هواپیمای برقی

هواپیمای برقی نوعی هواگرد است که برای تأمین نیروی محرکه خود به جای سوخت های فسیلی متداول، از موتورهای الکتریکی بهره می برد. این فناوری نوین، با هدف کاهش چشمگیر آلاینده های زیست محیطی و وابستگی به سوخت های فسیلی، در حال دگرگون ساختن صنعت هوانوردی جهانی است و آینده حمل ونقل هوایی را به سوی پایداری و بهره وری بیشتر سوق می دهد.

تحولات اخیر در زمینه فناوری باتری و موتورهای الکتریکی، امکان پذیری توسعه هواپیماهای برقی را بیش از پیش نمایان ساخته است. این هواپیماها با پتانسیل کاهش آلودگی صوتی و هزینه های عملیاتی، گزینه ای جذاب برای مسیرهای کوتاه و متوسط به شمار می روند. گستره کاربرد این هواگردها از تاکسی های هوایی شهری و پروازهای منطقه ای تا هواپیماهای آموزشی و باری را دربرمی گیرد و شرکت های پیشرو در صنعت هوانوردی و خودروسازی، سرمایه گذاری های عظیمی را در این حوزه آغاز کرده اند. این مقاله به بررسی جامع ابعاد مختلف هواپیماهای برقی، از اصول کارکرد و تاریخچه تا مزایا، چالش ها و چشم انداز آینده آن ها می پردازد.

هواپیمای برقی چیست؟ (توضیح به زبان ساده)

هواپیمای برقی، هواگردی است که نیروی لازم برای پرواز خود را تماماً یا بخشی از آن را از طریق موتورهای الکتریکی تأمین می کند. برخلاف هواپیماهای سنتی که از موتورهای جت توربینی یا پیستونی با سوخت فسیلی (مانند سوخت جت یا بنزین هواپیما) استفاده می کنند، هواپیماهای برقی انرژی خود را از منابع الکتریکی مانند باتری ها، پیل های سوختی هیدروژنی یا ترکیب آن ها به دست می آورند. این تفاوت اساسی در منبع انرژی و نوع موتور، پیامدهای قابل توجهی در زمینه عملکرد، آلایندگی و هزینه های عملیاتی دارد.

اجزای کلیدی یک هواپیمای برقی شامل موتورهای الکتریکی، واحد کنترل قدرت (که جریان برق را مدیریت می کند) و سیستم ذخیره انرژی است. موتورهای الکتریکی به دلیل بازدهی بالا، گشتاور فوری و قابلیت کنترل دقیق، برای کاربردهای هوانوردی بسیار مناسب هستند. واحد کنترل قدرت اطمینان حاصل می کند که انرژی بهینه و ایمن به موتورها منتقل شود. سیستم ذخیره انرژی، قلب تپنده هواپیمای برقی است که معمولاً از باتری های پیشرفته (مانند لیتیوم-یون) یا پیل های سوختی هیدروژنی تشکیل شده است. هدف اصلی این تغییر رویکرد در طراحی هواپیما، دستیابی به پروازی پاک تر، ساکت تر و اقتصادی تر است که با اهداف توسعه پایدار و کاهش اثرات زیست محیطی همسو باشد.

هواپیماهای برقی چگونه کار می کنند؟ (مکانیسم و منابع انرژی)

عملکرد هواپیماهای برقی بر اساس تبدیل انرژی الکتریکی ذخیره شده به نیروی مکانیکی برای رانش است. این فرایند شامل چندین جزء و مرحله کلیدی است که در ادامه به تفصیل بررسی می شوند.

نحوه عملکرد موتورهای الکتریکی

موتورهای الکتریکی در هواپیماهای برقی، نیروی محرکه را با تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت چرخشی تولید می کنند. این موتورها، که معمولاً از نوع براشلس DC (BLDC) یا موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) هستند، در مقایسه با موتورهای درون سوز سنتی دارای مزایای قابل توجهی هستند. این مزایا شامل گشتاور بالا در دورهای پایین، بازدهی انرژی بالاتر (معمولاً بالای ۹۰ درصد)، قابلیت اطمینان بیشتر به دلیل قطعات متحرک کمتر و نیاز به نگهداری کمتر است. همچنین، موتورهای الکتریکی آلودگی صوتی و ارتعاش بسیار کمتری تولید می کنند که به بهبود تجربه پرواز و کاهش تأثیر بر محیط اطراف فرودگاه ها کمک می کند. طراحی این موتورها به گونه ای است که می توانند به صورت توزیع شده در بال ها یا سایر نقاط هواپیما قرار گیرند و انعطاف پذیری بیشتری در طراحی آیرودینامیکی هواگرد فراهم کنند.

منابع تامین انرژی پیشرفته

منابع تأمین انرژی، از مهم ترین جنبه های هواپیماهای برقی محسوب می شوند و فناوری های مختلفی در این زمینه در حال توسعه و آزمایش هستند:

باتری ها

باتری ها، به ویژه باتری های لیتیوم-یون (Li-ion)، رایج ترین منبع ذخیره انرژی در هواپیماهای برقی اولیه و کوتاه برد هستند. پیشرفت در چگالی انرژی (میزان انرژی ذخیره شده بر حسب وزن) و چرخه عمر باتری ها، امکان استفاده از آن ها را در هواگردها فراهم کرده است. با این حال، چالش های عمده ای نظیر وزن بالای باتری ها، نیاز به مدیریت حرارتی پیچیده برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، و زمان شارژ طولانی هنوز وجود دارد. باتری های حالت جامد (Solid-state batteries) به عنوان نسل آینده با چگالی انرژی بالاتر و ایمنی بیشتر مورد تحقیق قرار گرفته اند که پتانسیل افزایش برد پرواز و کاهش وزن را دارند.

