Hàng không thế giới đối mặt với một vấn đề nan giải, yêu cầu phải có giải pháp giải quyết trước mắt và lâu dài, đó là ngăn chặn và giảm lượng khí thải của ngành ngày một gia tăng, chiếm tới hơn 2% lượng khí thải toàn cầu.
Những giải pháp đã được đề xuất là sử dụng nhiên liệu tái tạo hoặc nhiên liệu “xanh”, đồng thời nghiên cứu xem xét lại lại những khuôn mẫu thiết kế hiện có. Nhưng thiết kế khung máy bay mới cần không chỉ cải thiện hiệu suất máy bay mà còn bổ xung những lợi ích phụ như tăng thể tích cabin, cung cấp không gian rộng rãi để triển các phương án động cơ bền vững, như máy bay lai ghép nhiên liệu-điện hoặc thậm chí sử dụng điện năng hoàn toàn.
Những thiết kế mới cho thấy hứa hẹn sẽ "phá vỡ khuôn mẫu" của máy bay thông thường và mở ra một hướng đi mới kết hợp với hệ thống động lực đẩy có mật độ năng lượng thấp hơn.
Những giải pháp mới nhằm tạo ra một phương án loại bỏ nhiên liệu hóa thạch trên các chuyến bay đường dài lớn hơn 1.500 km, chiếm đến 80% tổng lượng khí thải của ngành hàng không. Sự đổi mới tiếp tục là nhu cầu cấp thiết dù mức đốt nhiên liệu trung bình cho mỗi hành khách trên mỗi km bay đối với các máy bay “ống và cánh” thông thường giảm 50% trong 5 thập kỷ qua .
Máy bay điện có phải là mô hình phát triển của tương lai?
Những chuyến bay đường dài hoàn toàn bằng năng lượng điện là hy vọng tương lai của ngành hàng không. Nhưng máy bay động cơ điện đến nay vẫn nằm trong danh mục tục ngữ “nhiều năm nữa sẽ xuất hiện”. Nguyên nhân chủ yếu là do tỷ lệ năng lượng trên trọng lượng của pin Li-ion thương mại thấp, ở mức ~ 270 Wh/ kg, nhưng pin nguồn điện yêu cầu phải đạt được là 800 Wh/kg đối với các chuyến bay đường dài.
Đến thời điểm này, ngành hàng không đã đạt được chuyến bay hoàn toàn bằng điện trên khoảng cách ngắn. Một điều thú vị là, chi phí điện cho máy bay điện MagniX Cesna Caravan là khoảng 6 USD cho chuyến bay địa phương dài 160 km so với chi phí là 400 USD nếu sử dụng nhiên liệu lỏng. Điện khí hóa máy bay không chỉ là một lựa chọn “xanh hơn” cho các hãng hàng không mà còn có hiệu quả chuyến bay, cho lợi nhuận cao hơn.
Một giải pháp mang tính quá trình, cho đến khi máy bay hoàn toàn chạy bằng điện có thể là mô hình lai ghép hybrid, nhiên liệu năng lượng cao (dầu hóa thạch, nhiêu liệu sinh học có thể được sử dụng để cất cánh, pin điện được sử dụng trong quá trình bay hành trình. Những loại máy bay hybrid nhiên liệu-điện này có lợi thế do năng lượng nhiên liệu và hơn nữa, nhiên liệu hóa học ở thể khí hoặc lỏng kết hợp với nguồn điện-pin cho phép thường xuyên, liên tục sạc pin, như hệ thống động cơ lai ghép trong các loại phương tiện vận tải mặt đất.
Nhiên liệu hydro hoặc năng lượng cao có nguồn gốc tái tạo như metanol, đimetyl ete, oxymetylen đimetyl ete có thể được thay thế dầu cho máy bay. Nhưng hiện nay, hydro chưa khả thi vì cần thiết bị chứa nặng, đồng thời các hóa chất năng lượng cao cần nhiều thiết bị phụ trợ hơn để chiết xuất hydro cho sử dụng.
Điện khí hóa đòi hỏi phải thay đổi cấu trúc thiết kế truyền thống
Một thách thức lớn trong những thiết kế “ống và cánh” truyền thống trong điện khí hóa là không có thể tích lưu trữ cho những loại động cơ đẩy khác. Ví dụ, pin để cung cấp năng lượng tương đương nhiên liệu dầu cho máy bay lớn nhất thế giới, Airbus A380, có khối lượng nặng gấp 30 lần khối lượng nhiên liệu lỏng và gấp nhiều lần thể tích do tỷ lệ năng lượng trên khối lượng và thể tích thấp. Do đó, thiết kế hybrid là một cấu trúc hấp dẫn trong tương lai chứ không phải hiện tại.
Các đề xuất máy bay sáng tạo như X-48 của Boeing và NASA, sử dụng thiết kế khung thân dạng cánh bay pha trộn tương tự như máy bay ném bom B-2 của không quân Mỹ có thể là giải pháp thay thế cho thiết kế "ống và cánh" thông thường đã phổ biến của ngành hàng không thương mại .
Thiết kế kiểu cánh bay pha trộn giảm 15% trọng lượng khi cất cánh và tiết kiệm nhiên liệu 27% so với những thiết kế thông thường. Do khung máy bay X-48 có sức nâng đồng đều hơn, do đó tránh được sự cần thiết những vật liệu gia cường bổ sung, nặng nề để gắn các cánh gắn vào thân máy bay. Cải thiện hiệu suất nhiên liệu từ 5% trở lên có thể đạt được bằng cách loại bỏ cánh và đuôi ổn định, cấu trúc nhẹ và đồng đều hơn, có thể được chế tạo từ vật liệu composite nhẹ, cho phép tăng tải trọng hữu ích bên trong.
