Skalbart vätessystem möjliggör utsläppsfria flygningar

Mobilitet är en avgörande del av vårt dagliga liv, och flyg är en nyckelkomponent i förmågan att resa från en plats till en annan i hög hastighet.

Genom att möjliggöra att människor och varor kan resa mil på några timmar, kopplar flygindustrin samman människor som ingen annan transportform kan. Detta gör den till en betydande bidragsgivare till den globala ekonomin och står för 3,5 % av världens bruttonationalprodukt (BNP). 

Branschen stödjer också totalt 86,5 miljoner jobb globalt, med en uppskattad marknadsstorlek för den globala flygbolagsindustrin som överstiger 760 miljarder dollar.

Noterbart förväntas flygbolag världen över ha transporterat ungefär 9,5 miljarder passagerare år 2024, vilket motsvarar en ökning med 104 % från 2019-nivåerna och en ökning med 9 % från 2023, enligt ACI World. Denna tillväxt förväntas accelerera ytterligare, med global passagerartrafik som beräknas nå 19,5 miljarder år 2042.

Flygindustrin expanderar tydligt och dess framtid är verkligen ljus. Det sagt bidrar den också avsevärt till växthusgasutsläpp (GHG).

Även om flyg står för en relativt liten andel av de globala utsläppen på 2,5 % växte den snabbare än järnväg, väg eller sjöfart mellan 2000 och 2019. Den ökade efterfrågan på internationella resor efter Covid‑19-pandemin ledde faktiskt till att flygets utsläpp nådde nästan 950 Mt CO₂.

Inte bara växer flygets utsläpp i snabb takt, utan de är också en av de mest utmanande sektorerna att avkolonisera, vilket innebär en kritisk miljöutmaning.

Som ett resultat är branschens fokus för närvarande på att avkolonisera sina verksamheter och uppnå Net Zero-målet, vilket innebär att minska CO₂-utsläppen till en nivå som naturen kan absorbera till år 2050.

Låsa upp vätets löfte för utsläppsfria flygningar

Eftersom flyg bidrar med en betydande del av globala koldioxid- och kondensationsstrimmutsläpp blir det extremt viktigt att utveckla avancerade och omfattande lösningar för att uppfylla branschens klimatmål. 

En lovande lösning är väte, det lättaste och mest förekommande kemiska elementet i universum som utgör cirka 75 % av all vanlig materia.

Detta kemiska element har framträtt som ett populärt och värdefullt verktyg för avkolning tack vare sin rena förbränning. Det är ett renförbränningsbränsle eftersom det endast producerar vattenånga som biprodukt vid förbränning.

Dessutom är den gravimetriska energitätheten, eller den tillgängliga energin per massenhet av ett ämne, för väte ungefär 2,8 gånger högre än för konventionellt flygbränsle, kerosin. Väte har faktiskt den högsta gravimetriska energitätheten av alla kända ämnen, dvs. ~120 kJ/g. I kontrast har kerosinbaserat jetbränsle en energitäthet på 43 MJ/kg.

Dock har väte en låg densitet under normala förhållanden, dvs. 0,08 kg/m³. Detta innebär stora lagringsutmaningar, särskilt för långdistansflyg.

Ett praktiskt alternativ är att lagra den färglösa, luktfria och smaklösa gasen i flytande form vid 20 K. Denna form ökar vätets densitet till 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, vilket har framkommit som en lösning för flygapplikationer.

Företag har också undersökt olika aspekter av integration av flytande väte (LH2) i flygplan, inklusive termisk hantering, tryckkontrollmekanismer, isoleringsstrategier och design av kryogena tankar.

Dock är ett holistiskt system som integrerar LH2-lagring, termisk hantering och överföringskontroll i en form som är skalbar till flygplansdesign fortfarande underutforskat.

Så har ett forskarteam från FAMU-FSU College of Engineering, som är ett gemensamt ingenjörskollegium för Florida A&M University och Florida State University, designat ett lagrings- och leveranssystem för flytande väte som kan hjälpa flygindustrin att realisera sitt nollutsläppsmål.

Med stöd från NASA beskrev studien ett skalbart, integrerat system som adresserar flera ingenjörsutmaningar genom att möjliggöra användning av väte som ett rent bränsle. Det används också som ett inbyggt kylmedium för kritiska kraftsystem ombord på eldrivna flygplan.

Teamet visade att flytande väte kan lagras effektivt, överföras säkert och användas för att kyla kritiska ombordssystem samtidigt som det stödjer flygplanets kraftbehov under start, kryssning och landning.