سلول های سوختی هیدروژنی

سلول های سوختی هیدروژنی، گزینه ای امیدبخش برای هواپیماهای برقی با برد بیشتر و ظرفیت بالاتر هستند. این سلول ها با ترکیب هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می کنند و تنها محصول جانبی آن ها آب است، بنابراین آلایندگی صفر دارند. مزایای اصلی آن ها شامل چگالی انرژی بسیار بالاتر نسبت به باتری ها، امکان سوخت گیری سریع و عدم تولید آلاینده های موضعی است. چالش های اصلی شامل تولید، ذخیره سازی و توزیع هیدروژن سبز، وزن بالای مخازن هیدروژن تحت فشار یا مایع و نیاز به زیرساخت های جدید در فرودگاه ها است.

انرژی خورشیدی

پنل های خورشیدی می توانند به عنوان منبع مکمل انرژی در هواپیماهای برقی مورد استفاده قرار گیرند. این پنل ها می توانند انرژی خورشید را به برق تبدیل کرده و برای شارژ باتری ها یا تأمین انرژی سیستم های جانبی هواپیما (مانند سیستم های ناوبری و ارتباطی) به کار روند. اگرچه انرژی خورشیدی به تنهایی نمی تواند نیروی کافی برای رانش هواپیماهای بزرگ را تأمین کند، اما می تواند به افزایش برد پرواز و کاهش مصرف انرژی از باتری ها کمک شایانی نماید. نمونه هایی از هواپیماهای با نیروی خورشیدی، مانند Solar Impulse، توانایی پروازهای بلندمدت را به نمایش گذاشته اند.

سیستم های هیبریدی (ترکیبی)

سیستم های هیبریدی به منظور پر کردن شکاف میان هواپیماهای تمام الکتریکی و هواپیماهای سنتی، طراحی شده اند. این سیستم ها از ترکیبی از موتورهای الکتریکی و موتورهای درون سوز (معمولاً توربینی) استفاده می کنند. دو پیکربندی اصلی وجود دارد:

1. هیبرید موازی (Parallel Hybrid): در این مدل، هم موتور الکتریکی و هم موتور درون سوز به طور مستقیم به یک شفت متصل هستند و نیروی محرکه را همزمان یا جداگانه تأمین می کنند.
2. هیبرید سری (Series Hybrid): در این مدل، موتور درون سوز به جای رانش مستقیم، به یک ژنراتور متصل است که برق تولید می کند. این برق سپس موتورهای الکتریکی را تغذیه می کند.

مدل های هیبریدی مزایایی نظیر برد پرواز بیشتر نسبت به هواپیماهای تمام الکتریکی، کاهش آلایندگی و مصرف سوخت نسبت به هواپیماهای سنتی، و انعطاف پذیری بیشتر در عملیات را ارائه می دهند. این سیستم ها به عنوان یک مرحله گذار مهم در مسیر دستیابی به هوانوردی تمام الکتریکی در نظر گرفته می شوند.

تاریخچه و سیر تکامل هواپیماهای برقی: از رویا تا واقعیت

مفهوم پرواز با نیروی الکتریکی، ایده ای جدید نیست و ریشه های آن به قرن نوزدهم بازمی گردد. اولین تلاش های جدی در این زمینه با اختراع موتورهای الکتریکی عملی آغاز شد.

در سال ۱۸۸۳، گاستون تیساندیه مهندس فرانسوی، اولین پرواز کنترل شده با یک بالن هوایی را که توسط یک موتور الکتریکی کوچک و باتری تغذیه می شد، به انجام رساند. این رویداد، پتانسیل نیروی الکتریکی را در زمینه هوانوردی به نمایش گذاشت. با این حال، محدودیت های شدید در وزن و چگالی انرژی باتری ها، پیشرفت عملی در این زمینه را برای دهه ها متوقف ساخت.

در دهه ۱۹۷۰، با پیشرفت های اولیه در تکنولوژی باتری و موتورهای الکتریکی، علاقه به هواپیماهای برقی دوباره اوج گرفت. هواپیمای ML-1 ساخته شده توسط محققان دانشگاه پرینستون در سال ۱۹۷۳، یکی از اولین نمونه های موفق بود. در دهه ۱۹۸۰، هواپیماهایی با نیروی خورشیدی، مانند Gossamer Penguin (۱۹۸۰) و Solar Challenger (۱۹۸۱) ساخته شدند که نشان دهنده قابلیت پروازهای طولانی مدت با انرژی خورشیدی بودند.

قرن ۲۱، نقطه عطفی در شتاب گرفتن پروژه های تجاری و تحقیقاتی در زمینه هواپیماهای برقی بود. با افزایش آگاهی عمومی نسبت به تغییرات اقلیمی و پیشرفت های چشمگیر در فناوری باتری های لیتیوم-یون (که در تلفن های همراه و خودروهای برقی به کار رفتند)، توسعه هواپیماهای برقی وارد فاز جدیدی شد. شرکت هایی مانند Pipistrel در سال ۲۰۱۴ با هواپیمای Alpha Electro، گام های مهمی در تولید هواپیماهای برقی آموزشی برداشتند. در سال ۲۰۲۰، Pipistrel Velis Electro به عنوان اولین هواپیمای تمام الکتریکی در جهان، گواهینامه نوع (Type Certificate) را از آژانس ایمنی هوانوردی اروپا (EASA) دریافت کرد که نقطه عطف مهمی در تجاری سازی این فناوری بود.

امروزه، پروژه های متعددی برای هواپیماهای منطقه ای و تاکسی های هوایی برقی (eVTOL) در حال انجام است و انتظار می رود که در دهه جاری شاهد ورود گسترده تر این هواگردها به بازار باشیم.

انواع هواپیماهای برقی: تنوع در طراحی و کاربرد

هواپیماهای برقی را می توان بر اساس معیارهای مختلفی طبقه بندی کرد که نشان دهنده تنوع طراحی و کاربردهای آن هاست. این دسته بندی ها به درک بهتر پتانسیل ها و محدودیت های هر نوع کمک می کنند.

