‘ไฮโดรเจนสำหรับการบิน’ .. เราอยู่ใกล้แค่ไหนแล้ว

Hydrogen in Aviation

ความเข้าใจต่อความท้าทายในการนำไฮโดรเจนไปใช้งานอย่างกว้างขวาง เป็นประเด็นสำคัญต่อความมุ่งมั่นในการเข้าถึงแหล่งพลังงานสะอาดที่ไร้ขีดจำกัดของมนุษยชาติในอนาคต ..

การวิจัย และพัฒนาเกี่ยวกับไฮโดรเจนในฐานะแหล่งพลังงานสะอาดที่มีศักยภาพในการขับเคลื่อนอากาศยานปราศจากมลพิษในอนาคต กำลังเพิ่มมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่มันยังคงอยู่เพียงในขั้นวิจัยทดลอง เส้นทางสู่เครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน ยังต้องใช้ความพยายามอีกอย่างมากในอุตสาหกรรมการบิน และอื่น ๆ ตั้งแต่ ระบบการจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว มาตรฐานระบบท่อส่งไฮโดรเจนความดันสูงบนอากาศยาน สิ่งอำนวยความสะดวกในสนามบิน ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้อง และโครงสร้างพื้นฐานต่าง ๆ  ไปจนถึงการรับรู้ของสาธารณชนเกี่ยวกับความปลอดภัยด้านการบิน .. ทั้งนี้ มันกำลังอยู่ระหว่างดำเนินการเพื่อเร่งพัฒนาการทางเทคโนโลยีสู่อนาคตให้เร็วขึ้น ในขณะที่ ไฮโดรเจนสำหรับการบิน Hydrogen in Aviation นั้น ถือเป็นหนึ่งในความท้าทายสำคัญยิ่ง ที่จะต้องได้รับการพิจารณาอย่างละเอียดรอบคอบเป็นพิเศษ ..

ไฮโดรเจน เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีด้านพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน พลังงานหมุนเวียนที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ มันมีแนวโน้มความเป็นไปได้สูงมากสำหรับใช้มันเป็นแหล่งพลังงานขับเคลื่อนอากาศยานในอนาคต .. มันจุดระเบิดในเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน Internal Combustion Engine ทั้งที่เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ Reciprocating Engine และเครื่องยนต์ Gas Turbine Engine ได้อย่างยอดเยี่ยม รวมทั้งมันให้แรงขับเคลื่อนมหาศาล ..

อย่างไรก็ตาม แม้ไฮโดรเจนจะมีมวล ความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยสูงกว่าน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานประเภท Kerosene แบบเดิม ๆ ถึงสามเท่า ทำให้ด้วยมวลที่เท่ากัน เมื่อเปรียบเทียบกำลังกันแล้ว พบว่า เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทรงพลังอย่างยิ่งก็ตาม.. แต่ปัจจุบัน ราคาของมันก็สูงกว่า Kerosene ประมาณกว่า 3 เท่าเช่นกัน .. ดังนั้น การใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทดแทนเชื้อเพลิงอากาศยานที่ใช้งานอยู่ปัจจุบันเชิงพาณิชย์ในวันนี้นั้น จึงยังคงเป็นไปไม่ได้ ..

นอกจากนั้น ไฮโดรเจน และเซลล์เชื้อเพลิง ยังสามารถให้กำลังไฟฟ้าแก่มอเตอร์เพื่อหมุนใบพัดเครื่องบินได้อย่างเพียงพอที่จะขับเคลื่อนอากาศยานให้บินไปได้ไกล และนานกว่าอีกด้วย .. อย่างไรก็ตาม สำหรับแหล่งพลังงานไฮโดรเจนนั้น สิ่งสำคัญที่จะต้องได้รับการแก้ไขก่อนที่จะมีการนำมันไปใช้งานอย่างกว้างขวางในอนาคตนั้น ขึ้นอยู่กับ 2 ประเด็นหลัก ได้แก่ ประเด็นเรื่องต้นทุนราคา และประเด็นด้านความปลอดภัย ..

ไฮโดรเจนเหลวในเครื่องยนต์จรวด Cryogenic ..

เครื่องยนต์จรวดแบบ Cryogenic Rocket Engine เป็นเครื่องยนต์อากาศยานรูปแบบหนึ่งที่ใช้เชื้อเพลิงเหลว และตัวออกซิไดเซอร์ที่อุณหภูมิต่ำอย่างยิ่ง กล่าวคือ ทั้งเชื้อเพลิงเหลว และตัวออกซิไดเซอร์ เป็นก๊าซเหลวที่ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำมาก เครื่องยนต์ที่มีแรงขับมหาศาล และประสิทธิภาพสูงเหล่านี้ ทำการบินครั้งแรกใน US Atlas – Centaur และมันเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักแห่งความสำเร็จของ NASA ในการไปส่งยานอวกาศไปถึงดวงจันทร์ด้วยจรวด Saturn V ..

