◄ جایگزین های سوخت های معمولی در صنعت هوانوردی

امیر محمد ماهوری: سوخت های مورد استفاده در صنعت هوانوردی، سوخت های مبتنی بر نفت یا ترکیبات نفتی و سوخت مصنوعی هستند که برای تامین انرژی هواپیما استفاده می شوند. آنها نسبت به سوخت های مورد استفاده برای استفاده زمینی، مانند گرمایش و حمل و نقل جاده ای، الزامات سخت گیرانه تری دارند و حاوی مواد افزودنی برای افزایش یا حفظ خواص مهم برای عملکرد یا جابجایی سوخت هستند. آنها بر پایه نفت سفید (JP-8) و( Jet A-1) هستند که در هواپیماهای توربین گازی مورد استفاده قرار می گیرند. هواپیماهای موتور پیستونی از بنزین سرب استفاده می کنند و آنهایی که موتورهای دیزلی دارند ممکن است از سوخت جت (نفت سفید) استفاده کنند. تا سال 2012، تمام هواپیماهای مورد استفاده توسط نیروی هوایی ایالات متحده دارای گواهینامه استفاده از مخلوط 50-50 نفت سفید و سوخت مصنوعی مشتق شده از زغال سنگ یا گاز طبیعی برای تثبیت هزینه سوخت بودند.

سوخت جت یک سوخت شفاف رنگ است که بر پایه نفت سفید بدون سرب (Jet A-1) یا ترکیب نفتا سفید (Jet B) است. مشابه سوخت دیزل، می توان آن را در موتورهای احتراق تراکمی یا موتورهای توربین استفاده کرد. 

Jet-A هواپیماهای تجاری مدرن را نیرو می دهد و ترکیبی از نفت سفید بسیار تصفیه شده است و در دمای بالای 49 درجه سانتی گراد (120 درجه فارنهایت) می سوزد. سوخت مبتنی بر نفت سفید دارای نقطه اشتعال بسیار بالاتری نسبت به سوخت بنزینی است، به این معنی که برای احتراق به دمای بسیار بالاتری نیاز دارد. این یک سوخت با کیفیت بالا است. اگر در آزمایش های خلوص و سایر آزمایش های کیفیت برای استفاده در هواپیماهای جت رد شود، به کاربران زمینی با الزامات کمتری مانند راه آهن فروخته می شود.

 ( Avgas )بنزین هوانوردی، توسط هواپیماهای کوچک، هلیکوپترهای سبک و هواپیماهای قدیمی با موتور پیستونی استفاده می شود. فرمول آن متمایز از بنزین معمولی  است که در وسایل نقلیه موتوری استفاده می شود، که معمولا در زمینه هوانوردی به آن mogas یا autogas می گویند اگرچه در انواع مختلفی عرضه می شود، اما رتبه بندی اکتان آن به طور کلی بسیار بالاتر از بنزین های موتور جاده ای است.

جایگزین های سوخت های هوایی متعارف مبتنی بر فسیل، سوخت های جدید ساخته شده از طریق روش زیست توده به مایع (مانند سوخت پایدار هوانوردی) و برخی روغن های گیاهی مستقیم نیز می توانند استفاده شوند.

سوخت هایی مانند سوخت پایدار هوانوردی این مزیت را دارند که تغییرات اندکی یا بدون نیاز به تغییرات در خود هواپیما وجود دارد، مشروط بر اینکه ویژگی های سوخت با مشخصات روانکاری و چگالی و همچنین تورم الاستومری مناسب در سیستم های سوخت هواپیما مطابقت داشته باشد. سوخت پایدار هوانوردی و ترکیبی از سوخت های جایگزین فسیلی و منابع پایدار، انتشار کمتری از ذرات  و گازهای گلخانه ای (GHGs) را به همراه دارد. با این حال، آنها به شدت مورد استفاده قرار نمی گیرند، زیرا هنوز با موانع سیاسی، فناوری و اقتصادی روبرو هستند، مانند اینکه در حال حاضر گران تر از سوخت های هوایی معمولی هستند.

