מאיצים את מהפכת המימן בתעופה: הדרך לשמיים נקיים יותר

כיצד תאי דלק מימניים וטכנולוגיות חדשות משנות את פני התעופה המסחרית ומובילות אותנו לעבר עתיד בר קיימא

מאת: אלי בויקיס, מנהל הפעילות של דאסו סיסטמס בישראל

האפשרות לטוס הוסיפה ממד משמעותי לחיים האנושיים. התפתחות התעופה המסחרית, מאפשרת לנו לטייל בעולם באופן שאבותינו הקדמונים לא יכלו לדמיין. אבל התענוג, איך לא, מגיע עם תג מחיר. ענף התעופה תורם משמעותי לפליטת גזי חממה. בעוד שתעשיית התעופה כולה פועלת מזה כמה עשורים לשפר את הביצועים הסביבתיים של התחבורה האוירית, היא עדיין מייצרת 2-3% מסך פליטת הפחמן הדו חמצני, שמשחררת האנושות אל האטמוספירה.

מומחי תעופה צופים שיעור גידול שנתי מורכב של 3.5% (CAGR) במהלך שני העשורים הבאים, מה שמבטא הכפלה של מספר הנוסעים והטיסות כיום.

התעשייה מתמודדת עם אתגרים חברתיים, סביבתיים וכלכליים הולכים וגדלים ונדרשת לצמצם פליטות מזהמים ולמעשה להמציא מחדש את הדרך בה טסים מטוסים.

מדינות וחברות רבות הטמיעו יעדים שאפתניים לתעופה בת קיימא לשנים הקרובות, ביניהם צמצום של 50% מנפח הפליטות עד 2050, ביחס לרמות של 2005 **** כולן מאוחדות סביב ההבנה: הגיע הזמן להמציא מחדש את הדרך שבה אנחנו טסים.

טכנולוגיות מטוסי מימן

כדי לעמוד ביעדי תעופה בת קיימא, דרושה טכנולוגיה מתקדמת שתעזור לנו לפרוץ את תקרת הזכוכית של עיצוב המטוסים המסורתים, במערכות ההנעה ובמערכות נוספות של המטוס, וזאת בשתי רמות:

ברמה הראשונה, פתרונות רלוונטיים ליצרני ציוד מקורי (OEMs): הגדרת ארכיטקטורת המטוסים, אינטגרציה של מערכת, אימות מטוסים, תכנון תשתיות, לוגיסטיקה ומודיעין שוק.

הרמה השנייה כוללת פתרונות שמיועדים למהנדסי מערכות המשנה וספקי המימן: פיתוח תאי דלק, טורבינות מימן, אחסון ומערכות הפצה.
כל מרכיב בכל אחד מהפתרונות האלה כולל שכבות של ייצור ואישור.

ארכיטקטורת כלי טיס: הקצאת שטח וחלוקת אזורים

במתודולוגיית עיצוב המטוסים מסתמכים על מטוסים קיימים, שמונעים על ידי מערכות מסורתיות. בדרך זו ניתן לנתח מערכות הנעה קונבנציונליות ומערכות מבוססות תאי דלק מימניים ולהשוות את הביצועים של הטכנולוגיות הקיימות והעתידיות. כאשר צרכי התכנון ברורים באופן מלא, השלב הראשון בתהליך עיצוב המטוס הוא הגדרת ארכיטקטורת המטוס, כולל הקצאת החלל הראשונית וארגון מערכות המשנה כגון טנק ותאי הדלק.

באמצעות אנליזת ביצועים, אנו מזהים מספר קונפיגורציות של המטוס שעומדות בדרישות הבטיחות והיעילות, משווים ביניהן ובוחרים באופציה הטובה ביותר.
מעצבי המטוסים יכולים להתנסות באלפי קונספטים ואלטרנטיבות באמצעות יכולות הסימולציה בפלטפורמת 3DEXPERIENCE.

באמצעותConcept 3D Architecture & Simulation  של דאסו סיסטמס ניתן להבין ולנתח מודלים 3D CONCEPT, והקצאת חללים עבור ציוד ואזורים, לפי מגבלות נתונות ודרישות בטיחות שונות – הכל באמצעות דגם וירטואלי, המשלב את כלל הדיסציפלינות (מבנה, חשמל, נוזל וציוד). את הקונפיגורציה הנבחרת ניתן לייעל באמצעות טכניקות לאופטימיזציה מולטי-דיסציפלינרית, הכל קורה באופן מובנה בפלטפורמה.

האצת בדיקות אב טיפוס של מטוסים

שימוש בחוויית התאום הוירטואלי בפלטפורמה של דאסו סיסטמס יסייע בהאצת בדיקות האב-טיפוס של המטוס, באמצעות עיצובים תלת מימדים מתקדמים, המבוססים על תרחישים מהחיים האמיתיים, אנשי המקצוע בפרוייקט יוכלו לבדוק, לאמת ולחזות במדויק את הביצועים של תכונות שונות במטוס, במרחב וירטואלי נטול סיכונים –  הרבה לפני שמתחילים את תהליך הייצור. בדרך זו, ניתן להשיג בקלות אימות קריטי כבר בשלב התכנון תוך צמצום פליטות ועלויות, הפחתת בזבוז והבטחת חסכון במשאבים.

