Οι αεροπορικές εταιρείες, και κατά συνέπεια οι επιβάτες, ξοδεύουν τεράστια ποσά για την κηροζίνη, που φτάνουν από 20% έως 40% του κόστους ενός κανονικού εισιτηρίου. Δεδομένου ότι ο κόσμος διανύει μια «πράσινη» εκστρατεία κατά της χρήσης ορυκτών καυσίμων, η ιδέα ενός αεροπλάνου που τροφοδοτείται από ηλιακή ενέργεια φαίνεται ελκυστική για πολλούς. Το 2017, μια από αυτές τις πειραματικές συσκευές έκανε ακόμη και έναν γύρο του κόσμου, αλλά κανείς δεν βιάζεται να βάλει την τεχνολογία αυτή στην παραγωγή. Ωστόσο, η ιδέα αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικά πεδία από την αρχική σκέψη εφαρμογής της, ιδίως στο στρατιωτικό τομέα.
Γύρω από τον κόσμο σε 550 ώρες
Η ιδέα της τροφοδοσίας αεροσκαφών με ηλιακή ενέργεια δεν είναι καινούρια, και η NASA πειραματίστηκε με αυτή ήδη από τη δεκαετία του 1970, όταν τα ηλιακά πάνελ ήταν ακόμη σχετικά νέα. Τότε πρόκειται κυρίως για μικρά ερευνητικά drones ή ελαφριά αεροσκάφη, όπως το Solar Challenger, που πέταξε από τη Γαλλία στο Ηνωμένο Βασίλειο διασχίζοντας τη Μάγχη το 1981.
Με την πάροδο των χρόνων, η απόδοση των ηλιακών πάνελ αυξήθηκε, και ήδη τον 21ο αιώνα, ο Ελβετός αεροναύτης Bertrand Piccard — εγγονός του εφευρέτη του βαθυσκάφους Auguste Piccard και γιος του πρώτου ανθρώπου που κατέβηκε στην Τάφρο των Μαριανών, Jacques Piccard — αποφάσισε να μετατρέψει τα «ηλιακά αεροπλάνα» από παιχνίδια σε κάτι πραγματικό.
Μαζί με τον μηχανικό André Borschberg δημιούργησαν το Solar Impulse: ένα τεράστιο τετρακινητήριο αεροσκάφος με άνοιγμα φτερών 71 μέτρων, μεγαλύτερο από αυτό ενός Boeing 747.
Τα μεγάλα φτερά εξυπηρετούν διπλό σκοπό. Πρώτον, επιτρέπουν στο αεροσκάφος να παραμένει στον αέρα σε χαμηλές ταχύτητες. Δεύτερον, και το πιο σημαντικό, ολόκληρη η επιφάνειά τους, όπως και όλο το ανώτερο μέρος του αμαξώματος, καλύπτεται με υπερ-ελαφριά ηλιακά πάνελ, του πάχους όχι μεγαλύτερου από μια ανθρώπινη τρίχα. Τα πάνελ έχουν μέγιστη ισχύ 66 kW, ενώ οι τέσσερις κινητήρες παράγουν συνολικά 160 kW. Τη διαφορά, αν χρειαστεί, μπορούν να καλύψουν μπαταρίες λιθίου-ιονίου που είναι εγκατεστημένες στους κινητήρες και διαρκούν όλη τη νύχτα.
Το 2015-2016, οι Borschberg και Piccard πέταξαν το Solar Impulse γύρω από τον κόσμο στην διαδρομή Abu Dhabi – Abu Dhabi, η οποία διήρκεσε 14 μέρες. Αυτό απαιτούσε 16 προσγειώσεις, από την Ινδία και την Ιαπωνία μέχρι τη Χαβάη, την ηπειρωτική Αμερική και την Ισπανία, και το αεροπλάνο πέρασε συνολικά 550 ώρες στον αέρα. Επίσης, στις 3 Ιουλίου 2015, στο ταξίδι από την Ιαπωνία προς τη Χαβάη, οι πιλότοι σημείωσαν ρεκόρ εμβέλειας για ηλιακά αεροσκάφη (7.200 χλμ), καθώς και απόλυτο ρεκόρ για όλα τα αεροσκάφη όσον αφορά τον χρόνο πτήσης — 117 ώρες. Αυτό ήταν δυνατό μόνο χάρη στην τεράστια αποφασιστικότητα και την τακτική σωματική προπόνηση μέσα στην καμπίνα — διαφορετικά είναι απίθανο οι Borschberg και Piccard να μπορούσαν να μείνουν στην καμπίνα για ολόκληρη την εργάσιμη εβδομάδα.
