نجاح تحليق أول طائرة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين

في 2 مارس/ آذار 2023، حلّقت طائرة Dash 8-300 لمدة 15 دقيقة في سماء ولاية واشنطن الأميركية. لا تبدو هذه الطائرة مختلفة عن غيرها من الطائرات، لكنها تستمد الطاقة من نوع مختلف من الوقود، وهو وقود الهيدروجين.

إنها أول رحلة ناجحة لطائرة تستخدم وقود الهيدروجين، الذي يعتبر صديقاً للبيئة ولا يطلق انبعاثات ضارة في الغلاف الجوي. فما آلية عمل محرك هذه الطائرة ونظام الدفع الخاص بها؟

وقود الهيدروجين

يعتبر قطاع الطيران من أكثر القطاعات تلويثاً للبيئة، فالوقود الذي تستخدمه الطائرات يتسبب في انبعاث كميات كبيرة من غاز ثاني أوكسيد الكربون المسؤول عن ظاهرة الاحتباس الحراري وتغيّر المناخ.

وتتجه الأنظار نحو وقود الهيدروجين لأنه مصدر طاقة نظيف للغاية، وينتج عن احتراقه بخار الماء والحرارة فقط. هذا هو السبب الذي يجعل الكثيرين يعولون عليه كبديل عن الوقود الأحفوري.

يقول مارك كوزين، وهو كبير المسؤولين التقنيين بشركة يونيفرسال هيدروجين (Universal Hydrogen)، وهي الشركة التي طوّرت هذه الطائرة: "هذه بالتأكيد أكبر طائرة حلّقت بالاعتماد على خلايا وقود الهيدروجين".

كيف حلّقت الطائرة؟

تعتبر هذه الطائرة هجينة، لأن فيها محركاً عادياً في جناحها الأيسر يحرق وقود الطائرات العادي، ومحركاً كهربائياً على جناحها الأيمن يستمد طاقته الكهربائية من خلايا وقود الهيدروجين.

تم تخزين الهيدروجين بشكله الغازي في الجزء الخلفي من الطائرة ونقله عبر أنابيب إلى الجناح الأيمن حيث يوجد المحرك الكهربائي والمئات من خلايا الوقود.

تقوم خلايا وقود الهيدروجين بتوليد الكهرباء عن طريق تزويدها بغازي الهيدروجين والأوكسجين بشكلٍ مستمر. يأتي غاز الهيدروجين عبر الأنابيب من الجزء الخلفي للطائرة، ويأتي الأوكسجين مع الهواء عبر فتحتين يمكن رؤيتهما بالقرب من المحرك الكهربائي.

التيار الكهربائي الذي تولده خلايا الوقود يكون مستمراً، لذلك يتم تمريره عبر محولات لتحويله إلى تيار متردد ثم إرساله للمحرك الكهربائي.

Last week marked a huge milestone in the history of #hydrogen #flight: Meet Lightning McClean, a 40-passenger regional airliner powered by hydrogen fuel cells. Powered by sunshine, emitting nothing but water. #Green hydrogen is the quintessential forever fuel. pic.twitter.com/YZSqEPeghG

— Universal Hydrogen Co. (@Universal_H2) March 6, 2023

مبدأ عمل خلايا وقود الهيدروجين

خلايا وقود الهيدروجين هي خلايا تولد الكهرباء من خلال التفاعل الكيميائي، الفكرة هي عكس فكرة تحليل الماء بالكهرباء.

عند تحليل الماء بالكهرباء، ينفصل الهيدروجين عن الأوكسجين، لكن في خلية وقود الهيدروجين يتفاعل الهيدروجين مع الأوكسجين، وينتج عن ذلك تيار كهربائي.

في خلية الوقود، يتم إنتاج الكهرباء من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال بين الهيدروجين والأكسجين. عند المصعد (القطب الموجب)، يتأكسد الهيدروجين وينتج عن ذلك الماء والإلكترونات حسب التفاعل:

H2 + 2OH^(-1)→ 2H2O +2e^(-1)

تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية إلى المهبط (القطب السالب)، حيث يحدث التفاعل التالي:

O2 + 2H2O + 4e^(-1) → 4OH^(-1)

في التفاعل الأخير، يتم إنتاج أيونات الهيدروكسيد، وتكون الكهرباء والحرارة منتجات ثانوية لهذا التفاعل.

كيف كانت التجربة؟

تستطيع طائرة Dash 8-300 حمل 50 راكباً على متنها، لكن في هذه التجربة لم يكن على متنها سوى 3 أشخاص.

استغرقت الرحلة التجريبية نحو 15 دقيقة، حلّقت فيها الطائرة على ارتفاع يبلغ نحو 2300 قدم (700 متر تقريباً) فوق سطح الأرض.

دارت الطائرة مرتين حول المطار، ثم هبطت بسلاسة على المدرج.

التحول إلى الهيدروجين السائل

يتم تخزين الوقود في معظم الطائرات على الأجنحة، لكن في هذه الطائرة، لم يكن ذلك ممكناً، لأن الهيدروجين بحالته الغازية يشغل مساحة كبيرة، لهذا السبب، تم تخزينه في الجزء الخلفي من الطائرة.

لكن الشركة لديها خطط للتحول إلى الهيدروجين السائل الذي يشغل مساحة أقل بكثير من الهيدروجين الغازي، لكن يجب التغلب على بعض القيود لتحقيق ذلك مثل:

حفظ هذه الخزانات في درجات حرارة شديدة البرودة.
تحويل الهيدروجين السائل إلى الحالة الغازية قبل استخدامه في خلايا الوقود.

شركات أخرى

شركة يونيفرسال هيدروجين ليست الوحيدة التي تعمل على تطوير طائرات تستخدم وقود الهيدروجين، ففي شهر فبراير/ شباط 2022، أعلنت شركة إيرباص الأميركية أنها ستخصص طائرة عملاقة من نوع A380 لاختبار وقود الهيدروجين.

وفي نوفمبر/ تشرين الثاني من العام نفسه، كشفت الشركة عن خطة لتطوير محرك كهربائي للطائرات يعمل بخلايا وقود الهيدروجين.