آینده پرواز

آدم‌ها همیشه رویای پرواز داشته‌اند، و با اینکه تلاش‌های زیادی شد، طبیعت معمولاً نقشه‌های دیگری بر پایه گرانش داشت ^[1-4]. اما بالاخره، برادران اورویل و ویلبر رایت با ترکیبی از سماجت محض و بی‌خیالی نگران‌کننده نسبت به ایمنی شخصی، در سال ۱۹۰۳ رمزش را شکستند ^[5].

متأسفانه، مقابله با طبیعت هزینه دارد…

آلودگی‌ای که هواپیماها بیرون می‌دهند، مسئول حدود ۴٪ از گرمایش جهانی است ^[6,7,8].

واضح است که به راه‌حل نیاز داریم.

امروز، بیشتر هواپیماها سوخت فسیلی‌ای به نام نفت سفید می‌سوزانند ^[9,10]. مشکل اینجاست که سوزاندن آن همه نفت سفید، هر سال حدود یک میلیارد تن CO₂ بیرون می‌دهد ^[11-14]، به‌علاوه اکسیدهای نیتروژن و آلاینده‌های دیگری که می‌توانند برای اقلیم حتی از CO₂ هم بدتر باشند، مخصوصاً در ارتفاع‌های بالا ^{[10,12,15,16]}.

مثلاً دوده و بخار آب را در نظر بگیر. این دو با هم رد بخار می‌سازند (همان خط‌های نازک پشت هواپیماها). در بعضی شرایط، این‌ها هم می‌توانند گرما را نگه دارند ^[17,18].

پس با اینکه CO₂ ناشی از پرواز کمتر از ۲٪ گرمایش جهانی را تشکیل می‌دهد، اثر کلی همه انتشارهای هوانوردی حدود ۴٪ است ^[6,7,8]. و با دو برابر شدن سفر هوایی تا سال ۲۰۵۰، این خیلی زود دارد به مشکل بزرگ‌تری تبدیل می‌شود ^[19,20,21].

پس چه کار کنیم؟

خب، چند پیشرفت دارند راه را برای آسمان پاک‌تر باز می‌کنند.

مهندسان، در ادامه راه برادران رایت، هواپیماها را خوش‌فرم‌تر، سبک‌تر و بهینه‌تر کرده‌اند ^[22]. مثلاً بیشتر هواپیماهای مدرن همین حالا هم از نوک‌بال‌های خمیده استفاده می‌کنند تا مقاومت هوا را کم کنند و تا ۵٪ در سوخت صرفه‌جویی کنند ^[23,24,25].

اما چرا به همین‌جا بسنده کنیم؟ طراحی بال جعبه‌ای می‌تواند مصرف سوخت را تا ۲۲٪ کم کند و برای دهه ۲۰۳۰ برنامه‌ریزی شده است ^[26-30]، در حالی که طراحی بال یکپارچه می‌تواند مصرف سوخت را تا ۳۰٪ کاهش دهد و تا یک دهه دیگر وارد خدمت شود ^[31-35].

و این فقط ظاهر بیرونی هواپیماست…

شرکت‌های هواپیمایی با ارتقای موتورهای قدیمی به تازه‌ترین طراحی‌ها، انتشارها را تا ۱۵-۲۵٪ کم می‌کنند ^{[11,22,36,37]}. حالا خیلی از شرکت‌های هواپیماسازی از کامپوزیت‌های کربنی سبک ^[11,37-40] و قطعات چاپ سه‌بعدی در همه‌چیز، از موتور تا بدنه هواپیما، استفاده می‌کنند تا هواپیماهایشان از همیشه سبک‌تر شوند ^[41-48].

و فقط بدنه هواپیما نیست که می‌شود سبک‌ترش کرد: با برنامه‌ریزی و تدارکات بهتر، می‌شود مسیرهای پرواز را برای بهره‌وری بیشتر ساده‌تر کرد و بدون دست زدن به طراحی، ۱۰٪ از انتشارها کم کرد ^[49-53]. نتیجه؟ سوخت کمتر و انتشار کمتر در آسمان.

اما اصلاً چرا هوایی سفر کنیم؟

پیشرفت قطارهای تندرو، سفرهای دور را از همیشه پاک‌تر، ارزان‌تر و راحت‌تر کرده است ^[54,55,56]. در واقع، برای مسیرهای تا ۸۰۰ کیلومتر، قطار تندرو حتی از پرواز هم سریع‌تر است! ^[57-60] برآورد می‌شود که در اروپا، ۲۰٪ پروازهای کوتاه‌برد را بتوان با قطار تندرو جایگزین کرد ^{[57,61,62,63]}.