بر اساس منبع انرژی

• تمام الکتریکی (All-Electric): این هواپیماها تنها از موتورهای الکتریکی و باتری ها یا پیل های سوختی به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند. آن ها هیچ گونه انتشار گازی در نقطه عملیات ندارند و کمترین آلودگی صوتی را ایجاد می کنند. Pipistrel Velis Electro نمونه ای از این دسته است.
• هیبریدی-الکتریکی (Hybrid-Electric): این هواپیماها ترکیبی از موتورهای درون سوز و موتورهای الکتریکی را به کار می گیرند. موتور درون سوز می تواند باتری ها را شارژ کند (هیبرید سری) یا مستقیماً به رانش کمک کند (هیبرید موازی). این مدل ها به دلیل برد بیشتر و قابلیت اطمینان بالاتر در فاز گذار محبوب هستند. پروژه هایی مانند E-Fan X ایرباس در این دسته قرار می گیرند.
• هیدروژنی-الکتریکی (Hydrogen-Electric): این هواپیماها از پیل های سوختی هیدروژنی برای تولید برق جهت تغذیه موتورهای الکتریکی استفاده می کنند. این رویکرد پتانسیل دستیابی به پروازهای برد بلند و بدون آلایندگی را دارد، اما نیازمند زیرساخت های جدید هیدروژن در فرودگاه هاست. پروژه های ZEROe ایرباس و مدل های آزمایشی Universal Hydrogen در این زمینه فعال هستند.

بر اساس کاربرد و اندازه

• پهپادها و هواپیماهای کوچک آزمایشی: این دسته شامل پهپادهای برقی (Drones) برای کاربردهای مختلف از جمله نظارت، تحویل بسته، کشاورزی و سرگرمی است. همچنین، بسیاری از نمونه های اولیه و هواپیماهای آموزشی کوچک نیز در این دسته قرار می گیرند که برای آزمایش فناوری های جدید و آموزش خلبانان استفاده می شوند.
• تاکسی های هوایی برقی (eVTOL): این هواگردها (Electric Vertical Take-Off and Landing) قابلیت برخاست و فرود عمودی دارند و برای جابجایی هوایی شهری (Urban Air Mobility – UAM) طراحی شده اند. هدف آن ها کاهش ترافیک زمینی و ارائه حمل ونقل سریع و کارآمد در مناطق شهری است. شرکت هایی مانند Lilium، Joby Aviation و Archer Aviation در این زمینه پیشگام هستند.
• هواپیماهای منطقه ای (Regional Aircraft): این هواپیماها برای پروازهای کوتاه تا متوسط (حدود ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر) بین شهرهای نزدیک طراحی شده اند. آن ها معمولاً ظرفیت حمل ۱۰ تا ۵۰ مسافر را دارند و هدفشان ارائه پروازهای پایدار و مقرون به صرفه در مسیرهای منطقه ای است. Eviation Alice و Heart Aerospace ES-30 از نمونه های برجسته در این بخش هستند.
• تلاش ها برای هواپیماهای مسافربری بزرگ تر: اگرچه چالش های فنی برای ساخت هواپیماهای مسافربری بزرگ تمام الکتریکی بسیار زیاد است (به ویژه به دلیل وزن باتری ها و چگالی انرژی محدود)، اما شرکت هایی مانند ایرباس با پروژه ZEROe در حال بررسی امکان ساخت هواپیماهای بزرگ هیدروژنی-الکتریکی برای آینده هستند. این هواپیماها پتانسیل پروازهای برد بلندتر و حمل تعداد زیادی مسافر را خواهند داشت.

مزایا و فواید بی شمار هواپیماهای برقی

هواپیماهای برقی مزایای قابل توجهی را ارائه می دهند که آن ها را به یک راهکار جذاب برای آینده هوانوردی تبدیل می کند. این مزایا نه تنها به سود محیط زیست هستند، بلکه از جنبه های اقتصادی و عملیاتی نیز اهمیت دارند.

• کاهش چشمگیر آلایندگی: مهم ترین مزیت هواپیماهای برقی، کاهش یا حذف کامل انتشار گازهای گلخانه ای (مانند دی اکسید کربن) و آلاینده های موضعی (مانند اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق) است. این امر به کاهش ردپای کربن صنعت هوانوردی و بهبود کیفیت هوای اطراف فرودگاه ها و مناطق شهری کمک می کند.
• کاهش آلودگی صوتی: موتورهای الکتریکی به مراتب ساکت تر از موتورهای جت سنتی هستند. این ویژگی باعث می شود که پروازهای هواپیماهای برقی، به ویژه در مناطق شهری و نزدیک فرودگاه ها، مزاحمت صوتی کمتری برای ساکنان ایجاد کند. این امر به امکان استفاده از فرودگاه های کوچک تر و نزدیک تر به شهرها کمک می کند.
• هزینه های عملیاتی پایین تر: برق معمولاً ارزان تر از سوخت جت است. علاوه بر این، موتورهای الکتریکی دارای قطعات متحرک کمتری هستند که منجر به کاهش نیاز به نگهداری، بازرسی های مکرر و تعویض قطعات می شود. این عوامل به کاهش هزینه های عملیاتی در بلندمدت کمک شایانی می کنند.
• بازدهی انرژی بالاتر: موتورهای الکتریکی بازدهی تبدیل انرژی بسیار بالاتری نسبت به موتورهای درون سوز دارند (معمولاً بالای ۹۰٪ در مقایسه با حدود ۳۰-۴۰٪). این بدان معناست که درصد بیشتری از انرژی ذخیره شده (در باتری یا هیدروژن) به نیروی محرکه تبدیل می شود که منجر به مصرف انرژی کمتر و پروازهای کارآمدتر می گردد.
• انعطاف پذیری در طراحی: ابعاد کوچک تر و قابلیت توزیع موتورهای الکتریکی در نقاط مختلف بدنه هواپیما، انعطاف پذیری بیشتری در طراحی آیرودینامیکی و مهندسی هواگرد فراهم می کند. این امر می تواند به بهبود کارایی آیرودینامیکی و طراحی های نوآورانه منجر شود.
• امکان پرواز از فرودگاه های کوچک تر/نزدیک تر: به دلیل کاهش آلودگی صوتی و نیاز به باند کوتاه تر (در برخی مدل های eVTOL)، هواپیماهای برقی می توانند از فرودگاه های کوچک تر یا حتی سکوهای پرواز شهری استفاده کنند. این امر دسترسی به حمل ونقل هوایی را آسان تر کرده و می تواند به کاهش ترافیک و زمان سفر در مسیرهای کوتاه کمک کند.