“Vårt mål var att skapa ett enda system som hanterar flera kritiska uppgifter: bränslelagring, kylning och leveranskontroll. Denna design lägger grunden för verkliga vätetflygsystem.”

Vätehybrid‑elektriskt flygplan: Skalbar framdrivningslösning

Publicerad i Applied Energy¹ tar studien sig an uppgiften att minska flygindustrins koldioxid- och kondensationsstrimmutsläpp, som är viktiga bidragsgivare till klimatförändringarna, genom att föreslå en innovativ design för ett system för lagring av flytande väte, termisk hantering och kontroll av dess överföring, anpassat för Integrated Zero Emission Aviation (IZEA). 

IZEA är ett samarbete mellan akademi och industri som syftar till att uppnå noll växthusgasutsläpp från kommersiell luftfart. Industripartners inkluderar Raytheon Technologies, Boeing och Advanced Magnet Laboratories.

I synnerhet undersöker detta samarbete hybridkraftproduktion genom en kombination av bränsleceller och turboelektriska generatorer, med användning av väte tillsammans med antingen koncentrerad syre eller omgivande luft.

Målet med IZEA är att ta reda på hur man kan använda flytande väte som bränsle samt öka effektivitet och kraft utan att öka vikten.

De valde FAMU-FSU College of Engineering för att hjälpa till att utveckla det hållbara flygsystemet i slutet av 2022, som en del av ett femårigt projekt på 10 miljoner dollar.

För att uppfylla den nationella agendan för energisystem och kommersiell flygplansframdrift för att minska flygindustrins skadliga utsläpp kommer FAMU-FSU‑teamet att samarbeta med forskare från University of Kentucky, University at Buffalo, Georgia Tech och industripartners, som annonserades av IZEA för två och ett halvt år sedan.

Nu har samarbetet åtgärdat bristen på ett holistiskt system genom att bygga ett skalbart och omfattande vätebaserat framdrivningssystem för framtida flygplan.

Projektet inleds med kortdistansregionala flyg för att bedöma den kortsiktiga genomförbarheten av flyg som drivs av flytande väte. Fokus ligger på ett prototypflygplan med en blended wing body‑konfiguration, som kan transportera 100 passagerare.

Det hybrid‑elektriska flygplanet får kraft från både vätebränsleceller och högtemperatur‑supraledande (HTS) elektriska generatorer, som drivs av förbränningsturbiner som bränns med väte.

Bränsleceller erbjuder en lösning för att undvika NOx‑utsläpp och kondensationsstrimmor, vilket är anledningen till att organisationer som Airbus och CHEETA också undersöker flygplan som drivs av bränsleceller. Problemet med de nuvarande staplarna av bränsleceller är dock att de är extremt skrymmande, vilket gör det svårt att driva ett stort flygplan under dess olika faser, särskilt under start. Som en lösning på detta problem introducerade teamet en dubbel kraftkälla.

Bränsleceller används under lågbelastningsförhållanden, såsom taxning och kryssning, med en maximal effekt på cirka 6,8 MW. Samtidigt levererar väte‑turbindrivna supraledande generatorer den extra kraften (9,4 MW) som behövs under start. Denna kombination ger en total toppkraft på 16,2 MW och förbättrar motståndskraften genom att erbjuda kraftredundans.

För att hantera densitetsutmaningen, där väte är mindre tätt och därmed tar upp mycket utrymme om det inte lagras vid -253 °C som en superkall vätska, designade forskarna kryogena tankar och deras tillhörande delsystem med hjälp av ett nytt gravimetriskt index.

Indexet är förhållandet mellan bränslemasse och hela bränslesystemet, men teamets index inkluderar massan av vätebränslet, tankstrukturen, värmeväxlare, isolering, arbetsvätskor och cirkulationsenheter.

För att hitta den konfiguration som ger maximal bränslemasse i förhållande till total systemmassa fortsatte forskarna att justera nyckelparametrar som ventileringstryck och dimensioner på värmeväxlare tills de nådde den optimala.

Den ideala layouten uppnådde ett gravimetriskt index på 0,62. Detta innebär att 62 % av systemets totala vikt är användbart vätebränsle, vilket representerar en betydande förbättring jämfört med konventionella konstruktioner.

För termisk hantering, den andra nyckelfunktionen i systemet, installerade forskarna inte ett separat kylsystem utan ledde det extremt kalla vätet via värmeväxlare. Dessa växlare, arrangerade i en stegvis sekvens, avlägsnar spillvärme från komponenter som kablar, motorer, supraledande generatorer och kraftelektronik. Genom att absorbera denna värme ökas vätets temperatur gradvis.

