نظام هيدروجين قابل للتوسع يمكّن الطيران الخالي من الانبعاثات

التنقل هو جزء حاسم من حياتنا اليومية، والطيران هو مكوّن رئيسي لهذه القدرة على السفر من مكان إلى آخر بسرعة.

من خلال تمكين الناس والبضائع من السفر مسافات طويلة خلال بضع ساعات، يربط قطاع الطيران الناس كما لا يستطيع أي وسيلة نقل أخرى. وهذا يجعله مساهمًا كبيرًا في الاقتصاد العالمي، حيث يمثل 3.5٪ من الناتج المحلي الإجمالي العالمي (GDP). 

يدعم القطاع أيضًا ما مجموعه 86.5 مليون وظيفة على مستوى العالم، مع حجم سوق تقديري لصناعة الخطوط الجوية العالمية يتجاوز 760 مليار دولار.

ومن الجدير بالذكر أن شركات الطيران حول العالم من المتوقع أن تكون قد نقلت تقريبًا 9.5 مليار راكب في عام 2024، مما يمثل زيادة بنسبة 104٪ عن مستويات 2019 وارتفاعًا بنسبة 9٪ عن عام 2023، وفقًا لـ ACI World. هذا النمو من المتوقع أن يتسارع بسرعة أكبر، حيث يُتوقع أن يصل حجم الركاب العالمي إلى 19.5 مليار بحلول عام 2042.

من الواضح أن قطاع الطيران يتوسع، ومستقبله مشرق بالفعل. ومع ذلك، فإنه يساهم أيضًا في انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) إلى حد كبير.

بينما يمثل الطيران حصة صغيرة نسبيًا من الانبعاثات العالمية بنسبة 2.5%، فقد نما أسرع من السكك الحديدية والطرق أو الشحن بين عامي 2000 و2019. أدى هذا الطلب المتزايد على السفر الدولي بعد جائحة كوفيد-19 فعليًا إلى وصول انبعاثات الطيران إلى ما يقرب من 950 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون.

ليس فقط أن انبعاثات الطيران تنمو بسرعة، بل إنها أيضًا واحدة من أكثر القطاعات تحديًا في خفض الكربون، مما يشكل تحديًا بيئيًا حاسمًا.

وبالتالي، يركز القطاع حاليًا على خفض الكربون في عملياته وتحقيق هدف صافي الصفر، والذي يتضمن تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى مستوى يمكن للطبيعة امتصاصه بحلول عام 2050.

فتح وعد الهيدروجين للطيران الخالي من الانبعاثات

نظرًا لمساهمة الطيران بنسبة ملحوظة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية وانبعاثات الأثر (الخطوط المتكونة)، يصبح من الضروري للغاية تطوير حلول متقدمة وشاملة لتحقيق أهداف المناخ للقطاع. 

إحدى الحلول الواعدة هي الهيدروجين، أخف وأكثَر العناصر الكيميائية وفرة في الكون، والذي يشكل حوالي 75٪ من جميع المادة العادية.

ظهر هذا العنصر الكيميائي كأداة شائعة وقيمة لإزالة الكربون بفضل احتراقه النظيف. إنه وقود نظيف لأنه ينتج بخار الماء فقط كمنتج ثانوي عند احتراقه.

علاوة على ذلك، كثافة الطاقة الجاذبية، أو الطاقة المتاحة لكل وحدة كتلة من المادة، للهيدروجين تقريبًا أعلى بـ 2.8 مرة من وقود الطيران التقليدي، الكيروسين. يمتلك الهيدروجين أعلى كثافة طاقة جاذبية بين جميع المواد المعروفة، أي حوالي 120 كيلوجول/غرام. بالمقابل، يمتلك وقود الطائرات القائم على الكيروسين كثافة طاقة تبلغ 43 ميجا جول/كغ.

