Skaalautuva vetyjärjestelmä mahdollistaa päästöttömän lentämisen

Liikkuvuus on olennainen osa arkeamme, ja lentoliikenne on keskeinen komponentti, joka mahdollistaa nopean liikkumisen paikasta toiseen.

Mahdollistamalla ihmisten ja tavaroiden matkustamisen satoja kilometrejä muutamassa tunnissa, lentoliikenne yhdistää ihmisiä tavalla, johon mikään muu kulkumuoto ei kykene. Tämä tekee siitä merkittävän tekijän maailman taloudessa, vastaten 3,5 % maailman bruttokansantuotteesta (BKT).

Ala työllistää myös yhteensä 86,5 miljoonaa ihmistä maailmanlaajuisesti, ja sen arvioitu markkinakoko ylittää 760 miljardia dollaria.

Huomionarvoista on, että lentoyhtiöt maailmanlaajuisesti arvioidaan kuljettaneen noin noin 9,5 miljardia matkustajaa vuonna 2024, mikä on 104 % kasvu vuoteen 2019 verrattuna ja 9 % nousu vuoteen 2023 verrattuna, ACI Worldin mukaan. Tämän kasvun odotetaan kiihtyvän, ja maailmanlaajuisen matkustajaliikenteen odotetaan saavuttavan 19,5 miljardia vuoteen 2042 mennessä.

Lentoliikenneala laajenee selvästi, ja sen tulevaisuus onkin lupaava. Siitä huolimatta se myös aiheuttaa merkittävän osan kasvihuonekaasupäästöistä (GHG).

Vaikka lentoliikenne vastaa suhteellisen pienestä osasta maailmanlaajuisia päästöjä, 2.5% kasvoi nopeammin kuin rautatie, tie tai merenkulku vuosina 2000–2019. Tämä kansainvälisen matkustamisen kasvava kysyntä Covid-19-pandemian jälkeen johti lentoliikenteen päästöjen nousemaan lähes 950 Mt CO2:ta.

Lentoliikenteen päästöt eivät ainoastaan kasva nopeasti, vaan se on myös yksi haastavimmista sektoreista hiilineutraaliuden saavuttamisessa, mikä asettaa kriittisen ympäristöhaasteen.

Tämän seurauksena alan keskittyminen on tällä hetkellä hiilineutraaliuden saavuttamisessa ja Net Zero -tavoitteen toteuttamisessa, mikä tarkoittaa CO2-päästöjen vähentämistä tasolle, jonka luonto pystyy absorboimaan vuoteen 2050 mennessä.

Vetyteknologian lupauksen avaaminen päästöttömälle lentoliikenteelle

Koska lentoliikenne aiheuttaa merkittävän osan maailmanlaajuisista hiilidioksidi- ja kontraalipäästöistä, on äärimmäisen tärkeää kehittää edistyneitä ja kattavia ratkaisuja alan ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi.

Lupaava ratkaisu on vety, kevyin ja yleisin kemiallinen alkuaine universumissa, joka muodostaa noin 75 % kaikesta tavallisesta aineesta.

Tämä alkuaine on noussut suosituksi ja arvokkaaksi hiilineutraaliuden työkaluksi puhtaan palamisen ansiosta. Se on puhtaasti palava polttoaine, sillä sen palamisen sivutuotteena syntyy vain vesihöyryä.

Lisäksi vedyn gravimetrinen energiapitoisuus, eli saatavilla oleva energia massayksikköä kohti, on noin 2,8‑kertainen perinteiseen lentopolttoaineeseen, kerosiiniin, verrattuna. Vedyllä on itse asiassa korkein gravimetrinen energiapitoisuus kaikista tunnetuista aineista, noin 120 kJ/g. Vertailun vuoksi kerosiinipohjaisella suihkupolttoaineella on energiapitoisuus 43 MJ/kg.

Kuitenkin vedyn tiheys on alhainen normaalissa lämpötilassa, noin 0,08 kg/m³. Tämä aiheuttaa merkittäviä varastointiongelmia, erityisesti pitkän matkan lennoilla.

Käytännöllinen vaihtoehto on varastoida väritön, hajuton ja mauton kaasu nestemäisessä muodossa 20 K lämpötilassa. Tämä muoto nostaa vedyn tiheyden arvoon 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, mikä on noussut ratkaisuksi lentosovelluksissa.

Yritykset ovat myös tutkineet erilaisia nestevety (LH2) -integraation osa-alueita lentokoneissa, kuten lämpöhallintaa, paineenohjausmekanismeja, eristysstrategioita ja kriogeenisten säiliöiden suunnittelua.