Οι πιλότοι επίσης μίλησαν απευθείας από το αεροσκάφος στη Γενική Συνέλευση του ΟΗΕ, τονίζοντας τη σημασία της καταπολέμησης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και της παγκόσμιας υπερθέρμανσης. Το μήνυμά τους ήταν σαφές: σήμερα το αεροπλάνο μας διασχίζει ολόκληρο τον κόσμο, που σημαίνει πως αύριο παρόμοια αεροσκάφη θα μπορούν να αντικαταστήσουν τα αεροπλάνα που κινούνται με κηροζίνη. Αλλά είναι αυτό αλήθεια;
Το φως είναι πολύ ασθενές
Το Solar Impulse μπορεί να παραμένει στον αέρα 24 ώρες το 24ωρο, οπότε οι προσγειώσεις του ήταν μάλλον λόγω ανάγκης για ξεκούραση και συντήρηση. Ακόμα και αν φανταστεί κανείς ένα παρόμοιο ταξίδι χωρίς προσγειώσεις, το “γύρω από τον κόσμο σε 550 ώρες” ακούγεται ελκυστικό μόνο για τον 19ο αιώνα. Η ταξιδιωτική ταχύτητα του Solar Impulse είναι 90 χλμ/ώρα, ενώ τη νύχτα μειώνεται στα 60 χλμ/ώρα για να εξοικονομηθεί ενέργεια από τις μπαταρίες — δηλαδή, οποιοδήποτε σύγχρονο αυτοκίνητο μπορεί εύκολα να το προσπεράσει, ακόμα και χωρίς να παραβιάσει το όριο ταχύτητας.
Μπορεί να σκεφτεί κανείς ότι αυτοί οι περιορισμοί οφείλονται στην ανωριμότητα της τεχνολογίας, σαν να ήταν αργά και τα πρώτα αεροπλάνα. Στην πραγματικότητα, όμως, τα ηλιακά αεροσκάφη υποφέρουν από έναν θεμελιώδη φυσικό περιορισμό.
Υπάρχουν τέσσερις βασικές δυνάμεις που δρουν σε ένα αεροπλάνο: ο κινητήρας το τραβάει μπροστά, η βαρύτητα το τραβάει προς τα κάτω, η άντωση από το φτερό το σηκώνει προς τα πάνω και η αντίσταση το τραβάει προς τα πίσω. Για να πετάξει ένα αεροπλάνο, η άντωση πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το βάρος. Μπορείς να αυξήσεις την άντωση αυξάνοντας το μέγεθος των φτερών (που ήδη είναι τεράστια στο Solar Impulse) και αυξάνοντας την ταχύτητα. Η ταχύτητα εξαρτάται από τον λόγο ώθησης προς αντίσταση, αλλά η αντίσταση αυξάνεται πολύ γρήγορα καθώς αυξάνεται η ταχύτητα (κατά την τρίτη δύναμη περίπου). Με άλλα λόγια, το να πετάς αργά απαιτεί πολλαπλάσια λιγότερη ενέργεια από το να πετάς γρήγορα.
Ωστόσο, τα αεροσκάφη αυτού του τύπου αντιμετωπίζουν προβλήματα με την ενέργεια. Στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου 1,3 kW ανά τετραγωνικό μέτρο, αλλά σημαντικό μέρος αυτής της ισχύος απορροφάται από το πάχος του αέρα, και τα ηλιακά πάνελ δεν λειτουργούν με απόδοση 100%. Ακόμα κι αν υποθέσουμε ότι υποθετικές νέες μπαταρίες θα μπορούσαν να παράγουν 500 W ανά τετραγωνικό μέτρο (πολύ περισσότερο απ’ ό,τι είναι εφικτό σήμερα), τότε ένα σύνολο με συνολική επιφάνεια 270 τ.μ., όπως στο Solar Impulse, θα παρήγαγε μόνο 135 kW. Για σύγκριση, ένα Boeing 747 αναπτύσσει ισχύ περίπου 70 MW σε πτήση ταξιδιού, δηλαδή 500 φορές περισσότερη.