معایب و چالش های پیش روی صنعت هواپیماهای برقی

علیرغم مزایای چشمگیر، صنعت هواپیماهای برقی با چالش های مهمی روبروست که غلبه بر آن ها برای تجاری سازی گسترده این فناوری ضروری است.

• برد محدود و چگالی انرژی باتری ها: مهم ترین چالش فنی، چگالی انرژی پایین باتری ها نسبت به سوخت های فسیلی است. سوخت جت می تواند انرژی بسیار بیشتری را در حجم و وزن کمتر ذخیره کند. این موضوع باعث می شود که هواپیماهای برقی فعلی، برد پروازی بسیار محدودی داشته باشند که آن ها را عمدتاً برای مسیرهای کوتاه مناسب می سازد.
• زمان شارژ طولانی: شارژ کردن باتری های بزرگ مورد نیاز برای هواپیماها، زمان بر است. این مسئله می تواند منجر به توقف های طولانی مدت در فرودگاه ها شود که برای عملیات تجاری با حجم بالا، یک مانع جدی است. توسعه فناوری های شارژ سریع و زیرساخت های مربوطه از اهمیت بالایی برخوردار است.
• وزن بالای باتری ها: باتری ها، به ویژه با چگالی انرژی فعلی، وزن قابل توجهی دارند. این وزن اضافی، مستقیماً بر ظرفیت حمل بار، تعداد مسافران و برد پرواز تأثیر می گذارد و کارایی کلی هواپیما را کاهش می دهد.
• هزینه اولیه بالا: تحقیق و توسعه، طراحی، و ساخت هواپیماهای برقی، به ویژه با فناوری های جدید باتری و موتورهای الکتریکی، نیازمند سرمایه گذاری اولیه بالایی است. این موضوع می تواند قیمت خرید این هواپیماها را در مراحل اولیه افزایش دهد.
• نیاز به زیرساخت های جدید: انتقال به هوانوردی برقی نیازمند توسعه زیرساخت های جدید در فرودگاه هاست، از جمله ایستگاه های شارژ با توان بالا، سیستم های مدیریت برق و شاید حتی شبکه های توزیع هیدروژن برای هواپیماهای پیل سوختی. این تغییرات نیازمند سرمایه گذاری های عظیم و برنامه ریزی دقیق هستند.
• مسائل ایمنی و مدیریت حرارتی: باتری ها، به ویژه در صورت آسیب دیدگی یا شارژ بیش از حد، می توانند مستعد گرم شدن و حتی آتش سوزی باشند. مدیریت حرارتی دقیق باتری ها و سیستم های الکتریکی برای اطمینان از ایمنی پرواز حیاتی است. این شامل طراحی سیستم های خنک کننده پیشرفته و پروتکل های ایمنی سختگیرانه است.
• مقررات و استانداردها: صنعت هوانوردی به دلیل ماهیت ایمنی محور خود، به شدت تحت نظارت است. برای هواپیماهای برقی، نیاز به تدوین قوانین، مقررات و گواهینامه های جدید برای تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان وجود دارد که فرآیندی زمان بر و پیچیده است.

کاربردهای کنونی و آتی هواپیماهای برقی در زندگی روزمره

هواپیماهای برقی پتانسیل ایجاد تحول در شیوه های حمل ونقل هوایی و گشودن افق های جدیدی برای کاربردهای متنوع در زندگی روزمره دارند. این کاربردها فراتر از جابجایی صرف مسافران و بار است.

• خدمات تاکسی هوایی و حمل ونقل اشتراکی درون شهری: یکی از امیدبخش ترین کاربردهای هواپیماهای برقی، به ویژه مدل های eVTOL، در حوزه جابجایی هوایی شهری (UAM) است. این تاکسی های هوایی می توانند مسافران را در مسافت های کوتاه درون شهرها یا بین حومه و مرکز شهر جابجا کنند. هدف کاهش زمان سفر و ترافیک زمینی، به ویژه در شهرهای بزرگ و پرجمعیت است. شرکت هایی مانند Joby Aviation و Lilium در حال توسعه شبکه هایی برای این منظور هستند.
• حمل ونقل بار و لجستیک در مسافت های کوتاه و متوسط: هواپیماهای برقی کوچک و پهپادهای باری می توانند برای تحویل سریع کالاها در مسافت های کوتاه، به ویژه به مناطق دورافتاده یا در شرایط اضطراری، مورد استفاده قرار گیرند. این امر می تواند زنجیره تأمین را بهینه سازی کرده و زمان تحویل را کاهش دهد.
• پروازهای منطقه ای و اتصال شهرهای کوچک به پایتخت: هواپیماهای برقی منطقه ای مانند Eviation Alice یا Heart Aerospace ES-30 برای اتصال شهرهای کوچک تر به مراکز بزرگتر یا پروازهای بین شهری در مسافت های کوتاه تا متوسط ایده آل هستند. این امر می تواند دسترسی به حمل ونقل هوایی را برای مناطق کمتر برخوردار افزایش دهد.
• کاربردهای نظامی، نظارتی و جستجو و نجات: پهپادهای برقی به دلیل قابلیت پرواز ساکت و طولانی، برای مأموریت های شناسایی، نظارتی، و جمع آوری اطلاعات در حوزه های نظامی و غیرنظامی کاربرد دارند. همچنین، در عملیات جستجو و نجات، به دلیل توانایی دسترسی به مناطق صعب العبور و پایداری پرواز، بسیار مفید خواهند بود.
• آموزش خلبانی و پروازهای تفریحی: هواپیماهای برقی کوچک و سبک مانند Pipistrel Velis Electro، به دلیل هزینه های عملیاتی پایین تر و آلودگی صوتی کمتر، برای آموزش خلبانی بسیار مناسب هستند. این امر می تواند دسترسی به آموزش پرواز را برای علاقه مندان مقرون به صرفه تر کند. پروازهای تفریحی و گشت وگذار با هواپیماهای برقی نیز به دلیل تجربه پروازی آرام و دلپذیر، جذابیت خاص خود را دارند.