Kuitenkin kokonaisvaltaista järjestelmää, joka yhdistää LH2-varastoinnin, lämpöhallinnan ja siirto-ohjauksen skaalautuvassa muodossa lentokonemalliin, on vielä vähän tutkittu.

Niinpä FAMU-FSU Engineering College -tutkijatiimi, joka on Florida A&M -yliopiston ja Florida State Universityn yhteinen tekniikan tiedekunta, on suunnitellut nestevetyvarasto- ja -toimitusjärjestelmän, joka voi auttaa lentoliikennettä saavuttamaan nollapäästöjen tavoitteen.

NASA:n tuella tutkimus esitteli skaalautuvan, integroidun järjestelmän, joka ratkaisee useita tekniikan haasteita mahdollistamalla vedyn käytön puhtaana polttoaineena. Sitä käytetään myös sisäänrakennettuna jäähdytysaineena kriittisille sähkövoimalaitteille sähkövoimalla varustetuissa lentokoneissa.

Tiimi osoitti, että nestevetyä voidaan varastoida tehokkaasti, siirtää turvallisesti ja käyttää kriittisten laitteiden jäähdyttämiseen samalla kun se tukee lentokoneen energiavaatimuksia nousu-, lentorata- ja laskeutumisk phases.

“Tavoitteenamme oli luoda yksi järjestelmä, joka hoitaa useita kriittisiä tehtäviä: polttoainevarastointi, jäähdytys ja toimitusohjaus. Tämä suunnittelu luo perustan todellisille vety-lentojärjestelmille.”

Vety-hybridisähköinen lentokone: skaalautuva propulsio-ratkaisu

Julkaistu Applied Energy -lehdessä, tutkimus pyrkii vähentämään lentoliikenteen hiili- ja kontraalipäästöjä, jotka ovat merkittäviä ilmastonmuutoksen aiheuttajia, esittelemällä innovatiivisen suunnittelun nestevetyä varastoivalle, lämpöhallintaa ja siirron ohjausta koskevalle järjestelmälle, joka on räätälöity Integrated Zero Emission Aviation (IZEA) -konseptille.

IZEA on akateemisen ja teollisuuden yhteistyö, jonka tavoitteena on saavuttaa nollakasvihuonekaasupäästöt kaupallisessa lentoliikenteessä. Teollisuuden kumppaneihin kuuluvat Raytheon Technologies, Boeing ja Advanced Magnet Laboratories.

Erityisesti yhteistyö tutkii hybridivoiman tuotantoa polttokennojen ja turboelektristen generaattoreiden yhdistelmällä, hyödyntäen vetyä joko konsentroituun happeen tai ympäröivään ilmaan.

IZEAn tavoitteena on selvittää, miten nestevetyä voidaan käyttää polttoaineena sekä lisätä tehokkuutta ja tehoa ilman painon kasvua.

valitsi FAMU-FSU College of Engineering -koulun auttamaan kestävän lentojärjestelmän kehittämisessä loppuvuodesta 2022 osana viiden vuoden, 10 miljoonan dollarin projektia.

Kansallisen energiajärjestelmien ja kaupallisten lentokoneiden propulsio-ohjelman toteuttamiseksi lentoliikenteen haitallisten päästöjen vähentämiseksi FAMU-FSU -tiimi tekee yhteistyötä Kentucky Universityn, University at Buffalon, Georgia Techin ja teollisuuden kumppaneiden kanssa, kuten IZEA ilmoitti kaksi ja puoli vuotta sitten.

Nyt yhteistyö on ratkaissut kokonaisvaltaisen järjestelmän puutteen rakentamalla skaalautuvan ja kattavan vetyperustaisen propulsiojärjestelmän tuleville lentokoneille.

Hanke alkaa lyhyen matkan alueellisilla lennoilla arvioidakseen nestevetyllä toimivan lentoliikenteen lyhyen aikavälin toteutettavuutta. Tässä keskitytään prototyyppilentokoneeseen, jonka siipirakenne on yhdistetty, ja joka voi kuljettaa 100 matkustajaa.

Hybridisähköinen lentokone saa energiaa sekä vedyn polttokennoista että korkean lämpötilan suprasuojageneraattoreista (HTS), joita ohjaavat vetyä polttavat turbiinit.

Polttokennot tarjoavat ratkaisun NOx-päästöjen ja kontraalien välttämiseen, minkä vuoksi organisaatiot kuten Airbus ja CHEETA tutkivat myös polttokennoilla toimivia lentokoneita. Nykyisten polttokennostackien ongelma on kuitenkin niiden valtava koko, mikä vaikeuttaa suuren lentokoneen virransyöttöä sen eri vaiheissa, erityisesti nousussa. Ratkaisuna tiimi esitteli kaksinkertaisen virtalähteen.

