Vì sao nhiên liệu phản lực hóa thạch khó bị thay thế?

Năm 1980, NASA thử nghiệm cánh quạt SR-6 trong chương trình phát triển động cơ propfan tiết kiệm nhiên liệu, tiếp nối nỗ lực ứng phó các cú sốc năng lượng của thập niên 1970. Thử nghiệm ấy cho thấy một lựa chọn thực dụng của ngành hàng không: cải tiến máy bay để dùng ít nhiên liệu hơn thường dễ thực hiện hơn việc thay toàn bộ nguồn năng lượng. Nhiên liệu phản lực hóa thạch khó bị thay thế vì nó đã được tối ưu cùng động cơ, thân máy bay, sân bay và quy trình an toàn thành một hệ thống hoàn chỉnh. [1]

Một phương án mới không chỉ cần cháy được hoặc phát thải ít carbon hơn. Nó còn phải mang đủ năng lượng mà không làm máy bay quá nặng, không chiếm quá nhiều thể tích, hoạt động trong giá lạnh và đủ an toàn khi vận chuyển. Nếu phải thay bể chứa, đường ống, động cơ hay cách tiếp nhiên liệu, lợi ích của nguồn năng lượng mới phải bù được chi phí cải tạo cả hệ thống. [1]

Vì sao nhiên liệu và động cơ gắn chặt với nhau?

Động cơ phản lực hút không khí vào, nén lại rồi đốt nhiên liệu. Dòng khí nóng có áp suất cao thoát về phía sau tạo lực đẩy máy bay về phía trước. So với động cơ piston từng phổ biến trước Thế chiến II, động cơ phản lực tạo công suất lớn với ít bộ phận chuyển động hơn, phù hợp với chuyến bay nhanh và xa. Đổi lại, nó cần loại nhiên liệu khác với xăng hàng không vẫn dùng trên nhiều máy bay piston. [1]

Nhiên liệu phản lực hiện đại được tinh chế từ dầu hỏa và được tinh chỉnh song song với máy móc sử dụng nó. Các hãng dầu từng phối hợp với những nhà sản xuất động cơ như Rolls-Royce và Pratt & Whitney để điều chỉnh đặc tính nhiên liệu theo điều kiện vận hành. Bởi vậy, một chất thay thế phải hoạt động ổn định trong bơm, đường ống và buồng đốt, chứ không thể chỉ đạt yêu cầu trong một phép thử cháy riêng lẻ. [1]

Nhiên liệu phải vượt qua những phép thử nào?

Khối lượng và thể tích là hai ràng buộc đầu tiên. Máy bay phải tự nâng nguồn năng lượng của mình, nên nhiên liệu cần chứa nhiều năng lượng trong một lượng vật chất tương đối nhỏ. Có thể hình dung một nguồn năng lượng đủ cho cùng hành trình nhưng cần bể chứa lớn hơn: không gian dành cho hành khách và hàng hóa sẽ giảm, trong khi bể cùng kết cấu gia cố lại làm máy bay nặng thêm. Ưu thế ở một thông số vì thế có thể bị triệt tiêu bởi thông số khác. [1]

Nhiên liệu phản lực thông dụng còn phải duy trì trạng thái lỏng ở khoảng âm 40°C hoặc thấp hơn, tương ứng với môi trường lạnh trên cao. Điểm chớp cháy của nó ít nhất là 38°C; đây là nhiệt độ thấp nhất mà hơi nhiên liệu có thể bị ngọn lửa hoặc tia lửa làm bắt cháy. Sự kết hợp giữa khả năng chảy trong giá lạnh và mức an toàn khi xử lý trên mặt đất là một phần quan trọng của lợi thế hiện có. [1]

Propfan giải quyết được phần nào của bài toán?