เครื่องยนต์จรวดที่เผาไหม้ด้วยเชื้อเพลิงเหลวปัจจุบัน จะใช้อยู่ในช่วงบน และบูสเตอร์ Booster .. ตัวอย่างเครื่องยนต์จรวดที่ให้ประสิทธิภาพสูง ได้แก่ Ariane 5 ของ Airbus Defence and Space for ESA, H – II ของ Mitsubishi Heavy Industries for JAXA และ Delta IV ของ United Launch Alliance for NASA/US Air Force และระบบขับเคลื่อนขีปนาวุธรูปแบบต่าง ๆ ที่ใช้งานอยู่ในกองทัพของสหรัฐฯ ยุโรป จีน และรัสเซีย เป็นต้น ..ทั้งนี้ ทั่วโลกมีเพียง สหรัฐฯ รัสเซีย ญี่ปุ่น อินเดีย ฝรั่งเศส และจีน เท่านั้นที่เป็นกลุ่มประเทศที่มีเครื่องยนต์จรวดรูปแบบนี้ใช้งานอยู่ในกิจการอวกาศอย่างมากมาย .. เชื้อเพลิงหลักที่นิยมใช้มากที่สุดนั้น คือ ไฮโดรเจนเหลว กับ ออกซิเจนเหลว LH2 / LOX นั่นเอง ..

เครื่องยนต์จรวด ต้องการอัตราการไหลด้วยมวลสูงของทั้งตัวออกซิไดเซอร์ และตัวเชื้อเพลิง เพื่อสร้างแรงขับที่มีกำลังสูงเพียงพอ .. ไฮโดรเจนเหลว ได้กลายเป็นเชื้อเพลิงที่เหมาะสมอย่างยิ่ง ขณะที่ออกซิเจนก็เป็นตัวออกซิไดเซอร์ที่ง่ายที่สุด และพบมากที่สุดอยู่ในสถานะของก๊าซที่อุณหภูมิ และความดันมาตรฐาน เช่นเดียวกับ ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ง่ายที่สุดเช่นกัน .. แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะใช้เป็นก๊าซความดันสูงแทนเชื้อเพลิงเหลวได้ แต่มันจำเป็นต้องใช้ถังเก็บขนาดใหญ่ และหนักกว่ามาก ซึ่งจะทำให้การเดินทางสู่อวกาศในวงโคจร กลายเป็นเรื่องยากลำบาก ..

ในทางกลับกัน หากจรวดขับดัน ได้รับการระบายความร้อนอย่างเพียงพอพวกมัน จะอยู่ในสถานะของเหลวที่ความหนาแน่นสูงขึ้น และความดันต่ำลง ทำให้การบรรจุในถังเก็บง่ายขึ้นมาก และขณะจุดระเบิดก็จะให้แรงขับสูงขึ้นด้วยเช่นกัน .. อุณหภูมิของเชื้อเพลิงเหลวเหล่านี้ แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับตัวจรวดขับดัน โดยใช้ออกซิเจนเหลวที่มีอุณหภูมิอยู่ต่ำกว่า – 183 ° C (- 297.4 ° F; 90.1 K) และไฮโดรเจนเหลวต่ำกว่า – 235 ° C (- 423.4 ° F; 20.1 K) เนื่องจากจรวดขับดันอย่างน้อยหนึ่งตัว จะต้องใช้เชื้อเพลิงที่อุณหภูมิอยู่ในช่วงของเหลว

ทั้งนี้ หมายถึง เครื่องยนต์จรวดแบบ Cryogenic Rocket Engine ทั้งหมดนี้ อาจสามารถประยุกต์ใช้งานเครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนได้ด้วยทั้งเชื้อเพลิงเหลว หรือเครื่องยนต์จรวดรูปแบบไฮบริด ที่ใช้เชื้อเพลิงที่เป็นก๊าซความดันสูงร่วมด้วยได้ ขึ้นอยู่กับความเหมาะสมจากการคำนวณ และการออกแบบ ..

ในการทดสอบและทดลองนั้น มีการใช้เชื้อเพลิงเหลว และตัวออกซิไดเซอร์ หลากหลายชนิดมากมาย แต่อย่างไรก็ตาม การผสมผสานระหว่างเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว LH2 และตัวออกซิไดเซอร์ออกซิเจนเหลว LOX นั้น ถือเป็นส่วนผสมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ส่วนประกอบทั้งสองสามารถหาได้ง่าย และราคาถูกกว่า และเมื่อถูกเผาไหม้จะทำให้เกิดแรงกระตุ้นเฉพาะสูงถึง 450 วินาที ที่ความเร็วไอเสียที่แท้จริงมากกว่า 4.4 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 2.7 ไมล์ / วินาที เพียงพอที่จะขับเคลื่อนดาวเทียม หรือยานอวกาศ ให้ออกไปพ้นแรงดึงดูดของโลกได้อย่างง่ายดาย รวมทั้งของเสีย หรือไอเสียของมันจริง ๆ คือ ไอน้ำ กับหยดน้ำ นั่นเอง ..