Polttokennoja käytetään kevyissä kuormitusolosuhteissa, kuten rullaus- ja lentoradalla, maksimitasolla noin 6,8 MW. Samaan aikaan vetyturbiinilla toimivat suprasuojageneraattorit tarjoavat lisätehoa (9,4 MW) nousun aikana. Tämä yhdistelmä nostaa kokonaistehon huippuarvoksi 16,2 MW ja parantaa resilienssiä tarjoamalla varavoimaa.

Tiheyshaasteen ratkaisemiseksi, sillä vety on vähemmän tiheä ja vie paljon tilaa, ellei sitä varastoida -253 °C superkylmänä nestemäisenä, tutkijat suunnittelivat kriogeenisiä säiliöitä ja niihin liittyviä alajärjestelmiä käyttäen uutta gravimetristä indeksiä.

Indeksi on polttoaineen massan suhde koko polttoainejärjestelmään, mutta tiimin indeksi sisältää vedyn polttoaineen, säiliörakenteen, lämmönvaihtimet, eristyksen, työkappaleet ja kiertolaitteet.

Jotta löydettäisiin konfiguraatio, joka antaa suurimman polttoainemassan suhteessa kokonaisjärjestelmän massaan, tutkijat jatkoivat keskeisten parametrien, kuten venttiilipaineen ja lämmönvaihtimen mittojen, säätämistä, kunnes löysivät optimaalisen ratkaisun.

Ihanteellinen asettelu saavutti gravimetrisen indeksin 0,62. Tämä tarkoittaa, että 62 % järjestelmän kokonaispainosta on hyödynnettävissä oleva vetypolttoaine, mikä on merkittävä parannus perinteisiin rakenteisiin verrattuna.

Lämpöhallinnan, järjestelmän toisen keskeisen toiminnon, osalta tutkijat eivät asentaneet erillistä jäähdytysjärjestelmää, vaan ohjasivat erittäin kylmää vetyä lämmönvaihtimien kautta. Nämä vaihdinlaitteet, jotka on järjestetty vaiheittaisessa sekvenssissä, poistavat hukkatun lämmön komponenteista kuten kaapeleista, moottoreista, suprasuojageneraattoreista ja virtapiireistä. Lämmön absorboiminen nostaa vedyn lämpötilaa vähitellen.

Vetytoimituksen ja lämpöhallinnan optimointi lennolla

Kun tarkastellaan nestevetyä koko lentokoneessa, se aiheuttaa omat haasteensa. Esimerkiksi pumpit lisäävät paitsi ylimääräistä painoa myös järjestelmän monimutkaisuutta ja voivat aiheuttaa ei-toivottua lämpöä kriogeenisissa olosuhteissa.

Näiden haasteiden voittamiseksi tiimi kehitti pumppua välttävän järjestelmän, joka hyödyntää säiliön painetta vedyn polttoainevirran ohjaamiseen.

Painetta nostetaan injektoimalla vetykaasua tavallisesta korkean paineen sylinteristä ja lasketaan vapauttamalla vetyhöyryä. Reaaliaikaisessa paineen säätämisessä palautesilmukka yhdistää paineanturit lentokoneen energiavaatimuksiin, mikä varmistaa tarkkaan vetyvirran kaikissa lentovaiheissa.

Simulaatioiden mukaan järjestelmä pystyy toimittamaan vetyä jopa 0,25 kilogrammaa sekunnissa. Tämä toimitusnopeus riittää kattamaan 16,2 megawatin sähkövaatimuksen nousun aikana tai hätätilanteessa, jossa lentokoneen on kierrettävä.

Lämmönvaihtimet on järjestetty peräkkäin; kun vety kulkee järjestelmässä, kaasu ensin jäähdyttää komponentteja, jotka toimivat kriogeenisissa lämpötiloissa, kuten kaapeleita ja HTS-generaattoreita. Sitten se absorboi lämpöä korkeampilämpötilaisista komponenteista, kuten moottoreista ja virtapiireistä. Lopuksi, ennen kuin vety saavuttaa polttokennot, se esilämmitetään vastaamaan polttokennojen sisääntulon optimaalisia olosuhteita.

Tämä vaiheittainen lämpöintegraatio mahdollistaa nestevetyä käytettävän sekä polttoaineena että jäähdytysaineena, maksimoiden järjestelmän tehokkuuden ja minimoiden laitteiston monimutkaisuuden.