פלטפורמת 3DEXPERIENCE  משמשת לאורך התהליך כמקור אמת יחידי, וכך מונעת עבודה מיותרת במעבר משלב הקונספט לשלב התכן הראשוני.

אִחסוּן

האתגר העיקרי בארכיטקטורת מטוסים מונעי מימן הוא צפיפות האנרגיה הנמוכה של המימן ביחס לנפח. מטוס מונע מימן דורש פי ארבעה עד חמישה מהנפח שהיה תופס מטוס דלק קונבנציונלי כדי לשאת על סיפונו את אותה אנרגיה. אספקת מימן בתצורת גז דורשת גם היא נפח אחסון רב. הדחיסה הנדרשת כדי להתאים לנפח האחסון הקיים מגדילה את העלויות ואת הדרישות סביב אספקת האנרגיה של הכלי והופכת גם את נושא המשקל לאתגר. אתגר נוסף הוא צימצום המשקל של מיכלי המימן הנוזלי ב-50%. אחת השיטות לעשות זאת היא שימוש בחומר קל משקל עם אינטראקציה חזקה עם מימן ללא תגובה.

בשלב הזה אנחנו כבר מבינים היטב, שאחסון מימן הוא אתגר, המונח לפתחם של מהנדסי חומרים ויהיה קריטי להבין את האינטראקציות שלו עם אלמנטים אחרים. כאן נכנסת לתמונה פלטפורמת 3DEXPERIENCE , שעושה הכל מסימולציית זרימה במימד אחד לסימולציה תלת מימדית שמתמקדמת בחומרים ומאפשרת ליצרנים לצפות בכלי שהם מעצבים ולחוות אותו, בתנאי הפעלה שונים. במקרה של מיכלי מימן נוזלי, הפתרונות הייחודיים של הפלטפורמה מאפשרים להם להעריך את הלחץ והטמפרטורה בפרופיל שכבתי בתוך המיכל כבר בשלב התכנון ולהבטיח שמימן נוזלי לעולם לא יתנדף.

תאי דלק מימן

תא דלק מימן משתמש באנרגיה הכימית של מימן כדי לייצר חשמל. הוספת מאגר אנרגיה (כגון סוללה) למערכת זו מסייעת להבטיח מעקב עומס רציף ו"השטחת" עקומות שיא הביקושים. כך ניתן לבחור את גודל המערכת של תאי הדלק באופן אופטימלי.
האופציה המתקדמת והמתאימה ביותר העומדת לרשות התעופה כיום כוללת תאי דלק עם ממברנת החלפת פרוטונים (PEM) בטמפרטורה נמוכה.

 כדי לתכנן מערכות תאי דלק עבור מטוסי נוסעים, יש להגדיר את דרישות המערכת של המטוס.
בתכנון תא הדלק של המטוס ישנן כמה פונקציות קריטיות שיש להביא בחשבון: ניהול חום, עמידות תא הדלק, צפיפות אנרגיה ואספקת כח גבוהה, אמינה ואיכותית למערכת. פלטפורמת 3DEXPERIENCE תומכת במיקור ובבחינת הפונקציות האלה ברמת הרכיב הבודד, תת המערכת או המערכת כולה.

בדרך זו, יצרנים יכולים לבצע הדמיה של תאי דלק של ממברנת אלקטרוליט פולימרי  (PEM)וערימות תאי דלק לשלבי ה-pre-design, הערכת אסטרטגיית שליטה וLoss Analysis- – ולחזות את הביצועים של תא דלק שלם במערכות וירטואליות בסדרי גודל שונים.

מנועי מימן

הדרישות ממנועי המימן ברורות. המנועים צריכים להיות יעילים יותר ולפלוט רק פליטות שאינן CO2 כמו תחמוצות חנקן .(NOx)

כדי להבטיח שמנועים אלה ייכנסו לשימוש תוך עשור, יצרני המנועים יצטרכו להאיץ את כל שלבי הפיתוח. פלטפורמת 3DEXPERIENCE מסייעת ליצרנים להגדיר את העיצוב בדייקנות ולפרטי פרטים. יתרה מזאת, ניתן להתמקד בקלות בתת-מערכות של מנוע המימן – מזרקי דלק, למשל – לחוות ולחזות את התפקוד שלהם באמצעות מודלים אינטגרטיביים וסימולציה. לדוגמה, ניתן לבצע סימולציה של ערבוב נוזלים המשלבת מימן ואוויר כדי לזהות אזורים של ערבוב לא יעיל שיכול לייצר תחמוצות חנקן.

אישורים

כדי לקבל את האישורים הנדרשים וכדי שהמוצר יוכל "לעוף" היצרנים נדרשים לעמוד בדרישות הבטיחות של הרשויות. האישורים הקיימים, עבור כלי טיס רוטוריים מסורתיים או כלי טיס בעלי כנף קבועה, לא מכסים את הקונפיגורציות הייחודיות של מנוע מימן לכן חשוב שהחברות הרלוונטיות יאיצו את הפיתוח וההטמעה של טכנולוגיות חדשות.