ทั้งนี้ เชื้อเพลิงหลักที่เป็น ออกซิเจนเหลว LOX และ ไฮโดรเจนเหลว Liquid Hydrogen นั้น ปัจจุบัน ใช้กับ Centaur Upper Stage , Delta IV Rocket , the H – IIA Rocket และส่วนใหญ่ของ Ariane 5 ของยุโรป .. ไฮโดรเจนเหลว ยังมีราคาค่อนข้างแพงในการผลิต และจัดเก็บ และมันก็ยังคงทำให้เกิดปัญหาในการออกแบบการผลิต และการใช้งานของยานพาหนะ อยู่ในบางประเด็นบ้าง .. อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนเหลวเหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในระดับสุดยอดปัจจุบัน และอัตราส่วนแรงผลักต่อน้ำหนักที่ถือว่าดีที่สุด เนื่องจากน้ำหนักของ Hydrogen นั้น เบาที่สุดแล้วในตารางธาตุ ..

เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ศักยภาพเหนือขอบฟ้า ..

เครื่องบินไฮโดรเจน ยังคงเป็นอนาคต โดยทั่วไปมันหมายถึง เครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน .. ไฮโดรเจน สามารถเผาไหม้ในเครื่องยนต์เจ็ต หรือเครื่องยนต์สันดาปภายในชนิดต่าง ๆ หรือสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนเซลล์เชื้อเพลิงในการผลิตกำลังไฟฟ้าไปหมุนใบพัดของอากาศยาน ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ..

ซึ่งแตกต่างจากเครื่องบินส่วนใหญ่ที่ใช้ปีกในการเก็บเชื้อเพลิง ในขณะที่ เครื่องบินไฮโดรเจน มักนิยมที่จะได้รับการออกแบบให้มีถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนบรรทุกอยู่ภายในลำตัว .. ทั้งนี้ น้ำหนักของมันเบาอย่างยิ่ง แต่ต้องใช้ปริมาตรเพิ่มขึ้นพอสมควร ..

ผลจากการวิจัยของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลเวเนีย ในปี 2549 เครื่องบินไฮโดรเจนเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่สามารถสร้าง และทดลองบินกันแล้วตั้งแต่ปี 2563 แต่ “อาจจะยังไม่เข้าประจำการ ไปจนกว่าจะใกล้ถึงปี 2583” .. ในระยะใกล้ ความสนใจเพิ่มขึ้นในการใช้เครื่องบินเซลล์เชื้อเพลิงในฐานะยานพาหนะทางอากาศส่วนบุคคล อากาศยานทดลอง และอากาศยานไร้นักบิน ..

โครงการวิจัยของสหภาพยุโรป ร่วมกับ แอร์บัส Airbus และ บริษัท พันธมิตรอีก 34 แห่งที่เรียกว่า CRYOPLANE ได้ประเมินความเป็นไปได้ทางเทคนิคด้านความปลอดภัย สิ่งแวดล้อม และความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงสำหรับการบิน ซึ่งสรุปไว้ในปี 2545 พร้อมกับรายงานฉบับสุดท้ายที่ตีพิมพ์มาตั้งแต่ปี 2546 ชี้ว่า การใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับอากาศยานในเชิงพาณิชย์นั้น มิได้มีปัญหาใด ๆ ทางเทคนิค แต่ปัญหาของมันจริง ๆ อยู่ที่ราคาของไฮโดรเจน ซึ่งจำต้องรอให้ต้นทุนพลังงานไฮโดรเจนทั้งระบบ ลดลงมากกว่านี้อีกหลายเท่าก่อน และเมื่อนั้นการนำไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับการบินเชิงพาณิชย์นั้น จึงจะเป็นไปได้ในที่สุด ..

ไฮโดรเจน มีพลังงานจำเพาะสูงกว่าเชื้อเพลิงน้ำมันเครื่องบินประเภท Kerosene แบบเดิม 3 เท่า และมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า การประยุกต์ใช้ถังคาร์บอนไฟเบอร์ รวมทั้งระบบท่อทางในเครื่องบินซึ่งสามารถรับแรงดันได้ถึง 700 เท่าบรรยากาศเพื่อจัดเก็บไฮโดรเจนนั้น เป็นความจำเป็น .. นอกจากนี้ยังสามารถพิจารณาใช้ไฮโดรเจนเหลวแบบ Cryogenic ได้อีกด้วย ..

ปัจจุบัน ไฮโดรเจน ผลิตได้น้อยมากจากแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำ และยังมีอุปสรรคอีกหลายประการในการใช้ไฮโดรเจนในเครื่องบิน อากาศยานไร้คนขับ และยานพาหนะอื่น ๆ เนื่องจากวิธีการผลิต และความไร้ประสิทธิภาพของการผลิตไฮโดรเจน Hydrogen เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน .. เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จึงยังคงมีราคาสูงกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลประเภท Kerosene มากกว่า 3 เท่า .. มันเป็นเรื่องแปลก ทั้ง ๆ ที่ ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวโดยการแยกน้ำด้วยกำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียนนั้น ง่ายดายกว่ามากเมื่อเทียบกับ การผลิตเชื้อเพลิงฟอสซิล Kerosene จากการทำเหมืองถ่านหิน หรือการสำรวจขุดเจาะน้ำมันดิบ ก๊าซธรรมชาติ ลึกลงไปในหลุมใต้เปลือกโลกขึ้นมาเข้ากระบวนการกลั่นน้ำมันเชื้อเพลิงที่โรงกลั่น และง่ายกว่าการผลิตไฮโดรเจนสีเทา จาก By Product จากกระบวนการทางปีโตรเคมีด้วยซ้ำไป แต่กลับมีราคาสูงกว่ามาก ..

อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนเหลว เป็นสารหล่อเย็นที่ดีที่สุดชนิดหนึ่งที่ใช้ในงานวิศวกรรม และมีการเสนอให้ใช้คุณสมบัตินี้ในการระบายความร้อนของอากาศเข้า Air Intake สำหรับเครื่องบินความเร็วสูงมาก ๆ รวมทั้ง เครื่องยนต์เจ็ต Jet Engine ที่ต้องระบายความร้อนให้กับห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ด้วย หรือแม้กระทั่งเพื่อการระบายความร้อนที่ผิวของอากาศยานโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ Scramjet Powered Aircraft ..

เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนประเภท Kerosene แล้ว พบว่า ไฮโดรเจนเหลว จะมีพลังงานต่อหน่วยปริมาตรต่ำกว่ามาก แต่ Phillip Ansell : Director of the NASA – Funded Center for High – Efficiency Electrical Technologies for Aircraft at the University of Illinois กล่าวว่า พื้นที่ผิวภายนอกที่เพิ่มเข้ามาจากปริมาตรไฮโดรเจนที่เพิ่มขึ้นนั้น จำเป็นสำหรับการรองรับถังกักเก็บไฮโดรเจนที่มีขนาดใหญ่ขึ้น และการเพิ่มขึ้นของแรงยกตามหลักอากาศพลศาสตร์ สามารถย่อส่วนคำนวณได้โดยการปรับแต่งส่วนอื่น ๆ ของเครื่องบินอย่างระมัดระวัง ทางออกหนึ่งที่เป็นไปได้ คือ การออกแบบปีกเครื่องบินแบบผสมผสาน ซึ่งมันเป็นไปได้ตราบเท่าที่เครื่องยนต์สามารถให้แรงขับได้อย่างเพียงพอ ซึ่งเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว หรือกำลังไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงนั้น ไม่มีข้อสงสัยในทางเทคนิค ..

ตัวอย่างอากาศยานทดลองต้นแบบของ ZeroAvia จะใช้ไฮโดรเจนที่บีบอัดถึง 350 บาร์ในเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งมีแผนแบบที่จะบินด้วยระยะทางไม่ไกลนัก เพียง 500 ไมล์ทะเล เท่ากับประมาณ 900 กม. หรือน้อยกว่า .. ก๊าซไฮโดรเจน ยังเหมาะสมที่จะใช้งานกับยานพาหนะไร้คนขับด้วย .. แต่สำหรับสายการบินขนาดใหญ่ที่มีผู้โดยสารตั้งแต่ 150 คนขึ้นไปในเที่ยวบินที่ยาวขึ้น ระบบจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว หรือก๊าซไฮโดรเจนความดันสูง จะต้องใช้ถังเก็บที่แข็งแกร่งกว่ามาก และจะใช้พื้นที่มากเป็นสองเท่าของถังที่มีเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งสามารถคำนวณออกแบบได้ มิได้ทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิคจริง ๆ แต่อย่างไร ..

ภายในสิ้นทศวรรษ ZeroAvia คาดว่าจะเปิดตัวเครื่องบินเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 50 ถึง 100 ผู้โดยสาร ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนเหลว .. ถังจะทำจากวัสดุผสม และเรซินที่มีอยู่แล้ว ไม่จำเป็นต้องมีการพัฒนาวัสดุใหม่ .. อัตราส่วนน้ำหนักเชื้อเพลิงต่อถังปัจจุบันของ ZeroAvia คือ 11 – 12 % สำหรับก๊าซไฮโดรเจน บริษัทฯ กำลังทดสอบถังไฮโดรเจนเหลวรุ่นใหม่ ๆ ที่มีอัตราส่วนมากกว่า 50 % ..

ไฮโดรเจนสำหรับการบิน ใช้เซลล์เชื้อเพลิง หรือจุดระเบิดไฮโดรเจนในเครื่องยนต์โดยตรง ..

