Преждевременная шведская гордость – крупнейший в мире электросамолет X1 поднялся в воздух

Самолет на 200 км

В гражданском авиастроении давно не было значимых новостных поводов. Кажется, отрасль уже устоялась и занимаются в авиации исключительно доводкой проверенных решений, да невыразительными опытами с гиперзвуковыми аппаратами. И вот вдохновляющая новость – в небе тяжелый борт на батарейках. Полноразмерный демонстратор Heart X1 шведско-американской компании Heart Aerospace — машина с массой 11,3 тонны и размахом крыла 32,3 метра — взлетел на чистой электрической тяге с четырьмя электромоторами суммарной мощностью более мегаватта. Это крупнейший полностью электрический самолёт из когда-либо поднимавшихся в небо.

Демонстратор пробыл в воздухе 27 минут, забрался на 335 метров и теоретически был способен взять на борт 30 пассажиров. Нормальные же параметры, не правда же? Всё так, если не учитывать максимальную дальность полета в 200 км. Как ни крути, на революцию в авиастроении совсем не тянет, но шведско-американские опыты внимания заслуживают определенно.

Интересен подход инженеров к проектированию электросамолетов. Очень похоже на борьбу с ветряными мельницами – на данный момент все бесполезно. В качестве примера начать стоит с автомобильной индустрии. Последние лет 10-20 производители кормят покупателей обещаниями тотальной электрификации и роботизации. Зарядил машинку из розетки за полчаса, сел и поехал на 500-600 км, а когда устал – передал бразды управления умной электронике. Полноценного автопилота нет до сих пор ни у одного автопроизводителя. Точно также нет электромобиля, способного сравниться с топливной машиной по удобству эксплуатации.

Кто-то скажет, что прошло слишком мало времени для технического прогресса. Это не так – первые массовые электрокары пошли в серию в конце 2000-х. И с тех пор ничего прорывного не произошло. Мало того, на большинстве рынков спрос на электромобили поддерживается только государственными субсидиями на покупку. Иначе по соотношению «цена-качество» электрокар никогда не сравнится с машинами с ДВС. Всё дело в двух факторах. Первый – высокая стоимость батареи. Второй – сравнительно низкий запас хода. Дополнительно можно еще назвать стремительную потерю стоимости электромобиля на вторичном рынке.

Вся радость вокруг электрификации автотранспорта строится вокруг ожидаемой революции в технологиях производства аккумуляторов. Аналогичная ситуация и с электросамолетами – все ждут чего-то прорывного в будущем. А пока строят невыдающиеся аппараты с дальнобойностью в 200 км. Хотя числами в Heart Aerospace научились жонглировать мастерски. Например, за 27 минут полета X1 потратил всего 5 долларов. Аппарат, напомним, тянет на 11,3 тонны. Очень хороший параметр, если не брать в расчет стоимость демонстратора. Если электролет доберется до серийного исполнения (что очень вряд ли), его цена будет в 2–3 раза больше турбореактивного аналога. И это при дальности полета в смешные 200 км. Наращивание дальности полета хотя бы до тысячи км сейчас выглядит ненаучной фантастикой – это повлечет за собой кратное увеличение стоимости и массы самолета.

Кадры первого полета самого тяжелого электросамолета X1

Продолжаем критиковать шведско-американский инженерный дуэт. В постройке электросамолета, пусть и столь большого, нет ничего принципиально сложного. Особенно в сравнении затрат на проектирование современного турбореактивного/турбовинтового двигателя. По большому счету, разработчикам необходимо было подобрать батареи (которые предоставил BAE Systems) и создать мегаваттные электромоторы. Как и в любом электромобиле, именно батарея забирает на себя затраты на разработку и производство.

Можно, а зачем?

Силовая аккумуляторная батарея на борту самолета – это очень большое неудобство. Во-первых, она неизбежно деградирует, постепенно снижая и дальность полета, и полезную нагрузку. Снижение емкости стало настоящим бичом электротранспорта. Попробуйте продать по приемлемой цене 10-летний электромобиль, у которого батарейка на 40-50% просевшая. А замена может стоить до половины стоимости машины. Точно такие же проблемы будут преследовать эксплуатантов серийного Heart X1.

Во-вторых, электросамолет, даже если он окажется в свободной продаже, потребует серьезной модернизации хозяйства аэрогаваней. Потребуются мегаваттные зарядные устройства — класс мощностей, который сегодня существует лишь для прототипов тяжёлых электрогрузовиков. Электросети малых региональных аэропортов на такие нагрузки не рассчитаны: потребуются новые подстанции, трансформаторы, накопители для сглаживания пиков и специальные разъёмы под высоковольтный постоянный ток. Плюс сам процесс быстрой зарядки многомегаваттной мощности сопровождается нагревом, который нужно отводить, не перегревая батарею перед взлётом. И это в каждом аэропорте, способном принимать самолеты регионального класса, которых по миру десятки тысяч.

После таких расчетов 5 долларов за 27-минутный полет выглядит насмешкой. Третье неудобство от тяжелой батареи — «мёртвый вес». Классический лайнер легчает по мере выгорания топлива: к моменту посадки он расходует десятки процентов взлётной массы, и это значимо влияет на итоговую стоимость полёта. Электросамолёт несёт полную массу батареи от взлёта до касания полосы. Это ухудшает и дальность, и посадку, и увеличивает нагрузку на конструкцию.