ومع ذلك، يمتلك الهيدروجين كثافة منخفضة في الظروف المحيطة، أي 0.08 كغ/م³. وهذا يطرح تحديات كبيرة في التخزين، خاصة للرحلات الطويلة.

بديل عملي لذلك هو تخزين الغاز عديم اللون والرائحة والطعم في شكل سائل عند 20 كلفن. يزيد هذا الشكل من كثافة الهيدروجين إلى 휌퐿퐻2 = 70.8 كغ/م³، وهو ما أصبح حلاً لتطبيقات الطيران.

كما استكشفت الشركات جوانب مختلفة من دمج الهيدروجين السائل (LH2) في الطائرات، بما في ذلك إدارة الحرارة، وآليات التحكم في الضغط، واستراتيجيات العزل، وتصميم الخزانات الفوق حرجة.

ومع ذلك، لا يزال نظام شامل يدمج تخزين LH2 وإدارة الحرارة والتحكم في النقل بصورة قابلة للتوسع لتصميم الطائرات غير مستكشف بشكل كافٍ.

لذلك، صمم فريق من الباحثين في كلية الهندسة المشتركة بين جامعة فلوريدا إيه&إم (FAMU) وجامعة ولاية فلوريدا (FSU) نظام تخزين وتوصيل الهيدروجين السائل يمكنه مساعدة صناعة الطيران على تحقيق هدفها صفر انبعاثات.

بدعم من وكالة ناسا، حددت الدراسة نظامًا متكاملًا وقابلًا للتوسع يعالج تحديات هندسية متعددة من خلال تمكين استخدام الهيدروجين كوقود نظيف. كما يُستخدم كوسيلة تبريد مدمجة للأنظمة الحرجة على متن الطائرات الكهربائية.

أظهر الفريق أن الهيدروجين السائل يمكن تخزينه بكفاءة، ونقله بأمان، واستخدامه لتبريد الأنظمة الحرجة على متن الطائرة مع دعم متطلبات الطاقة للطائرة خلال مراحل الإقلاع، والرحلة، والهبوط.

“كان هدفنا إنشاء نظام واحد يتعامل مع مهام حرجة متعددة: تخزين الوقود، والتبريد، والتحكم في التوصيل. يضع هذا التصميم الأساس لأنظمة طيران الهيدروجين الواقعية.”

الطائرات الهجينة الكهربائية التي تعمل بالهيدروجين: حل دفع قابل للتوسع

نُشرت الدراسة في Applied Energy¹، وتتناول مهمة تقليل انبعاثات الكربون والأثر (الخطوط المتكونة) في صناعة الطيران، والتي تُعد مساهمين رئيسيين في تغير المناخ، من خلال اقتراح تصميم مبتكر لنظام لتخزين الهيدروجين السائل، وإدارة الحرارة، والتحكم في نقله، مخصص للطيران المتكامل صفر الانبعاثات (IZEA). 

إيزيا هو تعاون أكاديمي-صناعي يهدف إلى تحقيق صفر انبعاثات غازات الدفيئة من الطيران التجاري. تشمل الشركاء الصناعيين ريثيون تكنولوجيز، بوينغ، ومختبرات المغناطيس المتقدمة.

على وجه الخصوص، يدرس هذا التعاون إنتاج الطاقة الهجينة من خلال الجمع بين خلايا الوقود والمولدات التوربوإلكترونية، باستخدام الهيدروجين مع إما أكسجين مركز أو هواء محيط.

هدف إيزيا هو معرفة كيفية استخدام الهيدروجين السائل كوقود بالإضافة إلى زيادة الكفاءة والقوة دون زيادة الوزن.

لقد اختاروا كلية الهندسة المشتركة بين FAMU وFSU للمساعدة في تطوير نظام الطيران المستدام في أواخر عام 2022، كجزء من مشروع مدته خمس سنوات بقيمة 10 ملايين دولار.