เครื่องบินไอพ่น Subsonic เช่น Boeing 737 ขับเคลื่อนเครื่องยนต์ Turbofans ซึ่งใช้พลังงานกลที่ได้จากเครื่องยนต์ Gas Turbine Engine เพื่อเร่งอากาศให้เกิดแรงขับไปข้างหลัง และดันอากาศยานไปข้างหน้า .. เครื่องยนต์กังหันก๊าซในปัจจุบันสามารถเผาไหม้ไฮโดรเจนแทนเชื้อเพลิง Kerosene แบบเดิมได้โดยมีการปรับแต่งเครื่องยนต์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น “คุณแทบจะนำไฮโดรเจนใส่ลงในเครื่องยนต์ของวันนี้ได้โดยไม่ต้องทำอะไรเลยด้วยซ้ำไป” Phillip Ansell : Assistant Professor in the Department of Aerospace Engineering at Urbana – Champaign กล่าว ..

แต่ถึงแม้ว่ากระบวนการสร้างแรงขับของมันจะไม่ก่อให้เกิด CO₂ หรือเขม่า แต่การเผาไหม้ไฮโดรเจนในที่ความสูงสูง ความเร็วมาก จะเกิดก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นมลพิษออกมาบ้างด้วย เนื่องจากมีก๊าซไนโตรเจนอยู่มากในอากาศ แต่ก็ยังน้อยกว่าเชื้อเพลิงประเภท Kerosene อย่างมาก .. นอกจากนี้ การสันดาปไฮโดรเจน ไม่ว่าจะเป็นการใช้เซลล์เชื้อเพลิง หรือการจุดระเบิดไฮโดรเจนในเครื่องยนต์โดยตรงก็ตาม จะได้ไอน้ำเป็นของเสีย

ซึ่งนักวิชาการบางคนอาจแย้งว่า ไอน้ำก็ถือเป็นก๊าซเรือนกระจกชนิดหนึ่ง อย่างไรก็ตามมันแตกต่างจากก๊าซเรือนกระจกชนิดอื่น ๆ ตรงที่มันเป็นสถานะในวงจร Water Cycle ซึ่งสร้างสมดุลธรรมชาติบนโลกของเรา จึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยิ่ง .. ทั้งนี้ ไอน้ำที่เกิดขึ้นในระดับความสูงมาก จะคงอยู่ในบรรยากาศได้นานกว่าที่ระดับต่ำกว่า ซึ่งสุดท้ายก็จะตกลงมาเป็นฝน ..

เซลล์เชื้อเพลิงแบบ Hydrogen – Fueled Proton Exchange Membrane : PEM Fuel Cells ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จะปราศจากการปล่อยมลพิษ หากไฮโดรเจนมาจากแหล่งที่ไม่มีคาร์บอน และน้ำที่ปล่อยออกมาจะสามารถกลั่นตัวเป็นหยดน้ำได้ก่อนปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม PEMs ให้พลังงานเพียงครึ่งหนึ่งของ 3.7 กิโลวัตต์ / กิโลกรัมต่อหน่วยน้ำหนักของเครื่องยนต์กังหันก๊าซสมัยใหม่ที่เผาไหม้ด้วยเชื้อเพลิงธรรมดา .. อย่างไรก็ตาม โดยไม่รวมน้ำหนักของเชื้อเพลิง หรือถัง ถึงกระนั้นก็ตาม นั่นอยู่ในขั้นตอนการปรับปรุงขนาดจาก 0.3 กิโลวัตต์ / กก. ให้เพิ่มขึ้นอีก เมื่อหลายปีที่ผ่านมา และปัจจุบันมีแนวโน้มก้าวหน้าไปมากอย่างต่อเนื่อง ..

เซลล์เชื้อเพลิง PEM ในปัจจุบัน ในทางเทคนิคแล้ว มันสามารถแข่งขันได้กับเครื่องยนต์ลูกสูบในการขับเคลื่อนเครื่องบินโดยสารสี่ถึงหกลำได้เลย แต่อัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักของพวกมันนั้น ต่ำกว่าเครื่องยนต์ Gas Turbine Engine อยู่มาก ..

ใบพัดของเครื่องยนต์ Turbofan ให้แรงขับประมาณ 80 % ของเครื่องยนต์ทั้งหมด โดยส่วนที่เหลือเกิดจากการเผาไหม้  หวังเป็นอย่างยิ่งว่าระบบเซลล์เชื้อเพลิง จะได้รับการพัฒนาเพื่อส่งแรงผลักดันทั้งหมดของ Turbofan ด้วยพลังงานไฟฟ้า อีกวิธีหนึ่งคือเซลล์เชื้อเพลิง สามารถเสริมด้วยพลังงานชุดแบตเตอรี่ หรือกำลังไฟฟ้าจากตัวเก็บประจุยิ่งยวด ในระหว่างการบินขึ้น และการลงสนามบิน ได้อีกด้วย ..

“ มันคงไม่สามารถแข่งขันได้กับพลังงานจำเพาะของเครื่องยนต์กังหันก๊าซ Gas Turbine Engine ” Dave Tew ผู้จัดการโครงการสำหรับระบบการบินไฟฟ้าของ Department of Energy’s Advanced Research Projects Agency – Energy : ARPA – E กล่าว .. แต่ความหวัง คือ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง และระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าจะดีขึ้นมากพอที่จะจับคู่ หรือเทียบได้กับอัตราส่วนเกินพลังงานต่อน้ำหนักของ Turbine Fan และเชื้อเพลิงรวมกัน ซึ่งทำให้มันแข่งขันได้กับเครื่องยนต์ลูกสูบของเครื่องบินทุกแบบ ..