کم کردن تقاضا با دیجیتالی شدن، یک راه‌حل ساده دیگر است. همه‌گیری COVID-19 ثابت کرد که ویدئوکنفرانس، دورکاری و همکاری مجازی می‌توانند آدم‌ها و کسب‌وکارها را بدون هیچ نیازی به پرواز به هم وصل کنند ^[64,65,66].

برای وقت‌هایی که پرواز لازم است، خیلی از شرکت‌های هواپیمایی از طرح‌های جبران کربن استفاده می‌کنند تا انتشارهای کربن را خنثی کنند ^[67,68,69]: با کاشت درخت، استفاده از جذب مستقیم کربن از هوا (DAC)، یا تأمین مالی انرژی تجدیدپذیر.

مشکل اینجاست که اثر زیست‌محیطی همه این جبران‌ها در مقایسه با اثر پرواز خیلی ناچیز بوده است:

• درخت‌ها دهه‌ها زمان می‌خواهند تا رشد کنند.
• جذب مستقیم CO₂ از هوا امیدوارکننده است اما هنوز گران است و در مقیاسی بسیار کوچک‌تر از آن کار می‌کند که تفاوتی ایجاد کند.
• تأمین مالی انرژی‌های تجدیدپذیر هیچ کاری برای رسیدگی مستقیم به انتشارهای هوانوردی نمی‌کند ^[69-73].

پس برای اینکه واقعاً آسمان را پاک کنیم، هواپیماها به یک منبع انرژی تازه نیاز دارند!

شاید بدیهی به نظر برسد که از ماشین‌ها تقلید کنیم و سوخت را با باتری عوض کنیم، اما باتری‌های مدرن برای تولید انرژی یکسان می‌توانند تا ۵۰ برابر سوخت جت وزن داشته باشند! پس یک جت مسافربری برقی در اندازه کامل، برای بلند شدن از باند هم به زحمت می‌افتد، چه برسد به عبور از اقیانوس اطلس ^[74-79].

در عوض، پیشرانش برقی برای هواپیماهای کوچک و سفرهای کوتاه‌تر بهترین گزینه است ^[80]. در واقع، نخستین هواپیماهای برقی آزمایشی همین حالا در آمریکا، بریتانیا و چین پرواز می‌کنند ^[81-85]. باتری‌ها را می‌شود در مدل‌های هیبریدی آزمایشی با موتورهای سنتی هم ترکیب کرد ^[77,79]. این هواپیماها شاید روزی بیش از ۱٬۰۰۰ کیلومتر سفر کنند ^[86,87,88].

و با ارزان‌تر و قدرتمندتر شدن باتری‌ها، هواپیماهای مسافربری تجاری تمام‌برقی در مسیر انجام سفرهای کوتاه‌تر از ۵۰۰ کیلومتر تا یک دهه دیگر هستند ^[89-93].

متأسفانه، پروازهای میان‌برد و دوربرد مسئول بیشتر انتشارهای هوانوردی هستند. احتمالاً تا دست‌کم سال ۲۰۹۰ نمی‌توانند برقی شوند، پس آدم‌ها هنوز به راه‌حل‌های دیگری نیاز دارند ^{[14,74,75,94]}.

سوخت پایدار هوانوردی، یا SAF، وارد می‌شود. این سوخت‌های کربن‌خنثی بدون نیاز به هیچ تغییر مهمی در موتورهای امروزی کار می‌کنند ^[95-98].

پس گیر کار کجاست؟

خب، رایج‌ترین نوع‌ها سوخت زیستی هستند. این‌ها را می‌شود از گیاهان ساخت، اما کشت ناپایدار این گیاهان می‌تواند زمین کشاورزی را اشغال کند ^[99,100,101].

امروز، این سوخت‌ها کمتر از ۱٪ سوخت هوانوردی را تشکیل می‌دهند ^[102-105]، پس افزایش تولیدشان می‌تواند یعنی انتخاب بین غذا و سوخت. اگر بد مدیریت شود، حتی ممکن است به جنگل‌زدایی منجر شود، کربن آزاد کند و کل هدف استفاده از آن را خراب کند! ^{[10,106,107,108]}

تدابیری برای کم کردن اثر بر غذا در حال اجرا هستند ^[109-114]، اما یک گزینه خیلی امیدوارکننده‌تر استفاده از منابع پایدار و غیرخوراکی مثل جلبک دریایی، ریزجلبک یا حتی روغن پخت‌وپز مصرف‌شده است ^[11,115,116].