لتنفيذ الأجندة الوطنية لأنظمة الطاقة ودفع الطائرات التجارية لتقليل الانبعاثات الضارة لصناعة الطيران، سيعمل فريق FAMU-FSU مع باحثين من جامعة كنتاكي، جامعة بافالو، جورجيا تك، والشركاء الصناعيين، كما أعلن إيزيا قبل عامين ونصف.

الآن، عالج التعاون نقص النظام الشامل من خلال بناء نظام دفع قائم على الهيدروجين قابل للتوسع وشامل للطائرات المستقبلية.

يبدأ المشروع برحلات إقليمية قصيرة المدى لتقييم جدوى الطيران المدعوم بالهيدروجين السائل على المدى القريب. يتركز التركيز هنا على طائرة نموذجية ذات هيكل جناح مدمج، يمكنها حمل 100 راكب.

تستمد الطائرة الهجينة الكهربائية الطاقة من كل من خلايا الوقود الهيدروجينية والمولدات الكهربائية فائقة التوصيل (HTS) ذات درجة حرارة عالية، التي تُشغلها توربينات احتراق مغطاة بالهيدروجين.

توفر خلايا الوقود حلاً لتجنب انبعاثات أكسيد النيتروجين (NOx) والأثر، ولذلك تبحث مؤسسات مثل إيرباص وCHEETA أيضًا في طائرات تعمل بخلايا الوقود. ومع ذلك، فإن المشكلة في المكدسات الحالية لخلايا الوقود هي أنها ضخمة للغاية، مما يجعل من الصعب تزويد طائرة كبيرة بالطاقة خلال مراحلها المختلفة، خاصةً أثناء الإقلاع. كحل لهذه المشكلة، قدم الفريق مصدر الطاقة المزدوج. 

تُستخدم خلايا الوقود خلال ظروف الحمل المنخفض، مثل التحرك على الأرض والرحلة، بحد أقصى للطاقة يبلغ حوالي 6.8 ميجاواط. في الوقت نفسه، توفر المولدات الفائقة التوصيل المدفوعة بتوربينات الهيدروجين الطاقة الإضافية (9.4 ميجاواط) اللازمة أثناء الإقلاع. يجمع هذا المزيج بينهما ليصل إلى ذروة قدرة تبلغ 16.2 ميجاواط ويعزز المرونة من خلال توفير ت redundancy للطاقة.

لمواجهة تحدي الكثافة، حيث أن الهيدروجين أقل كثافة وبالتالي يشغل مساحة كبيرة ما لم يُخزن عند -253°C كسائل فائق البرودة، صمم الباحثون خزانات فائق حرجة وأنظمتها الفرعية باستخدام مؤشر جاذبي جديد.

المؤشر هو نسبة كتلة الوقود إلى نظام الوقود الكامل، لكن مؤشر الفريق يشمل كتلة وقود الهيدروجين، هيكل الخزان، المبادلات الحرارية، العزل، السوائل العاملة، وأجهزة الدوران.

من أجل العثور على التكوين الذي يمنح أقصى كتلة وقود نسبة إلى إجمالي كتلة النظام، استمر الباحثون في تعديل المعلمات الرئيسية مثل ضغط الفتحات وأبعاد المبادلات الحرارية حتى وصلوا إلى المثالي.

حقق التخطيط المثالي مؤشرًا جاذبيًا قدره 0.62. وهذا يعني أن 62٪ من الوزن الكلي للنظام هو وقود هيدروجين قابل للاستخدام، مما يمثل تحسينًا كبيرًا مقارنةً بالتصاميم التقليدية.

بالنسبة لإدارة الحرارة، الوظيفة الرئيسية الأخرى للنظام، لم يثبت الباحثون نظام تبريد منفصل بل قاموا بتمرير الهيدروجين البارد جدًا عبر المبادلات الحرارية. تُرتب هذه المبادلات في تسلسل مرحلي، وتزيل الحرارة المهدرة من مكونات مثل الكابلات، والمحركات، والمولدات الفائقة التوصيل، والإلكترونيات القوية. امتصاص هذه الحرارة يزيد تدريجيًا من درجة حرارة الهيدروجين.