แอร์บัสได้สร้างแนวคิดสามประการสำหรับเครื่องบินโดยสารที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีความจุผู้โดยสารได้มากถึง 200 คน และมีระยะทาง 2,000 ไมล์ทะเล หรือประมาณ 3,700 กิโลเมตร หรือมากกว่า แต่ละรูปแบบได้รับการเสนอให้ขับเคลื่อนด้วยระบบไฮบริดของเครื่องยนต์ Gas Turbine และมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell ในรูปแบบ เครื่องยนต์ Turbo Electric Gas Turbines ที่เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จุดระเบิดให้แรงขับ และขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปด้วย ขณะที่ใบพัด Turbine Fan จะถูกขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า ไปพร้อมกัน หรือสลับกันไป ในลักษณะผสมผสาน Hybrid ..

สำหรับเครื่องยนต์ที่ใช้ขับเคลื่อนอากาศยานในอนาคตที่ไร้มลพิษนั้น การใช้เซลล์เชื้อเพลิง หรือจุดระเบิดไฮโดรเจนในเครื่องยนต์โดยตรง เป็นแนวความคิดที่เป็นไปได้ และไม่มีปัญหาใด ๆ ทางเทคนิค .. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี และกระแสสังคมในการใช้พลังงานสะอาด ได้กลายเป็นแรงขับเคลื่อนทางเศรษฐกิจ และสังคม ที่ผลักดันให้การใช้ไฮโดรเจนสีเขียวเป็นเชื้อเพลิงหลักของอากาศยาน แทนที่เชื้อเพลิงประเภท Kerosene นั้น มาถึงเร็วขึ้นกว่าที่คาดไว้ ซึ่งมันอาจจะไม่ได้ง่ายนัก แต่มันกำลังค่อย ๆ มาแล้วอย่างแน่นอน ..

สรุปส่งท้าย ..

ปัจจุบัน ยังไม่มีใครชี้ชัดไปได้ว่า เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับการบินในอนาคตนั้น สมควรจะประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง หรือจุดระเบิดไฮโดรเจนในเครื่องยนต์โดยตรง หรือใช้มันทั้ง 2 รูปแบบ รวมทั้งรูปแบบอื่น ๆ ลักษณะผสมผสานไปพร้อมด้วย .. อย่างไรก็ตาม ด้วยข้อเท็จจริงเชิงประจักษ์ ทั้ง 2 ลักษณะการใช้งานด้านการบินในฐานะแหล่งพลังงานสะอาดที่มีศักยภาพในการขับเคลื่อนอากาศยานไร้มลพิษในอนาคตนั้น ไฮโดรเจน สามารถทำงานได้อย่างยอดเยี่ยม .. คาดหมายได้ว่า จะมีการประยุกต์ใช้งานมันในทั้ง 2 รูปแบบ ทดแทนการใช้เชื้อเพลิงประเภท Kerosene เชิงพาณิชย์ ในอีกไม่นานนัก ขึ้นอยู่กับผลการแก้ไขประเด็นปัญหาหลักที่เกี่ยวข้องกับต้นทุนราคาของแหล่งพลังงานไฮโดรเจนทั่วทั้งระบบ และประเด็นด้านความปลอดภัยด้านการบิน ..

ไฮโดรเจน มีความหนาแน่นของพลังงานสูงตามน้ำหนัก แต่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำตามปริมาตร เมื่อไม่มีการบีบอัดสูง หรือทำให้เป็นของเหลว .. เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 38% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงเบนซิน อยู่ประมาณ 8% ..

การรวมกันของเซลล์เชื้อเพลิง และมอเตอร์ไฟฟ้า มีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน 2 – 3 เท่า อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายของเซลล์เชื้อเพลิงที่สูงประมาณ 5,500 เหรียญ / กิโลวัตต์ เป็นอุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่งของการพัฒนา หมายความว่า ไฮโดรเจน กับเซลล์เชื้อเพลิง Hydrogen & Fuel Cell เป็นความยอดเยี่ยมทางเทคนิค แต่หากพูดถึงราคาแล้ว มันยังไม่สามารถแข่งขันได้ .. อย่างไรก็ตาม อากาศยานไร้นักบินขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน Hydrogen Fuel Cell Drone กลับสามารถทำตลาดด้วยยอดขายที่ดีเยี่ยมมาต่อเนื่องกว่า 5 ปีมาแล้ว ด้วยเหตุผลง่าย ๆ คือ มันบินได้นานกว่า 2 เท่า ไกลกว่า และมีอัตราบรรทุกมากกว่า 2 เท่าของ Drone ที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ลิเธี่ยม Lithium Ion Batteries เทียบกับน้ำหนักที่เท่ากัน ..

