Dragan KOSOVAC

1. april 2024.

Kada se govori o tehnološkim inovacijama (što mi, na ovim stranama, što ljudi uopšte), reflektori su, najčešće, upereni na detalje, a ne na „širu sliku”. Uglavnom u fokus stavljamo specifične projekte i novotarije koje će unaprediti neki određeni aspekt ljudske delatnosti ili svakodnevice, nakon što je ta inovacija već uklopljena u komplikovanu logističko-energetsku mrežu čovečanstva, a ne pre nego što se plati neizbežan i često visoki trošak tog uklapanja. Govorimo o novim čipovima, senzorima, telekomunikacionim sistemima, vozilima, robotima ili idejama za čišćenje nekog preterano zagađenog ili oštećenog dela naše planete, ali se neretko apstrahuje količina energije koja je neophodna za njihovu implementaciju u svakodnevnu upotrebu. Tako, dolazimo do uvek vesele priče o izvorima energije koji definišu funkcionisanje čovečanstva, o baterijama, motorima i elektranama, kao i sirovinama neophodnim za njihov rad. Ovom prilikom, osvrnućemo se na napredak ostvaren u nekoliko aktuelnih projekata u ovim poljima.

U oblacima

Dok su vozovi i brodovi osnova planetarnog transporta dobara (a njih i dalje prvenstveno pokreću fosilna goriva), ovih dana se u vestima više pominje avijacija i to ne samo zbog problema kompanije Boeing. Neosporiva je činjenica da dok čovečanstvo nastavlja da raste, povećava se i potreba za brzim transportom veće količine ljudi, a to znači više aviona. Nakon pandemijskog pada u intenzitetu avio-saobraćaja, prošle se situacija vratila na brojke iz 2019. godine, a to je, na globalnom nivou, 100 hiljada letova dnevno koji prevoze, u proseku, 12 miliona ljudi. Kako bi se istovremeno smanjila količina zagađenja atmosfere usled sagorevanja petrohemijskog goriva, ali i trošak avio-kompanija pri kupovini kerozina, gotovo sve kompanije koje imaju veze sa avijacijom rade na razvoju inovativnih rešenja za avionske motore budućnosti, kako hibridne kerozinsko-električne prirode, tako i ekološki potpuno čistih mlaznih motora koji rade na vodonik. Uostalom, Međunarodna organizacija civilnog vazduhoplovstva (ICAO, International Civil Aviation Organization) usvojila je plan da se do 2050. godine ugljenične emisije putničkih aviona svedu na nulu.

Tu na scenu stupaju kompanije koje se bave proizvodnjom aviona i avio-motora iz celog sveta, kao što su Airbus, Rolls-Royce, CFM International, Embraer, Pratt & Whitney i Safran Aircraft Engines. Tokom poslednjih nekoliko godina, sve one su predstavile vlastite planove za smanjivanje ugljeničnih emisija svojih aviona. U SAD, NASA je preuzela na sebe koordinaciju programa EPFD (Electrified Powertrain Flight Demonstration) za stvaranje funkcionalnih putničkih aviona sa hibridnim pogonom. Jedan od učesnika programa je tandem kompanija GE Aerospace i Aurora Flight Sciences (deo trenutno napaćenog Boeinga). U okviru njihove četvorogodišnje saradnje modifikovan je avion Saab 340 (model za 36 putnika) tako da njegova dva motora GE CT7 potpomažu elektromotori ukupne snage od jednog megavata, a koji su u stanju ili da dopune rad motora sa unutrašnjim sagorevanjem ili da potpuno preuzmu njihovu funkciju tokom određenih segmenata leta. U okviru istog programa, još tri kompanije rade na potpuno novom avionu za transport do 50 putnika. Ta letelica, koju razvijaju firme Air Tindi, AeroTEC i magniX, koristi dva motora PTA6, kompanije Pratt & Whitney, kao i dva električna magni650 iz magniX-a.

