Alle er enige om, at flymotorer skal være mere miljøvenlige. Men kræver det revolutionerende fremdriftssystemer, eller vil vores flyrejser i fremtiden være drevet af de samme gamle jetmotorer, men nu på nye, grønnere brændstoftyper? MWW ta’r på en rejse ud i fremtidens flymotorer.
Gasturbinejetmotoren har i mere end 50 år gjort tjeneste i flyindustrien. Den har gennemgået relativt få ændringer med hensyn til fremdriftssystemet. Men i dag arbejder forskere målrettet på at øge tempoet inden for den teknologiske udvikling, da flyindustrien må indrette sig efter stadig strammere lovgivning for udledning og støjforurening. Dertil kommer, at man oplever voldsomme stigninger på brændstofpriser. Men hvad vej går udviklingen? Vil man fortsætte med at videreudvikle gasturbinen i ét væk, eller vil vi se en radikal ny form for fremdrift, der for evigt vil sende jetmotoren på pension?
FLYVNING STÅR FOR CIRKA 2 procent af CO2-udledningen fra brug af fossile brændstoffer, og i takt med at efterspørgslen på rejser med fly stiger, gør udledningen det tilsvarende. Samtidigt forventes det, at verdens lufthavnes andel af nitrogenoxidudledning (NOx) fra forbrændt jetbrændstof vil være fordoblet i 2020. NOx er skyld i syreregn og smog og koster samfundet milliarder af dollars, fordi det forårsager sygdom og død. For at imødegå dette satte den europæiske flyindustri i 2001 sig det mål, at brændstofforbruget senest i 2020 skulle være reduceret med 50 procent pr. passager-kilometer. For NOx-udledningen fra kommercielle fly lød tallet på 80 procent inden for samme deadline.
Eksperterne var enige om, at bestræbelserne på kort sigt i retning af at gøre motorer renere og mere effektive skulle ske via en række små udviklingstrin og ikke have karakter af en revolution. Udviklingsprojekter på universiteter, forskningsinstitutioner og hos jetmotorproducenterne kommer konstant op med mindre justeringer på motorer så deres brændstofeffektivitet forbedres. Dette sker blandt andet under det Rolls-Royce-ledede PANACEA-projekt, hvori Sandvik Coromant var en vigtig partner (se separat artikel). Ved at introducere nye materialer til motorkomponenter vil dette projekt medvirke til, at brændstofforbruget bliver reduceret med 0,3 til 0,5 procent, hvilket svarer til en besparelse på 600 kilo CO2, hver gang et fly krydser Atlanten.
GE Aviation er en konkurrerende producent af motorer. De lancerede for nyligt planerne om et nyt fremdriftssystem til business jetfly, der bygger på en kombination af militære og civile teknologier. Deres Passport-motorer er under udvikling og forventes at gennemgå gennemgribende test i 2013. Disse kan generere en højere trykkraft og har en kompressor, der er fremstillet af nye – og hemmelige – materialer. GE forudser, at motorerne vil give 8 procent lavere brændstofforbrug og betydelig mindre NOx-udledning. ”Passport er verdens første integrerede fremdriftssystem, der specifikt er designet til langdistance-bussiness jetfly med store kabiner. De baner vejen for, at kunderne kan flyve effektivt og mere støjfrit,” siger Brad Mottier, vice-direktør og adm. direktør for GE’s Business & General Aviation.
ET ANDET UDVIKLINGSPROJEKT, hos GE gælder regionale jetfly. Det forventes at ville give en 15 procent bedre brændstofeffektivitet i forhold til de eksisterende fly. Også her skyldes det hemmelige, avancerede materialer, nye køleteknologier og en ny tilgang til forbrændingskamre – den del af motoren, hvor luft blandes med brændstof og antændes.
Sådanne små skridt er uden tvivl en velkommen forbedring med hensyn til flys mere miljørigtige ydelse. Men det bliver nok vanskeligt at opnå mere signifikante fremadrettede spring. ”Der er flere udfordringer i spil,” siger Tomas Grönstedt, lektor ved institut for anvendt mekanik på Chalmers University i Gøteborg. ”Disse omfatter øgede vanskeligheder ved at gå videre til motorer med overvejende bypass-ratio på grund af forhøjede kølelufttemperaturer, pålagte begrænsninger i udviklingen af nye materialeteknologier samt skadelige vægt- og træk-påvirkninger på motorer med ultrahøj bypass-ratio. Vi er nødt til løbende at finde måder at udvikle nye materialer på, og der er ingen garantier for, at dette kan gøres sideløbende med det nuværende udviklingstempo.”