อุปสรรคทางเทคนิคอื่น ๆ ยังได้แก่ ปัญหาการกักเก็บไฮโดรเจน และความต้องการความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง .. ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้งานได้ ต้องการความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนสูงถึง 99.99% .. ดังนั้น ในทางกลับกัน การปรับแต่งเครื่องยนต์สันดาปภายในเพียงเล็กน้อยเพื่อให้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจุดระเบิดในห้องเผาไหม้โดยตรงนั้น ประหยัดกว่าการใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ กับเซลล์เชื้อเพลิง เป็นอย่างมาก ..

ทั้งนี้ ไฮโดรเจนสำหรับการบิน ยังถือเป็นเรื่องใหม่ มันไม่ใช่เรื่องยาก แต่การปรับเปลี่ยนระบบขับเคลื่อนอากาศยานทั้งหมดที่ใช้กันมายาวนานกว่า 100 ปี ขณะที่อายุการใช้งานอากาศยานแต่ละเครื่องให้คุ้มค่านั้น อยู่ที่เฉลี่ย 30 – 50 ปี มันจึงไม่ใช่เรื่องง่ายนักเช่นกัน .. ดังนั้น การปรับแต่งเครื่องยนต์อากาศยานเพียงเล็กน้อยเพื่อรองรับการใช้งานเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเพื่อส่งไปจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ จึงเป็นไปได้มากกว่าการเปลี่ยนระบบเครื่องยนต์ทั้งหมด ..

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน ด้วยราคาต้นทุนที่จะต้องลดลงอีกจากปัจจุบันอย่างน้อย 3 เท่า จึงกลายเป็นความจำเป็นที่สำคัญอย่างยิ่ง ..

ผู้เชี่ยวชาญจาก Airbus คาดหมายว่า ไฮโดรเจนเหลว Liquid Hydrogen จะถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงอากาศยานเชิงพาณิชย์ด้วยความเหมาะสมทั้งด้านเทคนิค และราคา อย่างกว้างขวางได้ ภายในปี 2040 หรือ พ.ศ.2583 โดยราคาของไฮโดรเจนเหลวจะลดลงมาใกล้เคียงราคาเชื้อเพลิงประเภท Kerosene ก่อนปี 2030 หรือ พ.ศ.2573 .. โดยหลังจากนั้นเป็นต้นไป เชื่อว่า ราคาเชื้อเพลิงไฮโดรเจน จะลดลงอีก และจะมีราคาลงต่ำกว่าราคาเชื้อเพลิง Kerosene ที่มีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ..

ในมุมมองด้านความปลอดภัยนั้น ก๊าซไฮโดรเจน มิใช่ก๊าซพิษ มันติดไฟง่าย แต่มันเบากว่าอากาศอย่างมาก โมเลกุลของมันเล็กอย่างยิ่งพร้อมเสมอที่จะรั่วไหลออกจากถังเก็บ และท่อทาง ได้ตลอดเวลา .. อย่างไรก็ตาม มาตรการความปลอดภัยเป็นเรื่องสำคัญยิ่ง ทั้งนี้ ด้วยเทคโนโลยีวัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมปัจจุบัน คุณสมบัติของไฮโดนเจน มิได้สร้างปัญหาในระบบจัดเก็บไฮโดรเจนบนอากาศยานแต่อย่างไร ..

วิศวกรผู้เชี่ยวชาญ ชี้ว่า ขณะเมื่อท่านขึ้นไปนั่งอยู่บนเครื่องบินโดยสารพาณิชย์ขนาดใหญ่ปัจจุบัน เช่น Boeing 777 ER เป็นต้นนั้น หมายความว่า ท่านได้กำลังนั่งอยู่ 10 – 15 ชั่วโมงเดินทางข้ามทวีปบนถังบรรจุน้ำมันเชื้อเพลิงที่ไวไฟอย่างยิ่งขนาด 318 – 352 ตัน หรือประมาณ 700,000 – 775,000 lb นั่นเอง และมันเป็นเช่นนี้นานกว่า 50 ปีมาแล้ว .. ดังนั้น การที่ท่านนั่งอยู่บนถังเก็บไฮโดรเจนเหลวนั้น จึงไม่ได้ทำให้เกิดอันตรายมากขึ้นแต่อย่างใด .. อย่างไรก็ตาม การกำหนดมาตรฐานในมาตรการด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่รัดกุม รอบคอบ มีระบบการกำกับดูแลที่เชื่อถือได้ ถือเป็นความจำเป็นที่ขาดไม่ได้ด้วยเช่นกัน ..

ในระบบการขนส่งที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้น พบว่า มันสามารถทำหน้าที่แทน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และน้ำมันดีเซล หรือเชื้อเพลิงประเภท Kerosene ได้โดยตรง .. ต่างจากยานยนต์ไฟฟ้า หรืออากาศยานไฟฟ้า ซึ่งใช้เวลาประมาณ 30 นาที ในการชาร์จ กับสถานีชาร์จที่เร็วที่สุด ขณะที่การเติมไฮโดรเจนกับเครื่องบินเซลล์เชื้อเพลิง หรือการเติมไฮโดรเจนเหลวบรรจุในถังเก็บของอากาศยานนั้น ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที ..