در واقع، شرکت‌های هواپیمایی اروپایی همین حالا به SAFهایی روی آورده‌اند که از چربی‌ها و روغن‌های پخت‌وپز بازیافتی ساخته می‌شوند. این‌ها روی هم حدود ۵۵٪ از تأمین برنامه‌ریزی‌شده سوخت‌های پایدارشان را تشکیل می‌دهند ^[117,118]. و سوخت‌های زیستی ساخته‌شده از ریزجلبک در آمریکا سرمایه‌گذاری بزرگی گرفته‌اند و در ژاپن با موفقیت آزمایش شده‌اند ^{[119,120,121]}.

یک گزینه دیگر هیدروژن سبز است. هیدروژن سبز که با استفاده از برق تجدیدپذیر برای جدا کردن هیدروژن از آب ساخته می‌شود، سوختی شگفت‌انگیز و پاک‌سوز است که جز بخار آب چیزی باقی نمی‌گذارد ^[122,123]. نه‌تنها CO₂ را کاملاً حذف می‌کند، بلکه می‌تواند اکسیدهای نیتروژن مضر را هم حدود ۸۶٪ کم کند ^[124].

پس ایرادهایش چیست؟

خب، حتی هیدروژن هم رد بخار می‌سازد، همان ابرهای خط‌خطی که می‌توانند به‌طرز اعصاب‌خردکنی گرما را نگه دارند ^[124]. ذخیره و جابه‌جایی آن هم نسبتاً سخت است و به مخزن‌های پرفشار یا ذخیره‌سازی مایع فوق‌سرد نیاز دارد ^{[122,125,126]}.

با این حال، شرکت‌های هواپیماسازی برای ساخت هواپیماهای هیدروژنی آینده با هم رقابت می‌کنند، و برق تجدیدپذیر لازم برای تولید هیدروژن هم با سرعت در حال رشد است ^[127-130]. اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، هواپیماهای هیدروژنی شاید از سال ۲۰۳۵ برسند ^[131-134].

اما این هنوز انتظار طولانی‌ای است. آیا راهی هست که همین حالا در هواپیماهای موجود از هیدروژن سبز استفاده کنیم؟

بله! هیدروژن سبز را می‌شود با کربن جذب‌شده از هوا (به نسبت ۳ به ۱) ترکیب کرد تا یک سوخت هوانوردی پایدار مصنوعی بسازیم که با نام Power-to-Liquid یا e-SAF شناخته می‌شود ^[135-139]. این را می‌شود بدون تغییر در هواپیماهای امروزی استفاده کرد ^[94,140-143]. همین حالا در پروازهای آزمایشی استفاده می‌شود و می‌تواند در دهه آینده به‌طور چشمگیری گسترش پیدا کند ^[140-147].

برآورد می‌شود که e-SAF تا سال ۲۰۵۰ بیش از ۵۰٪ کل سوخت هوانوردی پایدار را تشکیل دهد و کمک کند انتشارها پایین بمانند، پیش از آنکه هواپیماهای هیدروژنی واقعی واقعاً اوج بگیرند! ^[148]

پرواز بدون کربن بخشی ضروری و اجتناب‌ناپذیر از گذار به انرژی سبز است. شاید زمان ببرد، اما با توجه به اینکه آدم‌ها فقط در ۴۴ سال از نخستین پرواز موتوردار به شکستن دیوار صوتی رسیدند، کاملاً از پس این چالش برمی‌آیند! ^{[149,150,151]}

با هدف‌گذاری هم‌زمان انجمن بین‌المللی حمل‌ونقل هوایی و سازمان بین‌المللی هوانوردی غیرنظامی سازمان ملل برای خالص صفر تا سال ۲۰۵۰، مسابقه شروع شده است! ^[152-155]

شرکت‌های هواپیمایی جهان گام‌های بلندی به‌سوی بهره‌وری بهتر سوخت برمی‌دارند: تولید سوخت‌های پایدار و هیدروژن سبز در حال گسترش است، و باتری‌های نسل بعد با سرعت پیشرفت می‌کنند ^[156-160]. پس با شتاب گرفتن فناوری، شکل گرفتن حرکت جمعی و چارچوب سیاستی برای پشتیبانی از همه این‌ها، پرواز بدون کربن نقطه عطف بعدی در تاریخ طولانی نوآوری خواهد بود.

دیگر مسئله این نیست که آیا… فقط مسئله این است که کی!