Trenutno glavna prepreka pri konstrukciji većih putničkih aviona sa isključivo električnim motorima leži u usaglašavanju specifičnih potreba na planu performansi motora sa konstruktorskim limitima letelice. Naime, električni motori u avionu zahtevaju pozamašnu količinu kablova, a povećanje struje koja protiče kroz njih zahteva ili deblje kablove ili dodatno povećanje napona. Pošto debljina kablova negativno utiče na težinu aviona, ide se na opciju sa povećanjem napona, ali na velikim visinama (oko 11 kilometara), kada pritisak padne ispod 0,3 atmosfere, problem počinje da pravi Pašenov zakon koji kaže da skokovi struje između dva izolovana provodnika zavise od napona, udaljenosti između provodnika i vazdušnog pritiska, a na velikim visinama prosto nema dovoljno prostora da se kablovi kroz koje teče struja od 1000 volti dovoljno udalje. Tako da prototipi koje pomenuta dva tima konstruišu koriste slabiji napon, od 270 volti, ali to znači da njihovi elektromotori moraju da rade manjom snagom od potencijalnog maksimuma.

Dodatni izazov za implementaciju električnih avio-motora je u korišćenju aktuelnih baterija za skladištenje energije koje su previše teške za postizanje snage i kapaciteta koji su neophodni za duže letove većih aviona. Alternativno rešenje je u vodoničnim gorivim ćelijama koje struju stvaraju sagorevanjem vodonika „na licu mesta”, a jedini nusproizvod je vodena para. Početkom marta, kompanija Universal Hydrogen uspešno je testirala do sada najveći avionski motor sa vodoničnim gorivnim ćelijama. Motor snage jednog megavata radio je bez prestanka i problema punih sat i 40 minuta. Prilikom konstrukcije aviona sa ovakvim motorima, najbitniji deo letelice postaje modul za tečni vodonik koji je istovremeno rezervoar i konverter u gasoviti vodonik za potrebe sagorevanja. Dopunjavanje ovih modula ne bi se obavljalo direktno na letelicama kao kod klasičnog tankovanja goriva, nego se kompletan modul zameni novim, punim, dok se samo dopunjavanje vodonika obavlja na specijalno obezbeđenim stanicama. Trenutno razvijeni modul od 225 kilograma vodonika dovoljan je da obezbedi let aviona kao što je ATR 72 na deonicama od 800 kilometara (sa zakonski propisanom rezervom goriva).

Reaktori

Povećanje planetarne populacije neprestano produbljuje potrebu za električnom energijom. Tradicionalne elektrane se oslanjaju ili na sagorevanje fosilnih goriva, uništavanje ekosistema pri formiranju hidroakumulacionih jezera ili korišćenje radioaktivnog materijala; novi sistemi koriste snagu vetra, sunca ili plimskih talasa za sticanje energije, ali cena i količina struje dobijene takvim putem i dalje nije na željenom nivou da se krene u radikalno omasovljenje. Tokom poslednjih nekoliko godina, naučna zajednica sve više stavlja nuklearne elektrane na poziciju „najmanjeg zla”, dok razvojni timovi i dalje gledaju u „sveti gral” koji je neprestano na horizontu: fuziju.

Za razliku od klasičnih nuklearnih reaktora koji energiju dobijaju iz fisije (cepanja) teških radioaktivnih elemenata, fuzioni reaktori oslanjaju se na spajanje izotopa lakih elemenata koje oslobađa veliku količinu energije, ali bez radioaktivnosti. Trenutno se kao gorivo za fuziju koriste izotopi vodonika, deuterijum i tricijum, ali potencijalno nabavljanje velike količine helijuma-3 (na primer, rudarenjem na Mesecu) otvorilo bi potpuno nove energetske mogućnosti za ovaj proces.