گاز طبیعی فشرده (CNG) و گاز طبیعی مایع (LNG) مواد اولیه سوختی هستند که هواپیماها ممکن است در آینده از آنها استفاده کنند. مطالعاتی در مورد امکان استفاده از گاز طبیعی انجام شده است و شامل هواپیمای "SUGAR Freeze" تحت برنامه توسعه مفهوم پیشرفته N+4 ناسا (ساخته شده توسط تیم تحقیقاتی هواپیماهای فراصوت فرا صوت بوئینگ (SUGAR)) می شود. توپولف Tu-155 یک بستر آزمایش سوخت جایگزین بود که سوخت آن از LNG تامین می شد.انرژی ویژه کم گاز طبیعی حتی به صورت مایع در مقایسه با سوخت های معمولی، یک نقطه ضعف مشخص برای کاربردهای پروازی به آن می دهد.

هیدروژن را می توان تا حد زیادی بدون انتشار کربن استفاده کرد، اگر با انرژی از انرژی های تجدید پذیر مانند انرژی باد و خورشید تولید شود.

برخی از توسعه های فناوری برای هواپیماهای هیدروژنی پس از هزاره شروع شد و از حدود سال 2020 شروع به کار کرد، اما تا سال 2022 هنوز با توسعه کامل محصول هواپیما فاصله زیادی داشت.

پیل های سوختی هیدروژنی CO2 یا سایر انتشارات (به جز آب) تولید نمی کنند. با این حال، احتراق هیدروژن باعث انتشار NOx می شود. هیدروژن برودتی را می توان به عنوان مایع در دمای کمتر از 20K استفاده کرد. هیدروژن گازی شامل مخازن تحت فشار 250-350 bar است. با مواد موجود در دهه 2020، جرم مخازن به اندازه کافی قوی برای مقاومت در برابر این نوع فشار بالا بسیار بیشتر از خود سوخت هیدروژن خواهد بود و تا حد زیادی مزیت وزن به انرژی سوخت هیدروژن را نسبت به سوخت های هیدروکربنی نفی می کند. هیدروژن نسبت به سوخت های هیدروکربنی دارای یک نقطه ضعف حجمی شدید است، اما طرح های هواپیمای بدنه بال ترکیبی آینده، ممکن است قادر باشند این حجم اضافی را بدون گسترش زیاد ناحیه خیس شده در خود جای دهند.

حتی اگر در نهایت عملی باشد، جدول زمانی صنعت برای پذیرش هیدروژن نسبتا طولانی است. جایگزین های سوخت معمولی هوانوردی در آینده نزدیک شامل سوخت زیستی هوانوردی و سوخت مصنوعی ساخته شده (معروف به "e-jet") است. این سوخت ها در مجموع به عنوان " سوخت هوانوردی پایدار" (SAF)نامیده می شوند.

تولید سوخت هوانوردی به دو دسته تقسیم می شود: سوخت مناسب برای موتورهای توربین و سوخت مناسب برای موتورهای پیستونی جرقه زنی. برای هر کدام مشخصات بین المللی وجود دارد.

سوخت جت یک سوخت توربین گازی است که در هواپیماها و هلیکوپترهای پروانه و بال ثابت جت استفاده می شود. ویسکوزیته پایینی در دمای پایین دارد، محدوده چگالی و ارزش حرارتی محدودی دارد، تمیز می سوزد و هنگامی که تا دمای بالا گرم می شود از نظر شیمیایی پایدار می ماند.

بنزین هوانوردی، که اغلب به عنوان avgas یا 100-LL (کم سرب) شناخته می شود، یک نوع بنزین بسیار تصفیه شده برای هواپیما است، با تاکید بر خلوص، ویژگی های ضد ضربه و به حداقل رساندن رسوب شمع. Avgas باید دستورالعمل های عملکردی را هم برای شرایط مخلوط غنی مورد نیاز برای تنظیمات قدرت برخاستن و هم برای مخلوط های لاغرتر مورد استفاده در طول سفر برای کاهش مصرف سوخت رعایت کند. سوخت هواپیما را می توان به عنوان سوخت CNG استفاده کرد.

