Tego typu kierunek rozwoju lotnictwa opisywałem już przy paliwie SAF produkowanym z etanolu, syntetycznej nafcie wykorzystanej podczas pasażerskiego lotu a nawet produkcji paliwa lotniczego z odpadów z tworzyw sztucznych. Teraz naukowcy pokazali jednak, że równie duży potencjał może skrywać się w samym sposobie spalania paliwa. Wynik robi wrażenie, bo mowa o około tysiąckrotnym ograniczeniu emisji sadzy. Problem w tym, że kiedy sadza niemal zniknęła, ujawniło się coś jeszcze.
Nowoczesny silnik może produkować około 1000 razy mniej sadzy
Badacze z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki, Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji oraz przedstawiciele przemysłu sprawdzili w locie silniki CFM LEAP-1A zamontowane w samolotach Airbus. Zamiast polegać na stanowisku laboratoryjnym, wykorzystali Falcona 20 wyposażonego w aparaturę pomiarową, który wlatując w strugę spalin, pobierał próbki w odległości około 30-250 metrów za silnikiem.
Czytaj też: Przez dekady robiliśmy to inaczej. Mały ZPOD może zmienić silniki wojskowych dronów
Kluczowe znaczenie miał sposób spalania mieszanki. LEAP-1A wykorzystuje technologię spalania ubogiej mieszanki z dużą ilością powietrza (tak zwany lean-burn), co pozwala ograniczyć występowanie lokalnych obszarów bardzo bogatych w paliwo, w których szczególnie chętnie tworzy się sadza. Różnica między takim spalaniem a specjalnie wymuszonym podczas testów bogatszym trybem okazała się wręcz ogromna. Emisja cząstek sadzy spadła o około trzy rzędy wielkości, czyli w uproszczeniu mniej więcej tysiąckrotnie. W normalnym trybie pracy ich liczba zeszła tak nisko, że zaczęła zbliżać się do naturalnego tła cząstek obecnych w atmosferze.
Jeszcze kilka lat temu można byłoby uznać taki wynik za niemal rozwiązanie problemu. Teraz wiemy jednak, że sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana.
1000 razy mniej sadzy nie oznacza 1000 razy czystszych spalin
Gdy badacze spojrzeli na całkowitą liczbę cząstek w spalinach, spektakularny efekt nagle przestał wyglądać aż tak spektakularnie. Sadza praktycznie znikała, ale pozostawała ogromna liczba znacznie mniejszych cząstek powstających już z gazowych składników spalin. Mówimy tutaj o obiektach o rozmiarach zaczynających się w okolicach kilku nanometrów, a co najważniejsze, ich liczba nie spadała razem z sadzą w podobnej skali. Właśnie w tym miejscu całe badanie robi się moim zdaniem znacznie ciekawsze, bo inżynierowie rozwiązali dominujący problem na tyle skutecznie, że odsłonili kolejny, który wcześniej był przez niego częściowo maskowany.
Duże znaczenie miała przy tym siarka znajdująca się w paliwie. Paliwa niemal jej pozbawione ograniczały liczbę ultradrobnych cząstek nawet o około 80 procent. Na ilość sadzy wpływał z kolei udział wodoru oraz związków aromatycznych. Zrównoważone paliwo HEFA-SPK produkowane z tłuszczów i olejów poddawanych obróbce wodorem zmniejszyło emisję sadzy o około 64 procent w bogatym trybie spalania oraz o około 25 procent podczas lean-burn. Pokazuje to, że samo określenie “SAF” nie mówi nam więc wszystkiego. Skład chemiczny paliwa nadal ma ogromne znaczenie.
Sadza prawie znika, a smugi kondensacyjne nadal powstają
Najważniejszy haczyk widać jednak dopiero po połączeniu nowych wyników z wcześniejszym badaniem opublikowanym w “Nature”. Naukowcy sprawdzali w nim, co dzieje się ze smugami kondensacyjnymi, gdy silnik emituje ekstremalnie mało sadzy. Dotychczasowy mechanizm wydawał się prosty. Cząstki sadzy opuszczające silnik stanowią jądra, wokół których w odpowiednio zimnym i wilgotnym powietrzu tworzą się kryształki lodu. Skoro więc zmniejszymy ilość sadzy tysiąckrotnie, można oczekiwać podobnie drastycznego ograniczenia liczby kryształków. Tak się jednak nie stało.
Czytaj też: Elektronika gotowa na piekło. Silniki odrzutowe, piece i odwierty wytrzyma hafnia
Przy wyjątkowo niskiej emisji sadzy nadal badacze zaobserwowali bardzo dużą liczbę cząstek i kryształków lodu. Najwyraźniej w momencie, gdy klasycznych jąder z sadzy zaczyna brakować, to ich rolę mogą częściowo przejąć właśnie ultradrobne cząstki powstające ze związków siarki, substancji organicznych oraz oleju trafiającego do spalin. Ma to znaczenie, bo smugi kondensacyjne nie są wyłącznie białymi kreskami pojawiającymi się za samolotem. Część z nich utrzymuje się dłużej i przekształca w chmury pierzaste, wpływając tym samym na bilans energetyczny naszej planety. Ich wpływ na klimat pozostaje trudniejszy do oszacowania niż bezpośrednia emisja dwutlenku węgla, ale zdecydowanie nie można go ignorować.
Nawet dwa takie same silniki mogą emitować zupełnie inaczej
Jeszcze ciekawszy szczegół pojawił się podczas porównania dwóch silników zamontowanych w tym samym Airbusie A321neo. Oba spalały identyczne paliwo i pracowały przy podobnym obciążeniu. Ilość emitowanej sadzy była zbliżona, ale jeden z nich wytwarzał około dziesięć razy więcej ultradrobnych cząstek. Był jednocześnie bardziej zużyty i zużywał około 20 procent więcej oleju, choć nadal mieścił się w dopuszczalnych limitach.
Czytaj też: Nowy silnik lotniczy w akcji. Producent chwali się rewolucyjnymi osiągami
Nie oznacza to jednak, że oto mamy prostą zależność “starszy silnik = dziesięć razy więcej cząstek”. Autorzy sami wskazują kilka możliwych wyjaśnień, choć olej smarujący trafiający do gorącego strumienia spalin może jednak uczestniczyć w powstawaniu dodatkowych cząstek, więc stan techniczny konkretnego silnika może mieć większe znaczenie, niż wcześniej zakładano. W przyszłości może się więc okazać, że do ograniczenia wpływu lotnictwa na atmosferę nie wystarczy zaprojektować lepszej komory spalania i nalać do zbiornika nowego paliwa. Znaczenie może mieć również sposób eksploatacji oraz zużycie konkretnej jednostki.
Źródła: Science Advances, Nature, Earth