Ένα ηλιακό Boeing θα απαιτούσε επιφάνεια φτερών 135.000 τετραγωνικών μέτρων, που ισοδυναμεί με 13 ποδοσφαιρικά γήπεδα. Στην πράξη, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ένα αεροπλάνο με τέτοια κολοσσιαία πτέρυγα. Υποθετικά, θα μπορούσε κανείς να φανταστεί ότι λεπτά ηλιακά πάνελ θα ξετυλίγονται από ρολά σε μεγάλο ύψος και θα κυματίζουν στον άνεμο πίσω από το αεροπλάνο, αλλά οι μηχανικοί εξετάζουν τέτοιες εξωτικές ιδέες μόνο θεωρητικά.
Σύμφωνα με υπολογισμούς μηχανικών του MIT, η πρακτική ταχύτητα των ηλιακών αεροσκαφών χωρίς τη χρήση εξωτικών σχεδιασμών δεν θα ξεπεράσει ποτέ τα 100-150 χλμ/ώρα, και το ωφέλιμο φορτίο θα είναι πάντα μικρό — το μέγιστο βάρος απογείωσης του Solar Impulse είναι περίπου 2,5 τόνοι. Σε τέτοιες συνθήκες, ακόμα και όσοι ανησυχούν σοβαρά για το περιβάλλον και την παγκόσμια υπερθέρμανση θα προτιμούσαν ένα ταχύτατο τρένο από ένα ηλιακό αεροπλάνο που μεταφέρει λίγους επιβάτες.
Δορυφόρος, αλλά καλύτερος
Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι τα ηλιακά αεροπλάνα είναι κακός δρόμος από μόνα τους. Μπορεί να πετούν αργά, αλλά μπορούν να παραμένουν στον αέρα για πολύ μεγάλες χρονικές περιόδους — μέρες, εβδομάδες, μήνες, ίσως και χρόνια. Αυτό οδήγησε στην ιδέα των ατμοσφαιρικών ή ψευδο-δορυφόρων: οχημάτων μεγάλης υψομετρικής απόστασης που μπορούν να αιωρούνται πάνω από μια περιοχή για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, λειτουργώντας ως πλατφόρμα παρατήρησης ή ραδιο-αναμετάδοσης.
Για παράδειγμα, στα μέσα της δεκαετίας του 2010, η Facebook ανέπτυσσε τη συσκευή Aquila, που θα πετούσε σε ύψος έως 27 χιλιομέτρων και θα «μοίραζε το Διαδίκτυο» σε κατοίκους φτωχών χωρών της Αφρικής, της Ασίας και της Λατινικής Αμερικής. Κάθε συσκευή θα παρέμενε στον αέρα για τρεις μήνες και θα κάλυπτε περιοχή με ακτίνα 90 χλμ, παρέχοντας επικοινωνία πολύ φθηνότερη από τους δορυφόρους, και η ποιότητα θα ήταν καλύτερη. Το 2018 η ανάπτυξη σταμάτησε — όχι επειδή απορρίφθηκε η ιδέα, αλλά επειδή εξειδικευμένες εταιρείες αεροσκαφών ανέλαβαν παρόμοια έργα.
Το Aquila
Έτσι, ο όμιλος Airbus αναπτύσσει τη σειρά συσκευών Zephyr. Το νεότερο μοντέλο, Zephyr 8/S, με άνοιγμα φτερών 25 μέτρα, ζυγίζει μόλις 60 κιλά, γι’ αυτό και κατά τις δοκιμές οι μηχανικοί το εκτοξεύουν με το χέρι. Από αυτά τα 60 κιλά, τα 24 είναι μπαταρίες και τα 5 το ωφέλιμο φορτίο. Ήταν σχεδιασμένο να μπορεί να ανεβαίνει έως τα 23 χιλιόμετρα και να παραμένει στον αέρα σχεδόν για ένα χρόνο, αλλά το 2022 το πρωτότυπο χάθηκε μετά από 64 ημέρες πτήσης. Ένα νέο, μεγαλύτερο μοντέλο, το Zephyr T, προγραμματίζεται να πετάξει το 2026.