ผู้เชี่ยวชาญคิดว่า ไฮโดรเจน จะมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อการขนส่งนั้น ต้องใช้เวลานาน หรือ เป็นระบบการขนส่งสำหรับงานหนัก รวมทั้งการเคลื่อนย้ายสิ่งของเป็นจำนวนมาก เช่น การขนส่งสินค้าระหว่างประเทศ และการเดินทางทางอากาศระยะไกล ซึ่งการใช้แบตเตอรี่ เช่น Lithium Ion Batteries ต่อขนานกันที่จะให้กำลังไฟฟ้าเพียงพอต่อการบินของอากาศยานนั้น จะมีน้ำหนัก และปริมาตร มากเกินไป รวมทั้ง ไม่มีประสิทธิภาพพอ จึงอาจไม่เหมาะเมื่อเทียบกับการใช้ไฮโดรเจน จุดระเบิดในเครื่องยนต์เจ็ต Jet Engine หรือ Gas Turbine Engine ของอากาศยานโดยตรง ..

“เราเห็นต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนที่ลดลงอย่างแท้จริง” Haim Israel นักยุทธศาสตร์พลังงานระดับโลก และหัวหน้าฝ่ายการลงทุนเฉพาะเรื่องของ BofA Securities กล่าวไว้ .. ราคาของอิเล็กโทรไลเซอร์ Electrolyzer ลดลงมากกว่า 50 % ตั้งแต่ 5 ปีที่ผ่านมา และต้นทุนพลังงานทางเลือก และพลังงานหมุนเวียน ก็ลดลงมากกว่า 50% – 60 % .. “เราเชื่อว่าต้นทุนรวมจะลดลงอีก 60 ถึง 70 % ก่อนสิ้นทศวรรษ” เขากล่าว ..

ในอีกไม่ถึง 50 ปีข้างหน้า Haim Israel เชื่อว่า น้ำ คือ แหล่งพลังงานหลัก .. ไฮโดรเจน จะกลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตของเรา หากเราจริงจังกับการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ เราก็ไม่มีทางเลือกอื่น นอกจากไฮโดรเจนจากน้ำ ..

ก่อนหน้านี้ มีความเห็นแย้ง และมีนักวิทยาศาสตร์หลายคน ไม่เห็นด้วย และไม่เชื่อว่าจะเป็นไปได้ แต่ปัจจุบัน เมื่อราคาต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวกำลังเริ่มลดลงเรื่อย ๆ และโลกของเรากำลังร้อนขึ้น ไฮโดรเจนสีเขียวจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน กลายเป็นความท้าทายสำคัญในฐานะแหล่งพลังงานสะอาดที่มีศักยภาพในการขับเคลื่อนอากาศยานไร้มลพิษ .. และไม่เพียงเท่านั้น คาดหมายกันต่อไปอีกว่า มันอาจกำลังกลายเป็นแหล่งพลังงานสำคัญในอนาคตที่เหมาะสมที่สุด สำหรับการขับเคลื่อนเศรษฐกิจและสังคม ในอีกไม่นานนี้ก็เป็นไปได้ .. ดังนั้น รากเหง้าแหล่งพลังงานในอนาคตของมนุษยชาติที่แท้จริงแล้ว มันอาจคือ “น้ำ” น้ำธรรมดา…นี่เอง ..

คอลัมน์ Energy Key

By  โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Hydrogen in Aviation: How Close is It? | Airbus

The Hydrogen Revolution in the Skies | BBC

Hydrogen – Powered aircraft | Wikipedia

Hydrogen – Powered Aircraft may be Getting a Lift | Physics Today

Dutch Students Just Unveiled the World’s First Hydrogen – Powered Aircraft :-

Dutch Students Just Unveiled the World’s First Hydrogen-Powered Aircraft

Challenges and Benefits offered by Liquid Hydrogen Fuels in Commercial Aviation

NASA backs development of Cryogenic Hydrogen System to Power All – Electric Aircraft

NASA Funds Aviation Research on a New Fuel Concept

NASA awarding $6 million to 3 – year ULI project to develop approach to Electric Aircraft Fueled by Liquid Hydrogen

Green Hydrogen ไฮโดรเจนสีเขียว | The Key News :-

Green Hydrogen ไฮโดรเจนสีเขียว

เซลล์เชื้อเพลิง พลังขับเคลื่อน เปลี่ยนโลกเราในทศวรรษหน้า | The Key News :-

เซลล์เชื้อเพลิง พลังขับเคลื่อน เปลี่ยนโลกเราในทศวรรษหน้า

Hydrogen Combustion, Explained – Innovation | Airbus

An Approach to the use of Hydrogen for Commercial Aircraft

Liquid Hydrogen as a Potential Low Carbon Fuel for Aviation | IATA

This Aviation Startup is Soaring ahead with Hydrogen – Powered Planes | CNN

Top Hydrogen Fuel Drones: The Best Hydrogen Drones on the Market | UAV Coach :-