Mô hình máy bay động cơ lai ghép điện - nhiên liệu tương lai của NASA
Sự gia tăng tải trọng hữu ích cho phép sử dụng làm bình chứa hydro, giá đỡ pin, tổ hợp kết cấu pin, thiết lập hệ thống động cơ lai hybrid nhiên liệu điện và có thể mang tới 450 hành khách trong khoang rộng hơn. Nhược điểm của các thiết kế cánh bay pha trộn là cần máy tính điều khiển để duy tri một cấp độ ổn định trong khi bay, trong khi những thiết kế thông thường với vây đuôi có tính năng tự ổn định “fail-safe”” hoặc tự điều chỉnh độ ổn định. Mặc dù đã có những cuộc thử nghiệm trên các phiên bản quy mô nhỏ cách đây một thập kỷ, Boeing và NASA đang lên kế hoạch giới thiệu một nguyên mẫu cánh thân pha trộn (cánh bay) tương tự như một máy bay chở khách truyền thống.
Nhiên liệu phản lực tái tạo, bước đầu tiên giảm phát thải CO2
Những chương trình cấu trúc khung máy bay và phát triển động cơ mới này mới bắt đầu, ngành hàng không phải tìm giải pháp sử dụng nhiên liệu tái tạo để đạt được các mục tiêu khí hậu bền vững. Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế (IATA) đặt mục tiêu sử dụng 2% hoặc 7,3 tỷ lít nhiên liệu bền vững vào năm 2025.
Trong ngành công nghiệp nhiên liệu tái tạo cho máy bay vận tải phản lực mới mở, đi tiên phong là các công ty mới thành lập Climeworks và Synhelion, công ty con của ETH Zurich. Những công ty này đề xuất cung cấp cho hãng hàng không Lufthansa Group, một lựa chọn nhiên liệu khác cho máy bay thông thường trong giai đoạn chuyển đổi bằng nhiên liệu máy bay “xanh”.
Climeworks và Synhelion sử dụng công nghệ thu giữ CO 2 từ môi trường và nước tạo ra khí tổng hợp, qua một quá trình nhiệt hóa bằng năng lượng mặt trời phân tách nguồn nguyên liệu thô. Sản phẩm thu được được sử dụng để sản xuất nhiên liệu “xanh”.
Nhiều công ty khác trong lĩnh vực năng lượng tái tạo có thể cung cấp nhiên liệu phản lực carbon thấp bằng việc sử dụng nguyên liệu thô phi hóa thạch và các công nghệ tiên tiến khác nhau. Nguyên liệu đầu vào có thể là dầu thực vật thải loại bỏ các este và axit béo thông qua phương pháp xử lý bằng nước (hơn 10 công ty trong đó có Total và Neste), khí thải công nghiệp chuyển hóa thành cồn đến sản xuất nhiên liệu máy bay phản lực (công ty Lanzatech), nguyên liệu phế thải / sinh khối nông nghiệp và lâm nghiệp, chất thải rắn đô thị, quần áo vải bông thải loại, thông qua quá trình khí hóa và tổng hợp Fischer-Tropsch để tạo thành nhiên liệu (hơn 7 công ty bao gồm Enerkem và Japan Airlines), thu giữ CO2 môi trường, thông qua quá trình tổng hợp quang nhiệt và Fischer -Tropsch để sản xuất nhiên liệu (công ty Synhelion và Climeworks), thu giữ CO2 từ môi trường, thông qua quá trình Power-to-Liquids để sản xuất nhiên liệu (5 công ty, trong đó có Sunfire và Copenhagen Airport).
Sự thành công và khả năng duy trì lâu dài của những giải pháp này phụ thuộc vào mức độ hiệu quả về giá thành, khả năng cân bằng carbon trung tính hoặc giảm thiểu carbon, có thể cạnh tranh với các công nghệ lai ghép động cơ (hybrid) nhiên liệu - điện đang phát triển.
Khuyến khích phát triển nhiên liệu bền vững
Một số quốc gia châu Âu cũng đang kêu gọi một quy định về nhiên liệu hàng không bền vững, yêu cầu một tỷ lệ nhiên liệu máy bay sử dụng nhất định phải có nguồn gốc tái tạo. Với tỷ lệ net-zero vào năm 2050 ở nhiều quốc gia, ngành công nghiệp nhiên liệu tái tạo phi hóa thạch sẽ là một yếu tố cần thiết trong những thập kỷ tới trong khi những công nghệ tiên tiến phi carbon khác có thể đưa vào thực tế.
Kể từ tháng 3/2021 , tập đoàn hàng không Mỹ, Airlines for America, cho rằng thị trường Bắc Mỹ chưa sẵn sàng cho việc sử dụng một phần nhiên liệu phi hóa thạch do lo ngại có quá ít nhà sản xuất đang có vị thế độc quyền và giữ giá nhiên liệu cao. Mặc dù không thoải mái với sự thay đổi, Mỹ đang nghiên cứu các chương trình tín dụng, khuyến khích phát triển nhiên liệu hàng không bền vững và giúp cạnh tranh với nhiên liệu máy bay phản lực thông thường.
Một cách tiếp cận là áp đặt mức thuế ưu đãi đối với nhiên liệu máy bay phi hóa thạch để giúp loại nhiên liệu này cạnh tranh với nhiên liệu phản lực hóa thạch. Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO) hỗ trợ ngoại giao và hợp tác quốc tế trong vận tải hàng không, dự kiến sẽ cam kết sử dụng đến 10% nhiên liệu hàng không bền vững vào năm 2030 tại Đại hội đồng lần thứ 41 năm 2022. Cam kết này là bước đi đầu tiên có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ngành công nghiệp nhiên liệu phản lực bền vững nói riêng và tương lai của ngành hàng không không phát thải nói chung.