تحسين توصيل الهيدروجين وإدارة الحرارة أثناء الطيران

عند توصيل الهيدروجين السائل عبر الطائرة، يواجه ذلك تحدياته الخاصة. على سبيل المثال، تضيف المضخات وزنًا إضافيًا وتعقيدًا للنظام ويمكن أن تولد حرارة غير مرغوب فيها تحت الظروف الفوق حرجة.

لتجاوز هذه التحديات، طور الفريق نظامًا خاليًا من المضخات يستخدم ضغط الخزان للتحكم في تدفق وقود الهيدروجين.

يتم زيادة الضغط عن طريق حقن غاز الهيدروجين من أسطوانة ضغط عالي عادية وتخفيضه عن طريق تفريغ بخار الهيدروجين. لضبط الضغط في الوقت الحقيقي، يربط حلقة تغذية راجعة حساسات الضغط بمتطلبات الطاقة للطائرة، مما يضمن معدل تدفق دقيق للهيدروجين عبر جميع مراحل الطيران.

وفقًا للمحاكاة، يستطيع النظام توصيل الهيدروجين بمعدل يصل إلى 0.25 كغ في الثانية. هذا المعدل كافٍ لتلبية طلب الطاقة الكهربائية البالغ 16.2 ميجاواط أثناء الإقلاع أو في حالة الطوارئ حيث يجب على الطائرة إعادة الدوران.

مع تنظيم المبادلات الحرارية بترتيب متسلسل، عندما يتحرك الهيدروجين عبر النظام، يبرد الغاز أولاً المكونات التي تعمل في درجات حرارة فائق برودة، مثل الكابلات ومولدات HTS. ثم يمتص الحرارة من المكونات ذات درجة الحرارة الأعلى، مثل المحركات والإلكترونيات القوية. أخيرًا، قبل أن يصل الهيدروجين إلى خلايا الوقود، يتم تسخينه مسبقًا ليتطابق مع الظروف المثالية لمدخل خلية الوقود.

إن هذا التكامل الحراري المرحلي هو ما يتيح استخدام الهيدروجين السائل كوقود ومبرد في آن واحد، مما يزيد من كفاءة النظام مع تقليل تعقيد الأجهزة.

“سابقًا، لم يكن الناس متأكدين من كيفية نقل الهيدروجين السائل بفعالية داخل الطائرة وما إذا كان يمكن أيضًا استخدامه لتبريد مكونات نظام الطاقة. لم نُظهر فقط أنه ممكن، بل أثبتنا أيضًا أنه يلزم إجراء تحسين على مستوى النظام لهذا النوع من التصميم.”

– Guo

كان تركيز الدراسة هنا على تحسين التصميم ومحاكاة النظام. في الخطوة التالية، سيقوم الباحثون بالتحقق التجريبي. لهذا، سيبني الفريق نظامًا نموذجيًا ثم يجري اختبارات في مركز الطاقة المتقدمة بجامعة ولاية فلوريدا (FSU).

في أعمالهم المستقبلية، سيُركز الباحثون أيضًا على تصميم المبادلات الحرارية، الموجودة في كل حلقة دوران، والتي تنقل الحرارة من المكونات إلى السائل العامل. تفتقر الدراسة الحالية إلى مواصفات مفصلة للمواد، والحجم، والخصائص الحرارية لهذه المكونات.

ستكون استراتيجيات إدارة الحرارة المبتكرة أيضًا محور التركيز لتبريد مكدسات خلايا الوقود ومعالجة توليد الحرارة الكبير أثناء التشغيل. وأشارت الدراسة إلى أن هذه التطورات حاسمة لتحسين بنية إدارة الحرارة العامة وضمان التنفيذ العملي لتقنيات الطيران صفر الانبعاثات.

