavazadla, protože roboti nemohou jít do prostoru a je příliš úzký pro jiná řešení.“

V plné velikosti by Flying-V měl přibližně stejnou velikost jako Airbus A350

V červenci 2020 odjel tým z Delftské univerzity přes hranici z Nizozemska na leteckou základnu Fassberg v německém Dolním Sasku, aby otestovali radikálně nový design komerčního letadla na vodíkový pohon s názvem Flying-V. V zadní části jejich dodávky byl 3m široký model ve výrazném modrobílém provedení KLM. Tým – včetně výzkumníků, inženýrů a pilota dronu – měl týden na to, aby dokázal, že jejich jeden a půl roku tvrdé práce v univerzitní letecké laboratoři nebylo ztrátou času.

Delft je jednou z nejlepších technických univerzit na světě a má jednu z největších fakult leteckého inženýrství v severní Evropě. Flying-V navrhl student TU Berlín Justus Benad, podporovaný společnostmi KLM a Airbus. Jde o radikálně nový design, který je o 20 % účinnější než konvenční letadlo, přičemž kabina pro cestující, nákladový prostor a palivové nádrže jsou integrovány do dvou ramen jeho konstrukce ve tvaru V. Plnohodnotný Flying-V by měl přibližně stejnou velikost jako Airbus A350, přepravoval by podobný počet cestujících (více než 300) a mohl by využívat stejné odletové brány.

Flying-V je typ letadla nazývaný „smíšené křídlo“, protože křídla a trup jsou hladce srostlé, bez jasné dělící čáry. Často se jim říká létající křídla a jsou považovány za přirozeně vhodné pro letadla na vodíkový pohon, protože jsou účinnější než tradiční letadla s trubkami a křídly a mají dostatek prostoru pro vodíkové nádrže.

Samotný Airbus odhalil tři koncepty Zeroe pro letadla na kapalný vodík, z nichž jeden by mohl být uveden do provozu do roku 2035. Jsou to spíše konvenčně vyhlížející turbovrtulový letoun na krátké vzdálenosti a mezikontinentální proudové dopravní letadlo, stejně jako radikálnější smíšené křídlo, které vypadá spíš vesmírné letadlo.

FlyZero, britský projekt, jehož cílem je realizovat komerční letectví s nulovými emisemi, posoudil 27 různých konfigurací pro letadla na vodíkový pohon, než vyrobil vlastní. Jednalo se o letadla se dvěma trupy, jedním pro vodík a druhým pro cestující, až po konstrukce gondol, s nádržemi nad cestujícími a létajícím křídlem. Jeho vlastní, nedávno představený koncept, je pro středně velké letadlo létající bez mezipřistání do San Francisca nebo Dillí, které vypadá jako nadupaná verze běžného dopravního letadla s ultratenkými křídly.

Design letadla je kompromisem mezi mnoha věcmi a při navrhování letadla se můžete dostat do spirály – David Debney

Existuje mnoho dalších návrhů budoucích komerčních letadel na vodíkový pohon. „Je otázkou, kde můžete umístit tyto vodíkové nádrže v letadle za minimální náklady,“ říká David Debney, hlavní inženýr společnosti FlyZero. „Podívali jsme se na bláznivé nápady, například, kdy byste mohli dát obří vodíkovou nádrž mezi křídla a mít dvě kabiny, jednu vzadu, jednu vepředu, ale byly by oddělené. A nemohli byste se dostat jeden k druhému. To není podle předpisů povoleno.

„Design letadla je kompromisem mezi mnoha věcmi a při navrhování letadla se můžete dostat do spirály. Pokud ho uděláte těžší, pak potřebujete větší vztlak, a to znamená větší křídlo, větší křídlo znamená větší hmotnost, takže potřebujete ještě větší zdvih, ale větší křídlo váží víc, a tak dále.“

Pro Flying-V znamená vodík kompromisy, které by Kelly Johnson poznala a verze, které s petrolejem nepotřebuje. „Obětovali jsme dvě věci: první jsou asi dvě třetiny objemu nákladu [což zasáhne ziskovost],“ říká Roelof Vos, odborný asistent na Fakultě leteckého inženýrství Technické univerzity v Delftu, je také technickým vedoucím projektu. „Budeme mít dostatečný objem pro zavazadla cestujících, ale nic víc. Druhým je objem, který máme k dispozici pro vodík, a jak daleko s tím můžeme letět.“ Zatímco letoun Flying-V na vodíkový pohon mohl létat z Londýna do Kapského Města nepřetržitě, verze na petrolejový pohon by se mohla dostat až do Sydney.

16. července 2020 se tvrdá práce týmu Delft vyplatila. Zmenšený model Flying-V byl vynesen dveřmi starého válečného hangáru na betonovou plochu ve Fassbergu. Krátce po 15:30 se za kvílení dvou elektromotorů prudce vznesl do vzduchu ke svému úspěšnému pětiminutovému prvnímu letu. „Let zmenšeného modelu ukazuje, že Flying-V lze bez problémů pilotovat s dobrými jízdními vlastnostmi,“ říká Vos.