Как уже стало понятно, именно аккумуляторная батарея является самым узким горлышком любого транспортного средства на электротяге. Нет желания прослыть пессимистом, но уже не менее 7 лет индустрия просто топчется на месте. Самые дорогие массовые литий-ионные аккумуляторы обладают ячейками с плотностью 260–290 Вт•ч/кг. Всё дело в том, что графит, из которого сделан отрицательный электрод (анод) почти во всех литий-ионных батареях мира, дошел до предела своих химических возможностей. Шесть атомов углерода (графита) физически способны удержать лишь один ион лития. Сжать или упаковать больше энергии в эту архитектуру, не вызвав разрушения или возгорания батареи, современная наука на массовом конвейере не может.

Задача в авиации формулируется максимально жёстко: чтобы электросамолёт класса Heart X1 летал на 1000 километров, отрасли нужны батареи с удельной энергией 500–800 Вт•ч/кг на уровне готового блока, а не лабораторной ячейки. То есть требуется технология упаковки энергии в аккумуляторе в два раза более эффективная. Если примерно экстраполировать темпы прогресса батарей в прошлом, то для удвоения емкости потребуется от 10 до 20 лет. И это в том случае, если удастся решить тупик с атомами углерода. Вывод один – создавать электросамолеты можно, но зачем? Далеко они точно не полетят, так и останутся в статусе демонстраторов технологий.

Четыре эшелона

Сегодня в разработке четыре эшелона технологий аккумуляторных батарей нового поколения.

Первый эшелон — литий-металлические батареи с анодом из чистого лития. Замена тяжёлого графитового анода на тонкую литиевую фольгу снимает балласт и даёт 450–500 Вт•ч/кг на уровне ячейки. Это ближайшая и наименее рискованная технология: компании вроде Amprius Technologies уже поставляют единичные образцы с плотностью 500 Вт•ч/кг для военных дронов и высотных беспилотников. Проблема — дендриты: при циклировании литий осаждается неравномерно, растут игольчатые кристаллы, способные прокалывать сепаратор и вызывать короткое замыкание. Борются с этим «полутвердотельными» электролитами и специальными покрытиями, но долговечность и безопасность таких ячеек в авиационных условиях пока не подтверждены на тысячах циклов.

Второй эшелон — твердотельные аккумуляторы, где жидкий горючий электролит заменён твёрдым (керамика, полимер или стекло). Они обещают 500–600 Вт•ч/кг, а главное — принципиально более высокую пожаробезопасность и способность заряжаться огромными токами за 10–15 минут. Для авиации это критично: термический разгон на высоте десяти километров — сценарий, которого конструктор обязан избежать любой ценой. Но у технологии тяжёлая производственная судьба: керамические слои хрупки, растрескиваются при циклировании и смене температуры, а массовая сборка «стеков» пока не вышла за пределы пилотных линий. Автогиганты Toyota, Nissan, BMW называют 2028–2030 годы для серийных автомобилей; авиация, с её консервативной сертификацией и жёсткими требованиями к ресурсу, получит такие батареи на 5–10 лет позже автопрома.

Третий эшелон — литий-серные аккумуляторы. Замена дорогих никеля и кобальта в катоде на дешёвую и сверхлёгкую серу теоретически даёт 600–800 Вт•ч/кг при крайне низкой стоимости сырья — сера является побочным продуктом нефтепереработки. Это идеальный кандидат для авиации по соотношению «энергия на килограмм и на доллар». Но «эффект челнока» — растворение полисульфидов в электролите с необратимой потерей ёмкости за 50–100 циклов — превращает выдающуюся удельную энергию в бесполезную, если батарея «умирает» после полусотни зарядок. Попытки запереть серу в углеродных наноструктурах или перейти на твёрдый электролит идут полным ходом, но до авиационного ресурса в 1000–1500 циклов здесь ещё далеко. Реалистичная оценка — не ранее середины 2030-х.

Четвёртый эшелон — литий-воздушные батареи, «святой Грааль» энергетики, где катодом служит кислород из атмосферы. Потенциал 1000–1200 Вт•ч/кг и выше вплотную приближает их к теплоте сгорания углеводородного топлива. Однако это фундаментальная наука, а не инженерия: батарея отравляется углекислым газом и влагой воздуха, катализаторы разложения/восстановления кислорода быстро деградируют, а низкая энергоэффективность цикла (значительная часть энергии уходит в тепло) съедает часть выигрыша. На горизонте до 2040-х годов рассчитывать на них в авиации не следует.

Перспективный Heart ES-30 выдают внушительные бока с батареями

Ложкой меда в бочке дегтя шведско-американского проекта становится гибридная силовая установка. И снова в полном соответствии с автомобильной модой – мир постепенно захватывает техника с бензоэлектрическим приводом. В планах разработка на базе электрички X1 гибрида Heart ES-30, способного летать на 800 км. К нему приспособят пару турбогенераторов от Honeywell или Rolls-Royce, работающих на дорогом, но синтетическом топливе SAF. Аппарат будет крупнее своего идейного предшественника – 21 тонна против 11, а на литий-ионные батареи приходится целых 5 тонн снаряженной массы. Впечатляющий итог борьбы за экономичность и экологичность воздушных перевозок. Говорят, проект уже собрал пул предзаказов и намерений на 9,4 млрд. долларов. Ждать гибридный «воздушный автобус» осталось недолго – первые машины в воздухе обещают через пару лет.