الاستثمار في تقنيات الطيران التي تعمل بالهيدروجين

عند الحديث عن الاستثمار في قطاع الطيران، تقدم RTX (RTX ) فرصة ذات إمكانات عالية. تُعد أكبر شركة طيران ودفاع في العالم شريكًا أساسيًا في تعاون IZEA. كما لديها برامج بحث وتطوير واسعة تستهدف تقنيات الطيران المستدامة، بما في ذلك أنظمة خلايا الوقود والطائرات التي تعمل بالهيدروجين.

RTX Corp. (RTX ) 

تعمل RTX عبر ثلاثة أقسام رئيسية:

• توفر Collins Aerospace منتجات طيران ودفاعية متقدمة تكنولوجيًا لشركات الطيران التجارية، ومصنعي الطائرات المدنية والعسكرية، وعمليات الفضاء.
• يوفر قسم Pratt & Whitney محركات الطائرات للعملاء العسكريين والعاميين والتجاريين.
• تطور Raytheon الصواريخ، والأسلحة الذكية، وقدرات الدفاع الجوي والصاروخي المتقدمة.

من خلال أقسام Collins Aerospace وPratt & Whitney، تشارك RTX بنشاط في تطوير واختبار الطائرات التي تعمل بالهيدروجين والتقنيات ذات الصلة.

يتضمن ذلك برنامج HySIITE، الذي يعمل على تمكين صناعة الطيران من استخدام الهيدروجين على نطاق واسع. برعاية وكالة أبحاث الطاقة المتقدمة التابعة لوزارة الطاقة (DOE’s ARPA-E)، تم تحسين المشروع للهيدروجين السائل وانتهى في ديسمبر 2024. أظهرت اختبارات جهاز HySIITE انخفاضًا بنسبة 99.3٪ في انبعاثات NOx مقارنةً بمحرك GTF وتحسينًا يصل إلى 35٪ في كفاءة الطاقة.

في الوقت نفسه، تستمر مشروعيه الآخرين لدفع مستقبل الهيدروجين في الطيران. دراسة محرك الهيدروجين المتقدم (HyADES)، المدعومة من مبادرة INSAT المشتركة بين الصناعة والحكومة الكندية، تعمل على تعزيز استخدام الهيدروجين للطائرات ذات المروحة. بينما يدعم مشروع COCOLIH2T من قبل مبادرة الاتحاد الأوروبي للهيدروجين النظيف ويطور طريقة لتخزين الوقود.

فيما يتعلق بأداء سوق Raytheon، ارتفعت أسهمها بشكل ملحوظ. أسهم الشركة، التي تبلغ قيمتها السوقية 183.64 مليار دولار في وقت كتابة هذا النص، تُتداول بأكثر من 137.50 دولار، وهو أعلى مستوى تاريخي جديد (ATH) ويمثل مكاسب منذ بداية العام (YTD) بنسبة 18.7٪.

شهدت أسهم RTX نموًا مستمرًا على مدار الثلاثة عقود الماضية. ارتفعت الأسهم أيضًا بنحو 21٪ منذ أدنى مستوياتها في أبريل. ومع ذلك، فإن ربح السهم (EPS) (TTM) هو 3.41 ومؤشر السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هو 40.31. كما تقدم Raytheon عائدًا جذابًا على الأرباح بنسبة 1.98٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، فقد أعلنت عن أداء قوي في الربع الأول من عام 2025 مع زيادة المبيعات بنسبة 5٪ عن العام السابق لتصل إلى 20.3 مليار دولار، وكان ربح السهم المعدل 1.47 دولار. كان التدفق النقدي التشغيلي لشركة Raytheon خلال هذه الفترة 1.3 مليار دولار، وتدفق النقد الحر 0.8 مليار دولار، بينما يبلغ حجم الأعمال المتأخرة 217 مليار دولار، بما في ذلك 92 مليار دولار في قطاع الدفاع و125 مليار دولار في القطاع التجاري.