Optimera leverans av väte och termisk hantering under flygning

När det gäller att leverera flytande väte genom hela flygplanet innebär det egna utmaningar. Till exempel medför pumpar inte bara extra vikt utan också komplexitet i systemet och kan generera oönskad värme under kryogena förhållanden. 

För att övervinna dessa utmaningar utvecklade teamet ett pumpfritt system som utnyttjar tanktrycket för att kontrollera flödet av vätebränsle. 

Trycket ökas genom att injicera vätgas från en vanlig högtryckscylinder och minskas genom att ventileras vätgasånga. För realtidsjustering av trycket kopplar en återkopplingsslinga trycksensorer till flygplanets kraftbehov, vilket säkerställer en exakt väteflödeshastighet under alla flygfasar. 

Systemet, enligt simuleringarna, kan leverera väte med hastigheter upp till 0,25 kilogram per sekund. Denna leveranshastighet är tillräcklig för att möta det 16,2‑megawatt elektriska behovet under start eller i händelse av en nödsituation där flygplanet måste gå om.

Med värmeväxlare organiserade i sekventiell ordning, när väte rör sig genom systemet, kyls gasen först komponenter som arbetar vid kryogena temperaturer, som kablar och HTS‑generatorer. Därefter absorberar den värme från komponenter med högre temperatur, såsom motorer och kraftelektronik. Slutligen, innan väte når bränslecellerna, förvärms det för att matcha de optimala förhållandena vid bränslecellens inlopp.

Det är denna stegvisa termiska integration som möjliggör att flytande väte kan användas både som bränsle och kylmedel, vilket maximerar systemets effektivitet samtidigt som hårdvarans komplexitet minimeras.

“Tidigare var man osäker på hur man effektivt kunde transportera flytande väte i ett flygplan och om man också kunde använda det för att kyla ner kraftsystemkomponenterna. Vi visade inte bara att det är genomförbart, utan vi demonstrerade också att en systemnivåoptimering krävs för denna typ av design.”

– Guo

Studien fokuserade här på designoptimering och system simulering. I nästa steg kommer forskarna att genomföra experimentell validering. För detta kommer teamet att bygga ett prototypsystem och sedan utföra tester vid FSU:s Center for Advanced Power Systems.

I sitt framtida arbete kommer forskarna också att fokusera på designen av värmeväxlare, som finns i varje cirkulationsslinga och överför värme från komponenterna till arbetsvätskan. Den nuvarande studien saknar detaljerade specifikationer för material, storlek och termiska egenskaper för dessa komponenter.

Innovativa strategier för termisk hantering kommer också att vara i fokus för att kyla bränslecellstackarna och hantera den betydande värmeutvecklingen under drift. Dessa framsteg, påpekar studien, är avgörande för att förfina den övergripande arkitekturen för termisk hantering och säkerställa den praktiska implementeringen av nollutsläpps‑flygteknologier.

Investera i vätedrivna flygteknologier

När det gäller investeringar i flygsektorn erbjuder RTX en högpotentialmöjlighet. Världens största flyg- och försvarsföretag är en kärnpartner i IZEA‑samarbetet. Det har också omfattande FoU‑program som riktar sig mot hållbara flygteknologier, inklusive bränslecell- och vätedrivna system.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX verkar genom tre huvudsegment:

• Collins Aerospace levererar teknologiskt avancerade flyg- och försvarsprodukter till kommersiella flygbolag, civila och militära flygplanstillverkare samt rymdoperationer.
• Pratt & Whitney-segmentet levererar flygplansmotorer till militära, allmänna och kommersiella kunder.
• Raytheon utvecklar missiler, smarta vapen och avancerade luft- och missilförsvarsförmågor.

Genom Collins Aerospace- och Pratt & Whitney-divisionerna är RTX aktivt involverat i utveckling och testning av vätedrivna flygplan och relaterade teknologier.

Detta inkluderar HySIITE-programmet, som arbetar med att möjliggöra för flygindustrin att använda väte i stor skala. Sponsrat av DOE:s Advanced Research Projects Agency‑Energy, är projektet optimerat för flytande väte och avslutas i december 2024. HySIITE‑testerna visade en 99,3 % minskning av NOx jämfört med en GTF‑motor och upp till 35 % förbättring av energieffektiviteten.