אחרי הכל, הזמן משחק כאן תפקיד מכריע: התהליך של אישור כלי טיס והבאתם לשימוש מסחרי יכול להימשך למעלה מעשר שנים. החלפה מאסיבית של צי מטוסים תדרוש עשור נוסף.

יצרנים, שרוצים להבטיח את רמת הביצועים המצופה מהכלי, יעשו שימוש בסימולציה וירטואלית כדי לעשות שימוש חוזר בעיצובים קיימים ולחסוך עלויות. כך ניתן לבחון פתרונות שונים לפני שמתחילים מבחנים על אב טיפוס פיזי, בעולם האמיתי.

מבחני בטיחות ואמינות מסורתיים כוללים מספר סבבים של ניסוי וטעיה, על כמות מוגבלת של קונפיגורציות. התוצאות שמתקבלות, בגלל מגבלה זו, אינן אופטימליות. כשמשתמשים בסימולציה, השימוש החוזר בעיצוב קיים הוא פשוט וכללי הפיסיקה יחולו על העיצוב החדש באופן אוטומטי.

כדי לעמוד ברגולציה, נצטרך להוכיח מילוי כל הדרישות הנוגעות לביצועים ובנוסף, נצטרך להיות מסוגלים להצדיק את אופן בניית המסקנה. מהסיבה הזו, דרישות ופתרונות עיצוב חייבים להיות ניתנים למעקב מהרגע הראשון שעבודת הנדסת המטוסים מתחילה.  

מקור יחיד של אמת מסייע לחברות להפיק תועלת מהנתונים הדיגיטליים באופן מתמשך ומאפשר לרשויות המאשרות, לראות בבהירות את הכוונות שבבסיס עיצוב המוצר. בדרך זו ניתן בקלות לתכנן, לבצע ולעקוב אחר אסטרטגיית תעודת הסווג (type certification) של החברה, כשכל המעורבים יכולים לייצר ולאשר ללא קושי את התוצרים שלהם בפרוייקט.
יש לציין, שתוצרי-משנה בפרוייקט שלא יסופקו בזמן ולא יהיו נגישים יגרמו לעיכובים בתהליך האישור.

פלטפורמת 3DEXPERIENCE מסייעת ליצרני ציוד מקורי לבנות מאגר אתגרים עבור רגולציות ולסרוק בקלות את אתרי האינטרנט של רשויות הרישוי האווירי. היא מאפשרת להם ליצור מאגר אתגרים מדעי ושקוף לניהול עמידה ברגולציות, מודלים וירטואליים, שיטות, נוסחאות מתמטיות ותוצאות קודמות שנרשמו. הפלטפורמה מסייעת ליצרני OEM גם בקבלת החלטות, מאפשרת להם לספק מידע מתומצת בתצורת חלון המידע, ולתקשר משימות בצורה יעילה באמצעות סטטוסים של אישור הפרוייקט, בדיקות מעקב אחר קמפיינים, הגשות והנפקת מסמכים שונים.

אתגרי שרשרת אספקה ותשתיות

מעבר לדלק מימני יציב אתגר גם בפני שדות התעופה, שיצטרכו לתכנן מחדש את התשתית ואת המערכות הלוגיסטיות שלהם. ראשית, מימן הוא נפיץ מאוד מה שמצריך ניטור הטמפרטורה בסביבת המטוס והסטת מיכלי האחסון מחוץ לשדה התעופה כדי להקטין את הסיכון לשרשרת של פיצוצים.
במילים אחרות, שטח האחסון הדרוש לניהול שדה תעופה, גדל, שלא לדבר על המורכבות הלוגיסטית והבטיחותית בשמירת המימן בצורתו הנוזלית, שמחייבת סביבה בטמפרטוה של מינוס 253°C.

סיכום

כדי להגיע לתעופה בת קיימא, עלינו להתקדם בצורה חלקה. אינטגרציה של נתונים בזמן ומודלים עשירים ואינטגרטיביים לאורך תהליכים, מקצה לקצה, הן יכולות קריטיות להתקדמות כזו.
כשהצוותים עובדים על פלטפורמה שיתופית אחת, ניתן לבצע אופטימיזציה של מערכות ההנעה של הדור הבא, כולל תאי דלק יעילים במיוחד, סוללות ארוכות חיים ואחסון מימן בטוח, לבדוק, לאמת ולתקף את עמידות החומרים והעיצובים של מטוסים – ולהרים את ביצועי המטוסים לגבהים חדשים, לעבר עתיד בר קיימא בתעופה.

עוד בנושא באתר הידען:

• חוקרים ישראלים פיענחו מנגנון חדש בתהליך הקשור להפקת מימן באמצעות אנרגיה סולרית
• ניידות זה הרבה יותר מכלי רכב
• מטוסי הקרב עולים לענן
• סוכנות החלל האירופית ודאסו סיסטמס יתמכו בסטארט-אפים בתחום החלל החדש