“Aikaisemmin ihmiset eivät olleet varmoja, miten nestevetyä voitaisiin siirtää tehokkaasti lentokoneessa ja voidaanko sitä käyttää myös virtajärjestelmän komponenttien jäähdyttämiseen. Emme ainoastaan osoittaneet, että se on toteuttamiskelpoinen, vaan myös havainnollistimme, että tällaisen suunnittelun on toteutettava järjestelmätason optimoinnin avulla.”

– Guo

Tutkimuksen keskiössä oli suunnittelun optimointi ja järjestelmämallinnus. Seuraavassa vaiheessa tutkijat toteuttavat kokeellisen validoinnin. Tätä varten tiimi rakentaa prototyyppijärjestelmän ja suorittaa testejä FSU:n Center for Advanced Power Systems -keskuksessa.

Tulevassa työssään tutkijat keskittyvät myös lämmönvaihtimien suunnitteluun, jotka ovat läsnä jokaisessa kiertokulussa ja siirtävät lämpöä komponenteista työkappaleeseen. Nykyinen tutkimus puuttuu yksityiskohtaisista materiaali-, koko- ja lämpöominaisuuksista näille komponenteille.

Innovatiiviset lämpöhallintastrategiat keskittyvät myös polttokennostackien jäähdyttämiseen ja merkittävän lämmöntuoton hallintaan toiminnan aikana. Tutkimuksen mukaan nämä edistysaskeleet ovat ratkaisevia koko lämpöhallinta-arkkitehtuurin hiomisessa ja nollapäästöisten lentoteknologioiden käytännön toteuttamisen varmistamisessa.

Sijoittaminen vetyllä toimiviin lentoteknologioihin

Kun tarkastellaan sijoittamista lentosektoriin, RTX tarjoaa korkean potentiaalin mahdollisuuden. Maailman suurin ilmailu- ja puolustusteollisuuden yritys on keskeinen teollisuuskumppani IZEA-yhteistyössä. Sillä on myös laajoja T&K-ohjelmia, jotka kohdistuvat kestävän lentoliikenteen teknologioihin, mukaan lukien polttokennot ja vetyllä toimivat järjestelmät.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX toimii kolmessa pääsegmentissä:

• Collins Aerospace tarjoaa teknologisesti kehittyneitä ilmailu- ja puolustustuotteita kaupallisille lentoyhtiöille, siviili- ja sotilaslentokoneteollisuudelle sekä avaruustoiminnalle.
• Pratt & Whitney -segmentti toimittaa lentokoneen moottoreita sotilas-, yleis- ja kaupallisille asiakkaille.
• Raytheon kehittää ohjuksia, älyaseita ja kehittyneitä ilma- ja ohjuspuolustuskykyjä.

Collins Aerospace- ja Pratt & Whitney -osastojen kautta RTX on aktiivisesti mukana vetyllä toimivien lentokoneiden ja niihin liittyvien teknologioiden kehittämisessä ja testauksessa.

Tähän sisältyy HySIITE-ohjelma, jonka tavoitteena on mahdollistaa lentoliikenteen vetykäyttö mittakaavassa. DOE:n Advanced Research Projects Agency-Energy rahoittama projekti on optimoitu nestevetyyn ja se päättyi joulukuussa 2024. HySIITE-laitteiston testit osoittivat 99,3 % NOx-päästöjen vähenemisen verrattuna GTF-moottoriin ja jopa 35 % energiatehokkuuden parannuksen.

Sen kaksi muuta projektia ovat edelleen käynnissä edistämään vedyn tulevaisuutta lentoliikenteessä. Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), jonka tukee Kanadan yhteinen teollisuus‑hallintohanke INSAT, kehittää vedyn käyttöä turboprop-lentokoneissa. COCOLIH2T puolestaan saa tukea EU:n Clean Hydrogen Joint Undertaking -ohjelmalta ja kehittää tapaa varastoida polttoainetta.

Kun tarkastellaan Raytheonin markkinasuorituskykyä, sen osakkeet ovat lentäneet korkealle. Yhtiön osakkeilla, joiden markkina-arvo on 183,64 miljardia dollaria kirjoitushetkellä, on kaupankäynti yli 137,50 dollaria, mikä on uusi kaikkien aikojen huippu (ATH) ja edustaa vuoden alusta (YTD) 18,7 %:n nousua.

RTX:n osakkeilla on ollut jatkuvaa kasvua viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana. Osakkeet ovat myös nousseet noin 21 % huhtikuun alimmista tasoista. Tämän myötä sen EPS (TTM) on 3,41 ja P/E (TTM) on 40,31. Raytheon tarjoaa myös houkuttelevan osinkotuoton, 1,98 %.