Dess två andra projekt pågår samtidigt för att driva framtiden för väte i flyg. Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), som stöds av Kanadas gemensamma industri‑ och regeringsinitiativ INSAT, arbetar med att främja användningen av väte för turbopropflygplan. COCOLIH2T, å andra sidan, stöds av EU:s Clean Hydrogen Joint Undertaking och utvecklar ett sätt att lagra bränsle.

När det gäller Raytheons marknadsresultat har dess aktier flugit högt. Företagets aktier, med ett marknadsvärde på 183,64 miljarder dollar vid skrivandet, har handlats över 137,50 $, ett nytt rekord (ATH) och representerar år‑till‑datum (YTD) vinster på 18,7 %.

Det har varit en konstant tillväxt för RTX‑aktier under de senaste tre decennierna. Aktierna har också stigit med cirka 21 % sedan aprilens lägsta nivåer. Med detta är EPS (TTM) 3,41 och P/E (TTM) 40,31. Raytheon erbjuder också en attraktiv utdelningsavkastning på 1,98 %.

När det gäller företagets finanser rapporterade det starka resultat under första kvartalet 2025 med en försäljningsökning på 5 % från föregående år till 20,3 miljarder dollar och justerat EPS på 1,47 $. Raytheons operativa kassaflöde under denna period var 1,3 miljarder dollar, och fritt kassaflöde var 0,8 miljarder dollar, medan orderstocken är 217 miljarder dollar, inklusive 92 miljarder dollar inom försvar och 125 miljarder dollar inom kommersiellt.

“Vi har gjort en stark start på 2025. Den nuvarande miljön är tydligt mycket dynamisk, men vårt företag är väl positionerat för att prestera operativt och våra team är fortsatt fokuserade på att genomföra våra åtaganden och leverera vår robusta orderstock.”

– RTX:s president och VD Chris Calio

För hela 2025 förutspår företaget justerade försäljningar mellan 83‑84 miljarder dollar, justerat EPS mellan 6,00 och 6,15 $, och fritt kassaflöde på 7‑7,5 miljarder dollar, samtidigt som de noterar att dessa uppskattningar inte täcker effekterna av de nyligen införda tullarna.

Mitt i allt detta tilldelades företaget ett kontrakt på 536 miljoner dollar från den amerikanska marinen bara denna vecka för SPY‑6‑radarfamiljen, som nu är installerade på två av deras fartyg, med tre ytterligare redo för installation. Under det kommande decenniet kommer radars att distribueras på mer än 60 amerikanska marinens fartyg.

Som en del av kontraktet kommer Raytheon att erbjuda fortsatt stöd genom utbildning, installation, integration och testning, samt mjukvaruuppgraderingar för att förbättra radarfunktionerna.

“SPY‑6 är den mest avancerade radarn i den amerikanska flottan och ger fartygen en ny nivå av försvar mot utvecklande hot.”

– Barbara Borgonovi, president för Naval Power på Raytheon.

Den 13:e AN/TPY‑2-missilförsvarsradarn har också levererats till den amerikanska Missile Defense Agency, vilket markerar den första enheten med en helt GaN‑baserad array, vilket avsevärt förbättrar systemets känslighet och prestanda.

Ett kontrakt på 1,1 miljarder dollar har också säkrats av företaget för tillverkning och leverans av AIM‑9X Sidewinder-missiler. Med detta pris fortsätter Raytheon sitt långsiktiga stöd för Sidewinder‑programmet, ett globalt mycket använt kortdistansmissilsystem.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom rymd- och försvarssektorn.

Senaste RTX Corp. (RTX) aktienyheter och utveckling

Slutliga tankar: Vätets roll i hållbart flyg

Flygsektorn växer snabbt och bidrar till global ekonomisk och social utveckling, men samtidigt skapar den ett akut behov av att hantera problemet med koldioxid- och kondensationsstrimmutsläpp. Här har väte, med sin höga specifika kemiska energi, framträtt som ett lovande alternativt rent bränsle.

Med detta i åtanke presenterar den senaste studien en omfattande ram för design och optimering av ett lagringssystem för flytande väte, termisk hantering och överföringskontroll, vilket visar dess potential att driva effektiva och hållbara flygteknologier framåt.

Genom att utnyttja vätets positiva inverkan på klimatförändringar och luftkvalitet har flygindustrin nu en hållbar väg för att minska sitt koldioxidavtryck, vilket banar vägen för en framtid där långdistansresor inte längre sker på planetens bekostnad.

Klicka här för de senaste innovationerna inom rymdteknik som banar vägen för nästa generations flyg.

Studier som refereras:

^{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). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}