По прогнозам экспертов, к 2050 году объем мирового воздушного трафика ждет семикратное возрастание, которое будет сопровождаться четырехкратным увеличением выбросов авиационных парниковых газов. Увеличение авиационных выбросов произойдет неминуемо, если только мировыми авиапроизводителями не будут приняты фундаментальные изменения в идеологии конструирования самолетов.
Важнейшим шагом для превращения авиации в экологичный вид транспорта станет полная электрификация коммерческого воздушного флота.
Это позволит сократить до нуля выбросы в атмосферу углекислого газа и оксидов азота, если энергия для самолетов будет производиться на станциях, которые сами не загрязняют атмосферу. Главной трудностью на этом пути пока остается ограниченность емкости аккумуляторов — то есть заряда, который они несут в себе на единицу собственного веса.
По словам американского миллиардера, соучредителя компании SpaceX Илона Маска, когда промышленность сможет производить батареи, способные выдавать до 400 ватт-часов на килограмм собственного веса, говорить о создании трансконтинентальных электрических авиалайнеров будет уже «интересно». В 1994 году рекордная емкость литий-ионных аккумуляторов составляла 113 Вт*ч/кг, в 2004-м — 202 Вт*ч/кг, сегодня есть батареи с емкостью 300 Вт*ч/кг.
Учитывая такую динамику, стоит предположить достижение заветных показателей в течение ближайшего десятилетия.
Еще одним аспектом в формировании будущего авиации становится экспоненциальное падение стоимости солнечных батарей, которые уже сегодня в большинстве американских штатов стали самым дешевым источником энергии. Ожидаемое к 2025 году падение на 70% стоимости литий-ионных аккумуляторов и рост цен на авиакеросин указывают на то, что авиапроизводителям будет все заманчивее обращаться к идее электрификации самолетов. И как часто бывает в таких случаях, тормозить процесс будут не технологические трудности, а экономическая и политическая инерция.
Биотопливо
Сегодня средний срок службы пассажирских и транспортных самолетов составляет 21 и 33 года соответственно. Поэтому даже если завтра все самолеты станут выпускаться на электрической тяге, процесс перехода займет два-три десятилетия. В то же время использование биотоплива позволяет снизить выбросы парниковых газов на 36–85%. Переход на биотопливо гораздо менее затратен по сравнению с полным отказом от двигателей внутреннего сгорания.
И хотя первое авиационное биотопливо было сертифицировано еще в 2009 году, авиаиндустрия не торопится применять его на практике. Переход на биотопливо и масштабирование его производства не требует огромных затрат, однако главным тормозом сейчас остается его цена, которая сможет сравняться с ценой керосина лишь через 10 лет. Учитывая то, что разработка новых авиационных технологий — от исследований до чертежей и испытаний — занимает с десяток лет,
отказ от двигателей внутреннего сгорания в авиации произойдет лишь к середине XXI века. Это подтолкнет развитие авиастроения в целом, создание новых материалов, электрических движителей и контроля за движением.
Наночипы
Разработке новых самолетов будет способствовать и драматическое снижение цены и габаритов компьютеров. Если в 1970 году размеры транзисторов в процессорах измерялись тысячами нанометров, то сегодня это уже 23 нм, а к 2025 году этот показатель должен составить 7 нм. Учитывая этот тренд и развитие в 3D-принтинге деталей, через 10 лет стоит ждать появления компьютеров, способных отслеживать малейшие изменения параметров полета, и при помощи чутких миниатюрных исполнительных механизмов
контролировать режимы полета вплоть до изменения формы лайнера.
Когда электрические самолеты станут реальностью, следующим шагом будет разработка особых воздушных движителей, которые могут обеспечивать тягу в любых направлениях. Это избавит самолеты от традиционных рулей высоты, направления и вообще хвостовых стабилизаторов, которые несут дополнительную массу и трение.
Птицы научат
Сегодня крылья самолетов достигли своего совершенства в плане аэродинамического качества, однако они почти не используют свойства, скажем, крыльев птиц. Принципы конструирования современных крыльев были заложены еще век назад, однако технологии не стоят на месте. Отныне мы не обязаны делать жесткое крыло с отдельными элементами механизации, а можем обратиться к живой природе. Как сказал Ричард Фейнман, «воображение природы куда шире, чем человека, она никогда не даст нам расслабиться».