De teknologier, der i skrivende stund er under udvikling og hyldes som plausible løsninger i mellemstadiet, inkluderer den ladeluftkølede motor, den ladeluftkølede, rekuperative motor og den open rotor-motor. ”Hvis disse bliver en realitet, forventes den ladeluftkølede rekuperative motor og den ladeluftkølede motor først i brug efter 2020,” siger Grönstedt. ”Jeg vil måske endda sætte open rotor-motorer til et stykke tid efter 2020, hvis det drejer sig om datoer for, hvornår de er reelt operative.”
PDE’EN (PULSE DETONATION ENGINE), der har potentialet til at øge den termiske effektivitet radikalt, er en af de mere spændende fremdriftsteknologier, der netop nu forskes i. Men, siger Grönstedt, der er stadig et par vigtige ting, der skal afklares. ”Det kræver fx, at man skal kunne håndtere turbinekølingen i et pulserende forbrændingsmiljø,” siger han. ”Støj udgør ligeledes en udfordring.”
Men hvis man får styr på disse udfordringer, er der betydelige miljøgevinster at hente. ”Ved at kombinere PDE’en med ”open rotor-design”, rammeudvikling såsom forenede vingekroppe og nedsatte flyvehastigheder kan man opnå en 75 procent reduktion i afbrænding af brændstof pr. passager-kilometer i 2050 sammenlignet med udgangsåret i 2000,” siger Grönstedt.
Sådanne teknologier ville være et kæmpe skridt i den rigtige retning, men der er stadig forskel på nutidens forbrændingsmotorer. Så hvornår vil vi komme til at flyve i ”science fiction”-løsninger, der bygger på 100 procent nye og radikale fremdriftssystemer?
”Der har været adskillige superradikale koncepter i spil med henblik på år 2050. Jeg kan imidlertid ikke få øje på en større såkaldt ”gamechanger” på nuværende tidspunkt,” siger Grönstedt, idet han forklarer, at gasturbinens fordele stadig er dens kolossale kraftdensitet. ”Du kan producere en fantastisk stor fremdrift ved brug af virkelig lav vægt, og det bliver særdeles vanskeligt at matche. Det kan meget vel være, at vi stadig anvender dem i 2200, men vi vil ikke investere så mange ressourcer i udvikling, da vi nærmer os deres begrænsninger med hensyn til effektivitet både termisk og fremdriftsmæssigt.”
DET ER MÅSKE heller ikke nødvendigt at udskifte forbrændingsmotoren. ”Sådan som jeg ser det, går en miljøorienteret flyvning mere i retning af radikale forbedringer inden for energieffektivitet og en implementering af biobrændstof over hele linjen,” siger Grönstedt. Alger kunne være en mulighed. Med alger kan man producere den nødvendige mængde biobrændstof uden at konkurrere med produktionen af mad. Men det kræver, at de nuværende tekniske forhindringer bliver ryddet af vejen.”
Nye motorer, nyere brændstof
OPEN ROTOR-MOTORER:
Også kendt under navnet motortypen propfan og ultra-high bypass-motorer. Open rotor-motorer leverer den samme brændstoføkonomi som en turboprop og med hastigheden og ydelsen som en motor af turbofantypen. Open rotor-motoren, der blev patenteret i 1979, rummer potentialet til at kunne give brændstofbesparelser på cirka 30 procent, men støjer mere end andre motortyper.
PULSE DETONATION ENGINES:
PDE-konceptet, der allerede var under overvejelse for mere end 70 år siden, gør brug af detonationsbølger for at forbrænde blandingen af brændstof og iltningsmiddel. I stedet for at afbrænde brændstoffet får den det til at eksplodere. I teorien kunne PDE speede fly op til hastigheder på omkring mach 5. Men hidtil er ingen af disse motorer blevet sat i produktion. Udfordringerne ved PDE er støj og vibration.