نمونه های برجسته و شرکت های پیشرو در صنعت هواپیماهای برقی

صنعت هواپیماهای برقی شاهد سرمایه گذاری و نوآوری های چشمگیری از سوی شرکت های نوپا و غول های صنعتی است. در ادامه به برخی از برجسته ترین نمونه ها و شرکت های پیشرو اشاره می شود:

• Eviation Alice: این هواپیما، یکی از مشهورترین هواپیماهای تمام الکتریکی برای پروازهای منطقه ای است که توسط شرکت اسرائیلی-آمریکایی Eviation Aircraft توسعه یافته است. Alice ظرفیت حمل ۹ مسافر و ۲ خدمه را دارد و با باتری های ۴ تنی خود، بردی حدود ۸۰۰ کیلومتر (۵۰۰ مایل) را هدف قرار داده است. حداکثر سرعت کروز آن حدود ۴۶۰ کیلومتر بر ساعت (۲۸۷ مایل بر ساعت) است. اولین پرواز موفقیت آمیز Alice در سپتامبر ۲۰۲۲ انجام شد. این هواپیما برای ارائه سفرهای هوایی بدون آلایندگی و مقرون به صرفه در مسیرهای کوتاه تا متوسط طراحی شده است و شرکت هایی مانند Cape Air و UrbanLink Air Mobility سفارش خرید آن را ثبت کرده اند.
• Heart Aerospace ES-19/ES-30: شرکت سوئدی Heart Aerospace در حال توسعه هواپیمای منطقه ای تمام الکتریکی ES-19 بود که اخیراً به مدل ES-30 با ظرفیت ۳۰ مسافر و طراحی هیبریدی-الکتریکی تغییر یافته است. این هواپیما با هدف پروازهای مسافت کوتاه تا ۴۰۰ کیلومتر (۲۵۰ مایل) با باتری و ۸۰۰ کیلومتر (۵۰۰ مایل) با ژنراتور هیبریدی (برای مسیرهای طولانی تر)، توجه خطوط هوایی بزرگ مانند United Airlines و Mesa Air Group را به خود جلب کرده است.
• Pipistrel Velis Electro: این هواپیما که توسط شرکت اسلوونیایی Pipistrel ساخته شده است، اولین هواپیمای تمام الکتریکی در جهان است که در سال ۲۰۲۰ گواهینامه نوع را از آژانس ایمنی هوانوردی اروپا (EASA) دریافت کرد. Velis Electro یک هواپیمای آموزشی دو سرنشینه است که به دلیل هزینه های عملیاتی پایین و آلودگی صوتی بسیار کم، گزینه ای محبوب برای مدارس پرواز و خلبانان خصوصی محسوب می شود.
• Lilium Jet, Joby Aviation, Archer Aviation: این سه شرکت از پیشگامان در حوزه تاکسی های هوایی برقی (eVTOL) هستند.
  • Lilium Jet: با طراحی منحصر به فرد ۱۸ موتوره و قابلیت برخاست و فرود عمودی، بر ارائه خدمات جابجایی هوایی شهری و منطقه ای تمرکز دارد.
  • Joby Aviation: با تمرکز بر توسعه هواگردی شبیه به هلیکوپتر اما با نیروی الکتریکی، قصد دارد خدمات تاکسی هوایی را در ایالات متحده و سایر نقاط جهان ارائه دهد.
  • Archer Aviation: با هواگردی به نام Midnight، بر پروازهای کوتاه درون شهری تأکید دارد و با شرکت هایی مانند United Airlines همکاری می کند.
• پروژه های شرکت های بزرگ:
  • Airbus: با پروژه هایی مانند E-Fan X (یک هواپیمای هیبریدی-الکتریکی آزمایشی) و برنامه مفهومی ZEROe (که شامل توسعه هواپیماهای هیدروژنی-الکتریکی با آلایندگی صفر است)، در حال بررسی آینده هوانوردی پایدار است.
  • Boeing: از طریق سرمایه گذاری در شرکت هایی مانند Wisk Aero (تولیدکننده eVTOL خودران)، در حال کاوش در این فضا است.
  • Rolls-Royce: با پروژه ACCEL (Accelerating the Electrification of Flight)، رکوردهای سرعت برای هواپیماهای تمام الکتریکی را به ثبت رسانده و بر توسعه سیستم های پیشرانه الکتریکی تمرکز دارد.

آینده هواپیماهای برقی و چشم انداز هوانوردی پایدار

آینده هواپیماهای برقی سرشار از نوید و پتانسیل تحول آفرین است و صنعت هوانوردی را به سوی پایداری بیشتر سوق می دهد. تحلیلگران و فعالان این حوزه، پیش بینی های امیدوارکننده ای را برای رشد و توسعه این بازار ارائه کرده اند.