«نحن نبدأ عام 2025 بقوة. البيئة الحالية واضحة الديناميكية، لكن شركتنا في موقع جيد لأداء عملياتي ونحن نركز فرقنا على تنفيذ التزاماتنا وتقديم طلباتنا المتراكمة القوية.»

– الرئيس التنفيذي لشركة RTX كريس كالو

للسنة كاملة 2025، تتوقع الشركة مبيعات معدلة تتراوح بين 83 إلى 84 مليار دولار، وربح السهم المعدل بين 6.00 و6.15 دولار، وتدفق نقدي حر يتراوح بين 7 إلى 7.5 مليار دولار، مع الإشارة إلى أن هذه التقديرات لا تشمل تأثير التعريفات الجمركية التي تم إقرارها مؤخرًا.

وسط كل ذلك، حصلت الشركة على عقد بقيمة 536 مليون دولار من البحرية الأمريكية هذا الأسبوع لعائلة رادارات SPY-6، التي تم تركيبها الآن على سفينتين من سفنها، مع استعداد ثلاث سفن أخرى للتركيب. خلال العقد القادم، سيتم نشر الرادارات على أكثر من 60 سفينة من أسطول البحرية الأمريكية.

كجزء من العقد، ستوفر Raytheon دعمًا مستمرًا من خلال التدريب، والتركيب، والتكامل، والاختبار، بالإضافة إلى تحديثات البرامج لتعزيز قدرات الرادار.

«SPY-6 هو أكثر رادار متقدم في أسطول البحرية الأمريكية، يوفر للسفن مستوى جديدًا من الدفاع ضد التهديدات المتطورة.»

– باربارا بورغونوفي، رئيسة قسم القوة البحرية في Raytheon.

كما تم تسليم الرادار رقم 13 من نوع AN/TPY-2 للدفاع الصاروخي إلى وكالة الدفاع الصاروخي الأمريكية، وهو أول وحدة تتميز بمصفوفة كاملة تعتمد على غاليوم نيتريد (GaN)، مما يعزز بشكل كبير حساسية النظام وأدائه.

كما حصلت الشركة على عقد بقيمة 1.1 مليار دولار لتصنيع وتسليم صواريخ AIM-9X سایدويندر. من خلال هذا العقد، تواصل Raytheon دعمها الطويل الأمد لبرنامج سایدويندر، وهو نظام صواريخ قصير المدى يُستخدم على نطاق واسع عالميًا.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم الطيران والدفاع.

أحدث أخبار وتطورات سهم شركة RTX (RTX)

الأفكار النهائية: دور الهيدروجين في الطيران المستدام

قطاع الطيران ينمو بسرعة ويساهم في التنمية الاقتصادية والاجتماعية العالمية، ولكن في الوقت نفسه يخلق حاجة ملحة لمعالجة مشكلة انبعاثات الكربون والأثر. هنا، ظهر الهيدروجين، بفضل طاقته الكيميائية النوعية العالية، كبديل وقود نظيف واعد.

مع وضع ذلك في الاعتبار، تقدم الدراسة الأخيرة إطارًا شاملًا لتصميم وتحسين نظام تخزين الهيدروجين السائل، وإدارة الحرارة، والتحكم في النقل، مظهرًا إمكاناته في تعزيز تقنيات الطيران الفعّالة والمستدامة.

من خلال الاستفادة من الأثر الإيجابي للهيدروجين على تغير المناخ وجودة الهواء، يمتلك قطاع الطيران الآن مسارًا قابلًا للتنفيذ لتقليل بصمته الكربونية، ممهدًا الطريق لمستقبل لا يأتي فيه السفر لمسافات طويلة على حساب الكوكب.

انقر هنا للحصول على أحدث الابتكارات في مجال الطيران التي تمهد الطريق للطيران من الجيل التالي.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). نظام تخزين الهيدروجين السائل، وإدارة الحرارة، والتحكم في النقل للطيران المتكامل صفر الانبعاثات (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}