LADELUFTKØLET REKUPERERET MOTOR:
Integrationen af en luftafkøler i flymotoren og en ”recuperator”, eller varmeveksler, gør det muligt at udvinde varmen fra den varme udstødningsgas til forbrændingskammeret og at øge brænderens temperaturstigning. Dette kan bidrage til brændstofbesparelser på cirka 30 procent og samtidigt reducere NOx og støjniveauer.
BRÆNDSTOF FRA VEDVARENDE KILDER:
Jatropha, en ukrudtsagtig plante, der trives på ufrugtbar jord, bliver hyldet som en potentiel kilde til jetbrændstof. Flere fly har med succes afprøvet den olie, der produceres af Jatropha-frø, der, siges det, kan give drivhusgasreduktion på op til 60 procent sammenlignet med råoliebaseret jetbrændstof. I 2011 foretog en Gulfstream G450, der var drevet af samme mængde traditionelt brændstof og et camelinabaseret biobrændstof, den første transatlantiske flyvning, der var drevet af biobrændstof.
Brugen af biobrændstof vil stige markant.
Konstante og nye bearbejdningsudfordringer
Miljøvenlige forbedringer er hottere end hot
De tal og statistikker, der bruges i forbindelse med flymotorer, kan være vanskelige at forstå: hvert eneste wide-chord fan-blad anvender en centrifugalkraft på omkring 70 ton, hvilket svarer til vægten på et moderne lokomotiv; hvert eneste højtryksturbineblad genererer den samme mængde kraft som en Formel 1-racerbil; bladene i motorens varme del skal arbejde under mange hundrede graders varme, der er meget højere end smeltepunktet for det materiale, de er lavet af.
”du får nogle særdeles vanvittige tal,” siger Steve Weston, specialist for applikationsudvikling i Sandvik Coromant. ”Og når du forsøger at øge temperaturerne endnu mere for at øge effektiviteten, og du allerede er oppe over materialets smeltepunkt, så begynder udfordringerne for alvorlig at markere sig.”
Weston siger, at nogle af næste generations materialer, som Sandvik Coromant af flymotorproducenter bliver bedt om at arbejde med, er noget nær utrolige, hvad angår struktur og sammensætning. ”Materialerne lander på vores bord og ligner til tider klippestykker fra månen,” fortæller han. ”De er vanskelige at skære, da deres egenskaber er beslægtet med høj dynamisk forskydningsstyrke. Derudover har de ringe varmebortledning, og samlet set skaber disse faktorer en masse slid på skæret. Men hvis producenterne fortæller os, hvad de er ude efter, og giver os tilstrækkeligt med tid, vil vi med garanti komme op med en løsning til at bearbejde materialerne på.”
Et projekt af denne type, som Sandvik Coromant blev involveret i, var PANACEA- projektet – en forkortelse af: processing of an advanced nickel alloy for critical engine applications (bearbejdning af avancerede nikkellegeringer til vigtige motorapplikationer). Partnerne inkluderede Rolls-Royce og Advanced Manufacturing Research Centre på University of Sheffield, hvor Sandvik Coromant er en tier 1-partner.
Målet var at udvikle motorkomponenter – specielt gasturbineskiver – med en “dual microstructure” for at give forskellige mekaniske egenskaber ved skivens centrum og kant. Dette vil bane vejen for, at motoren kan køre med 50°C varmere temperatur, hvilket vil gøre motoren 1,5 procent mere brændstofeffektiv. PANACEA- teknologien vil give 0,6 ton mindre udledning af CO 2, hver gang et fly krydser Atlanten.
Sandvik Coromant var involveret i bearbejdningen af dette specialiserede materiale. ”Vi bearbejdede skiven helt færdig på én maskine, hvilket faktisk er temmelig enestående, da der normalt kræves adskillige, forskellige maskinplatforme for at bearbejde diverse komponentfeatures,” siger Weston. ”Men det lykkedes os at lave nye værktøjer og udvikle nye strategier til bearbejdning af alle skivens overflader.”
En opgraderet version er i øjeblikket ved at blive produceret til gennemgribende testgennemgang, og skiven kan måske allerede være i fuld service om to år med besparelser i brændstof og udledning som resultat.
Sandvik Coromant var en central partner i det Rolls-Royce-ledede PANACEA-projekt.