پیش بینی می شود که هواپیماهای منطقه ای و تاکسی های هوایی برقی (eVTOL) اولین مدل هایی باشند که در مقیاس وسیع وارد خدمت می شوند. بسیاری از شرکت ها هدف خود را برای عرضه تجاری eVTOL ها در اواسط دهه ۲۰۲۰ و هواپیماهای منطقه ای تمام الکتریکی در اواخر دهه ۲۰۲۰ یا اوایل دهه ۲۰۳۰ قرار داده اند. این امر به تدریج منجر به کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی در پروازهای کوتاه و متوسط خواهد شد.

تحولات تکنولوژیک

پیشرفت در فناوری باتری ها، عامل کلیدی در توسعه هواپیماهای برقی است. باتری های حالت جامد (Solid-State Batteries) با چگالی انرژی بالاتر، ایمنی بیشتر و زمان شارژ سریع تر، پتانسیل تحول در این صنعت را دارند. همچنین، ابرخازن ها و نسل های جدید پیل های سوختی با بازدهی بالاتر و وزن کمتر، می توانند به افزایش برد و ظرفیت هواپیماهای برقی کمک کنند. نوآوری در مواد سبک وزن و طراحی های آیرودینامیکی پیشرفته نیز به کاهش وزن ساختاری و بهبود کارایی کمک خواهد کرد.

توسعه سوخت های هیدروژنی سبز و زیرساخت های آن

برای پروازهای بلندمدت و هواپیماهای بزرگ تر، هیدروژن سبز (تولیدشده از منابع تجدیدپذیر) به عنوان سوخت آینده در نظر گرفته می شود. توسعه زیرساخت های تولید، ذخیره سازی و توزیع هیدروژن در فرودگاه ها، گام حیاتی در تحقق این چشم انداز است. این شامل ایجاد هاب های هیدروژنی در فرودگاه های بزرگ و توسعه سیستم های سوخت گیری سریع است.

تأثیر هواپیماهای برقی فراتر از صنعت هوانوردی خواهد بود. این فناوری می تواند صنعت گردشگری را با ارائه مقاصد جدید و دسترسی آسان تر به مناطق دورافتاده، متحول کند. از نظر اقتصادی، ایجاد مشاغل جدید در تحقیق و توسعه، تولید، نگهداری و عملیات، رشد اقتصادی را به همراه خواهد داشت. نقش دولت ها، سرمایه گذاری های عمومی و خصوصی، و همکاری های بین المللی در تسریع این روند بسیار حائز اهمیت است. این ها شامل تخصیص بودجه برای تحقیق و توسعه، تدوین مقررات و استانداردهای لازم و تشویق سرمایه گذاری در زیرساخت ها می شود.

صنعت هواپیمایی برقی تنها به دنبال جایگزینی سوخت های فسیلی نیست، بلکه در حال بازتعریف مفهوم حمل ونقل هوایی با پروازهای پاک تر، ساکت تر و قابل دسترس تر است.

باورهای اشتباه رایج درباره هواپیماهای برقی

همانند بسیاری از فناوری های نوظهور، هواپیماهای برقی نیز با باورهای اشتباه و تردیدهایی مواجه هستند که ریشه در عدم اطلاع رسانی کافی یا مقایسه های نادرست با فناوری های موجود دارند. در اینجا به بررسی و شفاف سازی برخی از این باورهای اشتباه می پردازیم:

• آیا هواپیماهای برقی امن نیستند؟

  واقعیت: هواپیماهای برقی مانند هر هواگرد دیگری، پیش از دریافت مجوز پرواز، تحت سخت ترین آزمایش ها و استانداردهای ایمنی قرار می گیرند. در واقع، سادگی مکانیکی بیشتر موتورهای الکتریکی نسبت به موتورهای جت (قطعات متحرک کمتر) می تواند حتی به افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی کمک کند. سیستم های باتری دارای مدیریت حرارتی پیشرفته و پروتکل های ایمنی برای جلوگیری از حوادث هستند و نظارت دقیق نهادهای هوانوردی تضمین کننده ایمنی آن هاست.

• آیا هواپیماهای برقی خیلی گران هستند؟

  واقعیت: هزینه اولیه تحقیق و توسعه و ساخت هواپیماهای برقی به دلیل نوظهور بودن فناوری و پیچیدگی های اولیه، می تواند بالا باشد. با این حال، در درازمدت، هزینه های عملیاتی و نگهداری آن ها به مراتب پایین تر است. برق ارزان تر از سوخت جت است و موتورهای الکتریکی نیاز به تعمیرات و نگهداری کمتری دارند. با مقیاس پذیری تولید و پیشرفت فناوری، انتظار می رود قیمت اولیه نیز کاهش یابد.

• عمر مفید باتری ها کم است و به سرعت نیاز به تعویض دارند؟

  واقعیت: فناوری باتری در حال پیشرفت چشمگیری است و باتری های طراحی شده برای کاربردهای هوانوردی، دارای طول عمر چرخه ای (Cycle Life) بسیار بالایی هستند که برای سال ها پرواز مداوم طراحی شده اند. علاوه بر این، پس از پایان عمر مفید در هواپیما، این باتری ها می توانند برای کاربردهای دیگر (مانند ذخیره سازی انرژی ثابت) بازیافت یا استفاده مجدد شوند که به کاهش اثرات زیست محیطی کمک می کند.

• برای تجارت عملی نیستند و تنها جنبه تحقیقاتی دارند؟

  واقعیت: در حال حاضر، مدل هایی از هواپیماهای برقی مانند Pipistrel Velis Electro در حال آموزش خلبانان هستند و شرکت هایی نظیر Eviation و Heart Aerospace با خطوط هوایی قراردادهای تجاری برای تحویل هواپیماهای منطقه ای منعقد کرده اند. همچنین، تاکسی های هوایی eVTOL در آستانه ورود به بازار تجاری برای جابجایی هوایی شهری هستند که نشان دهنده پتانسیل عملی و تجاری این فناوری در آینده نزدیک است.