Avgas در حجم بسیار کمتری نسبت به سوخت جت، اما به تعداد بیشتری از اپراتورهای هواپیما فروخته می شود، در حالی که سوخت جت با حجم بالا به اپراتورهای هواپیماهای بزرگ، مانند خطوط هوایی و ارتش فروخته می شود.

موارد خاص عبارتند از:

هوافضای بمباردیر: هواپیمای چند منظوره چلنجر یک نوع ماموریت ویژه از پلت فرم جت تجاری بمباردیر چلنجر 650 است. Bombardier عملکرد را بر اساس استفاده از سوخت با میانگین ارزش حرارتی کمتر 18550 BTU/lb (43.147 MJ/kg) و چگالی 0.809 کیلوگرم در لیتر (6.75 پوند/گال آمریکا) است.[19]

Embraer: در کتابچه راهنمای برنامه ریزی فرودگاه خود برای E195، Embraer از تراکم سوخت 0.811 کیلوگرم در لیتر (6.77 پوند/گال آمریکا) استفاده می کند.

سوخت های هوانوردی از ترکیبی از بیش از دو هزار ماده شیمیایی، عمدتاً هیدروکربن ها (پارافین ها، الفین ها، نفتن ها و آروماتیک ها)، افزودنی هایی مانند آنتی اکسیدان ها و غیرفعال کننده های فلزی، بیوسیدها، کاهنده های ساکن، بازدارنده های یخ، بازدارنده های خوردگی و ناخالصی ها تشکیل شده اند. اجزای اصلی شامل n-هپتان و ایزواکتان است. مانند سوخت های دیگر، سوخت هواپیما برای موتورهای پیستونی جرقه زنی با درجه اکتان آنها توصیف می شود.

الکل، مخلوط الکل، و سایر سوخت های جایگزین ممکن است به صورت تجربی مورد استفاده قرار گیرند، اما الکل در هیچ یک از مشخصات سوخت هواپیمای تایید شده مجاز نیست. در برزیل، Embraer Ipanema EMB-202A نسخه ای از هواپیمای کشاورزی Ipanema با موتور اصلاح شده Lycoming IO-540-K1J5 است تا بتواند با اتانول کار کند. موتورهای هواپیمای دیگری که برای کار با اتانول 100 درصد اصلاح شدند، چندین نوع دیگر از موتورهای لایکومینگ (از جمله Lycoming 235N2C و Lycoming IO-320) و برخی موتورهای Rotax بودند.

هر عملیات سوخت رسانی می تواند بسیار خطرناک باشد و عملیات هوانوردی دارای ویژگی هایی است که باید رعایت شود. همانطور که یک هواپیما در هوا پرواز می کند، می تواند الکتریسیته ساکن را جمع کند. اگر این قبل از سوخت گیری از بین نرود، ممکن است قوس الکتریکی ایجاد شود و بخارات سوخت را مشتعل کند. برای جلوگیری از این امر، هواپیماها قبل از شروع سوخت رسانی به طور الکتریکی به دستگاه سوخت رسانی متصل می شوند و تا زمانی که سوخت گیری کامل نشده است، قطع نمی شوند. برخی از مناطق به هواپیما و/یا کامیون سوخت نیز نیاز دارند که زمینگیر شوند. سیستم های سوخت رسانی تحت فشار دارای سوئیچ مرده هستند تا از عملکرد نظارت نشده جلوگیری کنند.

سوخت هوانوردی می تواند آسیب شدید زیست محیطی ایجاد کند. تمام خودروهای سوخت رسان باید تجهیزاتی برای کنترل نشت سوخت داشته باشند. در هر عملیات سوخت رسانی باید کپسول آتش نشانی وجود داشته باشد. نیروهای آتش نشانی فرودگاه به طور ویژه برای کنترل آتش سوزی و نشت سوخت هواپیما آموزش دیده و مجهز هستند. سوخت هواپیما باید روزانه و قبل از هر پرواز برای آلاینده هایی مانند آب یا خاک بررسی شود.

Avgas تنها سوخت حمل و نقل حاوی سرب باقی مانده است. سرب موجود در گاز از ضربه یا انفجار موتور که می تواند منجر به خرابی ناگهانی موتور شود، جلوگیری می کند.

* کارشناس هوانوردی