„Vodíková letadla už létají, takže známe základy paliva a známe základy letadla,“ říká Mark Bentall, vedoucí provozu pro technologii společnosti Airbus, „a stejně jako u letadel s tradičním palivem… bude vždy využívat nejnovější technologie.“

Díky počítačovému modelování je naše úroveň chápání spalování mnohem, mnohem pokročilejší než v době Kelly Johnsonové – David Debney

Uhlíkové vlákno umožňuje inženýrům stavět lehčí a pevnější konstrukce. Snadno přehlédnutelné nové výrobní techniky, jako je frikční svařování třením (FSW), poskytují přesnější, vysoce kvalitní spoje. Využívá teplo generované třením z rotujícího nástroje ke spojení dvou různých materiálů dohromady. Tým Skunk Works použil dřevěné modely a aerodynamické tunely k návrhu Suntan; dnes počítačové nástroje pro návrh a simulaci pomáhají inženýrům vytvářet vysoce přesné návrhy, rychle a levně.

„Díky počítačovému modelování je naše úroveň chápání spalování mnohem, mnohem pokročilejší než v době Kelly Johnsonové, a to pomohlo petrolejovým motorům, ale více to pomůže letadlům poháněným vodíkem,“ říká David Debney. „Větší účinnost letadel masivně pomáhá s objemem vodíkového paliva, které potřebujete pojmout, a to je velká věc, která se změnila.

„Pokud byste používali aerodynamiku a technologii motoru z 50. let, pro stejné mise byste potřebovali mnohem více vodíku, a to je z hlediska objemu obrovsky penalizující.“

Inovace pokračuje. Ultima Forma je britská technologická společnost se sídlem jižně od Londýna. Palivové nádrže jsou těžké. Vodík způsobuje korozní křehnutí v kovech, jako je ocel, ale méně v mědi. Ultima Forma vyvíjí ultratenké vložky vyrobené z mědi pro vnitřek lehkých palivových nádrží z uhlíkových vláken. Stejná technologie by mohla být použita při přepravě vodíku.

Je v zájmu všech i celé planety, aby bylo možné sdílet lekce získané různými týmy. „Vím jistě, že nejlepší design nemůže pocházet z jedné strany,“ říká Arlette van der Veer. „Co by bylo skutečně rušivé, je otevřená ekonomika sdílení znalostí, která by spojila znalosti různých výrobců a vytvořila ty nejlepší návrhy.“

Zásadní je, že komerční letectví se bude muset učit od jiných průmyslových odvětví, která každý den pracují s vodíkem

I když se odhaduje, že 500 miliard dolarů (370 miliard liber) bude celosvětově vynaloženo na vodíkovou infrastrukturu, ne každý problém, kterému Johnson čelil, byl vyřešen, a některé – včetně toho, zda se vodík vyrábí lokálně nebo centrálně, jak je distribuován a jak jsou uloženy na letišti – jsou příliš velké na to, aby je výrobce letadel nebo letecká společnost řešili sami.

Pak je tu otázka, jak se bude tankovat palivo v letadlech s cestujícími v blízkosti (jednou z nich jsou robotické paže) a jaké budou bezpečnostní předpisy. „To je velký kus práce,“ říká kapitán David Morgan, ředitel letového provozu u nízkonákladové letecké společnosti easyJet. „A to je něco, co začneme dělat dlouho předtím, než na scénu dorazí první letadlo.“

Zásadní je, že komerční letectví se bude muset učit od jiných průmyslových odvětví, která každý den pracují s vodíkem. „Jedním z důvodů, proč jsme na Zeroe upozornili veřejnost brzy, bylo to, že potřebujeme pracovat jako ekosystém, abychom toho dosáhli,“ říká Bentall. Rozhovory mezi letišti, leteckými společnostmi a výrobci začaly.

Existuje mnoho důvodů, proč by se to nemuselo stát, ale existují dobré náznaky, že někdy ve třicátých letech 20. století budou ve vzduchu komerčně životaschopná letadla na vodíkový pohon, i když zpočátku mohou vypadat jako letadla, která se dnes řadí na letištích, jako je Heathrow.

„Existuje několik opravdu zajímavých návrhů, futuristických návrhů, které by se hodily pro vodík,“ říká Morgan. „Nicméně, co nechcete dělat, když přecházíte na vodíkovou flotilu, je udělat vše tak radikální, že se přechod stane skutečným problémem.“

„Bezpečnost je jediným účelem všeho, co děláme… ale to, co jsem ve svém výzkumu zjistil, je, že existují určité způsoby myšlení a přístupy z 60. nebo 70. let, které i dnes převládají navzdory všem novým testovacím metodám,“ říká van der Veer. „Kdybych navrhl nejdokonalejší letadlo…ale není tam žádný trup, není to válcové, byl by to případ, kdy počítač řekne ‚ne‘. Certifikační úřady musí vyvinout certifikační metody pro návrhy letadel, které nikdy předtím neviděly.“

Zdroj: BBC