ملاحظات زیست محیطی عمیق تر: نگاهی جامع به چرخه زندگی

در حالی که هواپیماهای برقی وعده کاهش چشمگیر آلایندگی هوا را می دهند، بررسی جامع تر اثرات زیست محیطی آن ها نیازمند رویکردی چرخه زندگی (Life Cycle Assessment – LCA) است. این رویکرد به معنای ارزیابی تمامی مراحل، از استخراج مواد اولیه و تولید تا عملیات و بازیافت نهایی است.

میزان واقعی کاهش انتشار کربن در کل چرخه زندگی

هواپیماهای تمام الکتریکی در طول پرواز هیچ گونه انتشار کربنی ندارند. با این حال، انتشار کربن در چرخه زندگی آن ها به منبع تولید برق برای شارژ باتری ها بستگی دارد. اگر برق از نیروگاه های سوخت فسیلی (مانند زغال سنگ یا گاز طبیعی) تأمین شود، بخشی از آلایندگی به نقطه تولید برق منتقل می شود. برای دستیابی به واقعی ترین کاهش انتشار کربن، لازم است که برق مورد نیاز از منابع تجدیدپذیر (مانند خورشید، باد یا آب) تأمین شود. برنامه ریزی برای توسعه زیرساخت های شارژ هواپیماها با انرژی سبز، گامی حیاتی در این راستاست. در صورت استفاده از هیدروژن، تولید هیدروژن سبز (الکترولیز آب با استفاده از برق تجدیدپذیر) برای اطمینان از کربن خنثی بودن ضروری است.

چالش های استخراج مواد اولیه باتری ها و راهکارهای بازیافت

باتری های لیتیوم-یون، که جزء اصلی هواپیماهای برقی هستند، نیازمند فلزات کمیاب و خاصی مانند لیتیوم، کبالت و نیکل هستند. استخراج این مواد می تواند اثرات زیست محیطی منفی مانند تخریب زیستگاه، مصرف آب بالا و تولید پسماند ایجاد کند. برای مقابله با این چالش ها، راهکارهایی نظیر:

• بهبود فرآیندهای استخراج: توسعه روش های استخراج دوستدار محیط زیست تر.
• افزایش کارایی باتری ها: طراحی باتری هایی با چگالی انرژی بالاتر که به مواد اولیه کمتری نیاز داشته باشند.
• توسعه فناوری های بازیافت: ایجاد فرآیندهای کارآمد برای بازیافت فلزات ارزشمند از باتری های مستعمل. بازیافت نه تنها به کاهش نیاز به استخراج مواد اولیه کمک می کند، بلکه از انباشت زباله های الکترونیکی نیز جلوگیری می کند.

صنعت هوانوردی در تلاش است تا با همکاری با تولیدکنندگان باتری و نهادهای زیست محیطی، به سمت یک چرخه زندگی پایدارتر برای هواپیماهای برقی حرکت کند.

مقایسه جامع: هوانوردی برقی در برابر هوانوردی سنتی

برای درک بهتر جایگاه و پتانسیل هواپیماهای برقی، مقایسه آن ها با هواپیماهای سنتی ضروری است. این مقایسه تفاوت ها و شباهت ها را در جنبه های مختلف روشن می سازد:

ویژگی	هوانوردی برقی	هوانوردی سنتی (سوخت فسیلی)
آلایندگی	صفر در نقطه پرواز (در صورت تأمین انرژی از منابع تجدیدپذیر، نزدیک به صفر در چرخه زندگی)	انتشار بالای گازهای گلخانه ای و آلاینده های موضعی (NOx, ذرات معلق)
سر و صدا	بسیار کمتر، پروازهای آرام تر و مناسب تر برای مناطق شهری	آلودگی صوتی قابل توجه (به ویژه در هنگام برخاست و فرود)
هزینه عملیاتی	پایین تر (سوخت ارزان تر، نگهداری ساده تر، قطعات متحرک کمتر)	بالا (سوخت گران، نگهداری پیچیده، قطعات یدکی زیاد)
بازدهی انرژی	بالا (بیش از ۹۰٪ در تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی)	پایین (حدود ۳۰-۴۰٪ در تبدیل سوخت به انرژی مکانیکی)
برد پرواز	محدود (عمدتاً برای مسیرهای کوتاه تا متوسط، در حال بهبود)	بلند (قابلیت پروازهای بین قاره ای)
سرعت	کمتر تا متوسط (متناسب با برد و کاربرد)	بالا (سرعت کروز بالا برای پروازهای سریع)
ظرفیت حمل بار/مسافر	محدودتر (به دلیل وزن باتری ها، در حال افزایش)	بالا (قابلیت حمل صدها مسافر و تن ها بار)
زمان سوخت گیری/شارژ	طولانی تر برای شارژ کامل باتری (در حال بهبود)	بسیار سریع (چند دقیقه برای سوخت گیری)
پیچیدگی فنی	مکانیکی ساده تر، الکتریکی پیچیده تر، مدیریت حرارتی باتری	مکانیکی پیچیده (موتورهای توربین جت، سیستم های هیدرولیک)
زیرساخت	نیاز به زیرساخت های جدید شارژ و شاید هیدروژن در فرودگاه ها	زیرساخت های جهانی گسترده و تثبیت شده

این جدول نشان می دهد که هواپیماهای برقی در حال حاضر در جنبه هایی مانند آلایندگی و سروصدا برتری دارند، در حالی که هواپیماهای سنتی در برد و ظرفیت پیشتاز هستند. با این حال، پیشرفت های مداوم در فناوری، در حال کاهش این شکاف ها است.