Yrityksen taloustietojen osalta se raportoi vahvasta tuloksesta vuoden 2025 ensimmäisellä neljänneksellä, jolloin myynti kasvoi 5 % edellisvuodesta 20,3 miljardiin dollariin ja säädetty EPS oli 1,47 dollaria. Raytheonin operatiivinen kassavirta tänä aikana oli 1,3 miljardia dollaria ja vapaa kassavirta 0,8 miljardia dollaria, kun backlog on 217 miljardia dollaria, sisältäen 92 miljardia puolustusta ja 125 miljardia kaupallista.

“Aloitamme vuoden 2025 vahvalla alulla. Nykyinen ympäristö on selvästi erittäin dynaaminen, mutta yrityksemme on hyvin asemoitunut operatiivisesti ja tiimimme pysyvät keskittyneinä sitoumiemme toteuttamiseen ja vahvan backlogin toimittamiseen.”

– RTX:n presidentti ja toimitusjohtaja Chris Calio

Koko vuodelle 2025 yhtiö ennustaa säädetyn myynnin olevan 83–84 miljardia dollaria, säädetyn EPS:n olevan 6,00–6,15 dollaria ja vapaan kassavirran 7–7,5 miljardia dollaria, huomauttaen, että nämä arviot eivät sisällä äskettäin toteutettujen tullien vaikutusta.

Kaiken tämän keskellä yhtiö sai juuri tällä viikolla 536 miljoonan dollarin sopimuksen Yhdysvaltain laivastolta SPY-6 -radarfamilian toimittamisesta, jotka on nyt asennettu kahteen heidän aluksiinsa, ja kolme muuta ovat valmiina asennettaviksi. Seuraavan vuosikymmenen aikana radareita asennetaan yli 60 Yhdysvaltain laivaston alukseen.

Sopimuksen osana Raytheon tarjoaa jatkuvaa tukea koulutuksen, asennuksen, integraation ja testauksen kautta, sekä ohjelmistopäivityksiä radarin kyvykkyyden parantamiseksi.

“SPY-6 on kehittynein radar Yhdysvaltain laivastossa, tarjoten aluksille uuden tason puolustusta kehittyviä uhkia vastaan.”

– Barbara Borgonovi, Raytheonin Naval Power -toiminnon presidentti.

13. AN/TPY-2 -ohjuspuolustusradari on myös toimitettu Yhdysvaltain Missile Defense Agencylle, merkiten ensimmäistä yksikköä, jossa on täysin GaN-pohjainen array, mikä parantaa merkittävästi järjestelmän herkkyyttä ja suorituskykyä.

Yhtiö on myös saanut 1,1 miljardia dollaria arvostavan sopimuksen AIM-9X Sidewinder -ohjusten valmistuksesta ja toimituksesta. Tämän myönnytyksen myötä Raytheon jatkaa pitkäaikaista tukeaan Sidewinder-ohjelmalle, joka on maailmanlaajuisesti laajasti käytetty lyhyen kantaman ohjusjärjestelmä.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista ilmailu- ja puolustusteknologiayrityksistä.

Uusimmat RTX Corp. (RTX) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Lopulliset ajatukset: Vedyn rooli kestävässä lentoliikenteessä

Lentosektori kasvaa nopeasti ja edistää maailmanlaajuista taloudellista ja sosiaalista kehitystä, mutta samalla se luo kiireellisen tarpeen puuttua hiili- ja kontraalipäästöjen ongelmaan. Tässä vety, jonka erityinen kemiallinen energia on korkea, on noussut lupaavaksi puhtaan polttoaineen vaihtoehdoksi.

Tämän mielessä viimeisin tutkimus esittelee kattavan kehyksen nestevetyvaraston, lämpöhallinnan ja siirto-ohjausjärjestelmän suunnittelemiseksi ja optimoimiseksi, osoittaen sen potentiaalin edistää tehokkaita ja kestäviä lentoteknologioita.

Hyödyntämällä vedyn myönteistä vaikutusta ilmastonmuutokseen ja ilmanlaatuun, lentoliikenne on nyt saanut toimivan polun hiilijalanjälkensä vähentämiseen, raivaten tietä tulevaisuuteen, jossa pitkän matkan matkustaminen ei enää rasita planeettaa.

Klikkaa tästä saadaksesi viimeisimmät ilmailuinnovaatiot, jotka raivaavat tietä seuraavan sukupolven lentoon.

Viitteet:

^{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). Nestevetyvarasto, lämpöhallinta ja siirto-ohjausjärjestelmä integroidulle nollapäästöiselle lentoliikenteelle (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}