Poslednji put kada smo pisali o razvoju ovih reaktora, pre skoro deset godina (SK 8/2014, i.sk.rs/11735), istakli smo da se radi o eksperimentima koji su daleko od ekonomske isplativosti. Danas je situacija znatno drugačija, pre svega zbog napretka na polju manipulacije elektromagnetnim poljem u kom se razvija visokoenergetska plazma. Naime, uspeh u produženju vremena trajanja fuzione reakcije i energetske snage same reakcije povećava rizik od oštećenja unutrašnjosti reaktora. Početkom marta, iz američke laboratorije DIII-D National Fusion Facility, stigla je vest da su postigli neočekivano visoku stabilnost plazme inverzijom oblika torusa. Naime, fuzioni reaktori, grubo rečeno, izgledaju kao „krofna” sa presekom u obliku velikog slova ’D’, pa je plazma unutar njega najčešće oblikovana na približno sličan način. Ipak, ispostavlja se da nestabilnost plazme potpuno nestaje ako se ona oblikuje inverzno, odnosno kao slovo ’D’ u ogledalu.

Zatim, na univerzitetu MIT (Massachusetts Institute of Technology) razvijena je nova generacija superprovodljivih elektromagneta, otpornih na visoke temperature, koji ne samo što mogu da se koriste u fuzionim reaktorima, već je njihova proizvodnja znatno povoljnija nego dosadašnje varijante. Istovremeno, timovi u Meksiku, Japanu i Velikoj Britaniji su razvojem novih materijala i protokola pomogli u dodatnom snižavanju troškova konstrukcije uz povećanje pritiska unutar reaktora.

Istraživanja i pomeranje granica u ovoj oblasti se nastavljaju, dok je izgradnja najvećeg fuzionog postrojenja još uvek u toku. Projekat ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) pokrenut je daleke 1988. godine i na njemu trenutno sarađuje više od 30 zemalja. Po trenutnom planu, završetak izgradnje u malom mestu na jugu Francuske (Sen Pol le Durans) i prvo pokretanje reaktora trebalo bi da se desi tokom sledeće godine, mada nije isključeno da će se desiti neko novo odlaganje.

Dok je isplativa fuzija na vidiku, razvoj i unapređivanje fisionih reaktora takođe ne prestaju. Startap NANO Nuclear smatra da je budućnost ove tehnologije u konstrukciji ogromnog broja veoma malih reaktora, snage do dva megavata, koji bi mogli da se lako i brzo postave tamo gde je potrebno napajanje. Mikroreaktori ZEUS i ODIN iz ove kompanije imaju male dimenzije (veličine standardnog transportnog kontejnera), ali koriste različitu konstrukciju. ZEUS je nuklearna baterija sa čvrstim jezgrom, zatvoreni sistem koji stvara struju postepenom degradacijom radio-izotopa, poput onih koji se koriste na novim marsovskim roverima. ODIN je, pak, klasičan reaktor sa unapređenom kontrolom reakcije, kao i niskim stepenom pritiska u sistemu za hlađenje što rezultuje višom temperaturom vodene pare i većom energetskom efikasnošću. Oba reaktora imaju minimalan broj pokretnih delova, kao i mogućnost trenutnog isključivanja u potpuno inertnu formu.

• • •

Za kraj ćemo, nakratko, da pomenemo baterije. Trenutno dominantna litijum-jonska varijanta je preteška, prevelika i preskupa za ispunjavanje željenih performansi električnih vozila (a, po nekima, i manjih električnih uređaja). Rešenja koja koriste natrijum, silicijum, grafen, cink, mangan, zlato ili volfram sve češće se pominju kao kvalitetnija i povoljnija zamena za litijum-jonski standard.

Nova generacija sistema za stvaranje i prenos električne energije, kao i motora koji će ih koristiti sve je bliže stadijumu kada će polako početi da preuzimaju tržište. Jedino pitanje je da li ćemo na to morati da čekamo pet ili petnaest godina.