نتیجه گیری: پرواز به سوی آینده ای پاک تر و ساکت تر

هواپیمای برقی یک فناوری تحول آفرین است که پتانسیل دگرگون ساختن صنعت هوانوردی را دارد. این هواگردها با بهره گیری از موتورهای الکتریکی و منابع انرژی پاک، نویدبخش آینده ای هستند که در آن پرواز نه تنها کارآمدتر و اقتصادی تر است، بلکه تأثیرات زیست محیطی به حداقل می رسد و آلودگی صوتی کاهش می یابد.

اگرچه چالش هایی نظیر برد محدود، زمان شارژ طولانی و وزن باتری ها هنوز وجود دارد، اما سرمایه گذاری های عظیم در تحقیق و توسعه، به سرعت در حال رفع این موانع هستند. پیشرفت در فناوری باتری های حالت جامد و توسعه سیستم های پیشرانه هیدروژنی-الکتریکی، افق های جدیدی را برای پروازهای برد بلندتر و هواپیماهای با ظرفیت بیشتر می گشاید. کاربردهای متنوعی از تاکسی های هوایی شهری و حمل ونقل منطقه ای گرفته تا آموزش خلبانی و مأموریت های خاص، این فناوری را به یک نیروی محرکه اصلی در توسعه پایدار تبدیل کرده است.

گام های مهمی در جهت تجاری سازی هواپیماهای برقی برداشته شده و شرکت های پیشرو در حال رقابت برای عرضه اولین مدل های عملیاتی خود هستند. با حمایت دولت ها و سرمایه گذاران و توسعه زیرساخت های لازم، هوانوردی برقی به زودی از یک مفهوم آینده نگرانه به واقعیت روزمره تبدیل خواهد شد. این تغییر به سوی پروازهای الکتریکی، گامی مهم در مسیر دستیابی به سیستم حمل ونقل جهانی پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست است.

سوالات متداول

آیا هواپیماهای برقی کاملاً بی صدا هستند؟

خیر، هواپیماهای برقی کاملاً بی صدا نیستند، اما بسیار ساکت تر از هواپیماهای سنتی با موتورهای جت یا پیستونی هستند. اصلی ترین منبع صدا در آن ها، آیرودینامیک هواپیما و صدای ملخ ها یا فن ها (در صورت وجود) است که به مراتب کمتر از صدای موتورهای احتراق داخلی است.

چقدر طول می کشد تا یک هواپیمای برقی شارژ شود؟

زمان شارژ هواپیمای برقی بسته به اندازه باتری، ظرفیت شارژر و فناوری باتری متفاوت است. برای هواپیماهای کوچکتر مانند هواپیماهای آموزشی، این زمان می تواند از ۳۰ دقیقه تا چند ساعت متغیر باشد. برای هواپیماهای بزرگتر، ممکن است به زمان بیشتری نیاز باشد، اما فناوری های شارژ سریع در حال توسعه هستند تا این زمان را به حداقل برسانند.

چه زمانی می توانیم با هواپیماهای برقی به سفر برویم؟

هم اکنون می توان با برخی هواپیماهای برقی کوچک (مانند Pipistrel Velis Electro) برای آموزش یا پروازهای تفریحی سفر کرد. انتظار می رود که تاکسی های هوایی برقی (eVTOL) در اواسط دهه ۲۰۲۰ و هواپیماهای منطقه ای برقی (مانند Eviation Alice) در اواخر دهه ۲۰۲۰ یا اوایل دهه ۲۰۳۰ وارد خدمت رسانی تجاری شوند. پروازهای بلندمدت با هواپیماهای بزرگ تر هنوز در فاز تحقیق و توسعه قرار دارند و ممکن است تا ۲۰۵۰ به واقعیت بپیوندند.

آیا هواپیماهای برقی برای پروازهای بین المللی مناسب هستند؟

در حال حاضر، به دلیل برد محدود باتری ها، هواپیماهای تمام الکتریکی برای پروازهای بین المللی طولانی مدت مناسب نیستند. آن ها عمدتاً برای مسیرهای کوتاه تا متوسط (منطقه ای) یا جابجایی هوایی شهری طراحی شده اند. با این حال، توسعه هواپیماهای هیدروژنی-الکتریکی می تواند در آینده امکان پروازهای بین المللی بدون آلایندگی را فراهم کند.

بزرگترین هواپیمای برقی ساخته شده تا به امروز کدام است؟

تعریف بزرگترین می تواند بر اساس وزن، ظرفیت مسافر یا ابعاد فیزیکی باشد. در حال حاضر، بسیاری از پروژه ها در مقیاس آزمایشی هستند. Eviation Alice با ظرفیت ۹ مسافر و وزن ۴ تنی باتری، یکی از بزرگترین هواپیماهای تمام الکتریکی در حال توسعه برای پروازهای منطقه ای است. پروژه های هیبریدی-الکتریکی مانند E-Fan X (ایرباس) نیز در مقیاس بزرگتر آزمایش شده اند.

آیا هواپیماهای برقی ارزان تر از هواپیماهای معمولی خواهند بود؟

هزینه اولیه خرید هواپیماهای برقی ممکن است در ابتدا بالا باشد، زیرا شامل هزینه های تحقیق و توسعه و تولید فناوری های نوین است. اما در درازمدت، هزینه های عملیاتی (سوخت و نگهداری) آن ها به دلیل ارزان تر بودن برق و سادگی مکانیکی موتورهای الکتریکی، به مراتب پایین تر از هواپیماهای سنتی خواهد بود که در مجموع آن ها را اقتصادی تر می سازد.

چالش اصلی در توسعه هواپیماهای برقی چیست؟

چالش اصلی در توسعه هواپیماهای برقی، دستیابی به چگالی انرژی کافی در سیستم های ذخیره سازی انرژی (باتری ها یا هیدروژن) است که بتواند وزن سبک و برد پروازی قابل رقابت با سوخت های فسیلی را فراهم کند. علاوه بر آن، مدیریت حرارتی باتری ها و توسعه زیرساخت های شارژ و سوخت گیری نیز از چالش های مهم به شمار می رود.