Propfan được nghiên cứu mạnh sau khủng hoảng năng lượng thập niên 1970 nhằm nâng hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Hướng đi này không nhất thiết thay chất lỏng trong bể mà tìm cách tạo cùng lượng lực đẩy với mức tiêu thụ thấp hơn. Cải tiến động cơ hoặc khí động học có thể được triển khai trong mạng lưới cung ứng quen thuộc, trong khi một nguồn năng lượng hoàn toàn khác có thể đòi hỏi đồng thời máy bay, thiết bị mặt đất và quy trình ứng phó sự cố mới. [1]

Điều đó phân biệt hai mục tiêu thường bị nhập làm một: giảm lượng nhiên liệu cho mỗi chuyến bay và loại bỏ nhiên liệu hóa thạch. Một máy bay hiệu quả hơn vẫn có thể đốt kerosene, nhưng tiêu thụ ít hơn. Ngược lại, máy bay dùng nguồn năng lượng mới chưa chắc hoạt động hiệu quả nếu phải mang hệ thống chứa, làm lạnh hoặc tản nhiệt quá nặng. Những hướng này có thể hỗ trợ nhau, nhưng không thay thế cho nhau. [1]

SAF, pin và hydro vướng ở đâu?

Nhiên liệu hàng không bền vững, thường gọi là SAF, gần với hệ thống hiện tại nhất vì có thể pha với nhiên liệu phản lực thông thường mà không phải thiết kế lại toàn bộ động cơ, máy bay và sân bay. Tuy nhiên, lợi ích khí hậu thay đổi theo nguyên liệu và phương pháp sản xuất. Cây trồng cần đất, phân bón và thu hoạch; dầu ăn đã qua sử dụng, chất béo thải cùng phụ phẩm nông nghiệp lại có nguồn cung hữu hạn và cần được thu gom, xử lý. [1]

Pin hiện phù hợp hơn với máy bay nhỏ và hành trình ngắn. Cất cánh, hạ cánh cần công suất lớn, tạo nhiều nhiệt và kéo theo thiết bị làm mát. Hydro lỏng có năng lượng trên mỗi kilôgam gần gấp ba nhiên liệu phản lực nhưng chiếm thể tích khoảng gấp bốn lần và rất dễ cháy. Năm 1988, một máy bay thử nghiệm của Liên Xô phải dành phần lớn khoang hành khách cho bể hydro, minh họa rõ sự đánh đổi giữa khối lượng và thể tích. [1]

Vì các giới hạn khác nhau, hàng không có thể không tìm được một lựa chọn duy nhất cho mọi đường bay. SAF tận dụng được đội máy bay hiện hữu; điện có thể phát triển trước ở drone, máy bay nhỏ hoặc phương tiện cất hạ cánh thẳng đứng; còn hydro có thể cần thiết kế thân máy bay và hạ tầng riêng. Giải pháp phù hợp cho vận chuyển nội vùng chưa chắc đáp ứng được nhu cầu của một chuyến bay xuyên đại dương. [1]

Giảm CO2 có giải quyết hết tác động khí hậu?

Hàng không được ước tính gây khoảng 3,5% tác động làm biến đổi khí hậu do con người, nhưng chỉ khoảng một phần ba tác động ấy đến từ CO2 sinh ra khi đốt nhiên liệu. Phần còn lại liên quan đến oxit nitơ, muội và vệt ngưng tụ. Những vệt này có thể lan thành mây mỏng gồm tinh thể băng, giữ lại nhiệt phát ra từ bề mặt Trái Đất. Vì thế, chỉ so sánh lượng carbon của các loại nhiên liệu sẽ chưa phản ánh đầy đủ ảnh hưởng của chuyến bay. [1]

Một nhiên liệu có phát thải carbon vòng đời thấp hơn vẫn cần được xem xét cùng sản phẩm cháy, hơi nước, muội và khả năng hình thành vệt ngưng tụ. Bài toán thay thế nhiên liệu phản lực vì vậy không nằm ở một chỉ số đơn lẻ. Nó đòi hỏi điều chỉnh đồng thời nguồn năng lượng, động cơ, hình dáng máy bay và cách khai thác chuyến bay mà vẫn giữ được khả năng chuyên chở, độ tin cậy cùng mức an toàn của hàng không hiện đại. [1]