尽管航空业在应对气候变化的行动中备受关注，但据国际能源署（IEA）称，该行业仅占全球能源相关二氧化碳排放量的2%，这一事实可能会让一些人感到意外。然而，该行业正在快速增长。近几十年来，其增长速度已超过铁路、公路和海运，国际能源署预计，更新机型带来的能效提升恐怕难以跟上该行业的扩张步伐。 因此，很明显，航空业的脱碳需要比单纯提高飞机能效更具创造性的解决方案。
电动和混合动力推进技术
正如前文所述，开发更环保的飞机推进系统所面临的核心问题在于能量密度。地面交通的大多数领域都呈现出向电力驱动转型的趋势。然而，要制造一架尺寸合理的全电动商用客机，所需的电池重量将比飞机本身重出一个数量级。 此外，电池动力还消除了飞机在飞行过程中因燃油消耗而逐渐变轻、从而提升能效的优势。因此，在全电动商用飞机成为现实之前，电池技术必须取得巨大进步。
近年来，混合动力推进领域取得了持续发展。 空客 在混合动力技术方面投入了巨资，并与雷诺及 意法半导体合作以推动该技术的发展。空客的“飞机混合动力化原则”以资源分配为核心。在飞行过程中，飞机会动态地在不同能源之间切换，既可组合使用，也可单独使用。空客声称，其能源管理系统与传统技术相比，可将燃油消耗降低多达5%。
这是向前迈出的一步，前景可期，但显然不能指望仅靠这种规模的进展来解决航空业的排放问题。
空客还参与了“EcoPulse”的研发工作，这是一款与达赫尔（Daher） 和赛峰（Safran）合作开发的分布式推进混合电动飞机。该概念机曾在2023年巴黎航展上展出，旨在凸显分布式推进对飞机性能的优势。分布式推进是指将推力需求分配给多台较小的发动机。据 空客，这将带来以下好处：“提升巡航、起飞和着陆性能；由于多个螺旋桨之间同步性更好，可降低客舱噪音；同时，由于尾翼面积减小且飞机操控性更佳，节能效果更显著”。该技术仍处于初级阶段，且由于原型机累计飞行时间仅为27小时，目前尚未公布任何具体的效率数据。 不过，达赫尔公司首席技术官帕斯卡尔·拉盖尔表示：“我们将基于此次演示项目制定未来的产品路线图，并基本确定计划在五年计划结束前生产的混合动力飞机的规格。我们预计到2027年底将能够向市场推出首款混合动力飞机。”
劳斯莱斯 也一直在研发自己的混合动力推进系统。他们研制了一套涡轮发电机系统，该系统包含一台紧凑且功率密度高的涡轮机，旨在应用于先进航空出行（AAM）市场（例如，最多可容纳19个座位的短途通勤飞机）。 该涡轮发电机系统可输出500千瓦至1200千瓦的功率，非常适合其目标应用场景——短途飞行。然而，对于长途商用航班而言，这一功率仍小几个数量级。
天然气制液体（GTL）技术
如前所述，气液转化（GTL）技术可能成为大型商用飞机最可行的解决方案。气液转化工艺是由 壳牌 历经数十年研发，包含三个步骤。首先，通过天然气的不完全氧化生成“合成气”，其主要成分为氢气和一氧化碳。随后，该合成气经过催化转化过程，转化为液态烃。最后，可采用传统的裂解和异构化技术，生成所需的烃链。
近年来，天然气制液体市场不断扩大，2022年市场估值达148亿美元，据预测，到2030年该行业市场规模将达到244亿美元。 商业航空业日益增长的需求被视为推动这些数据增长的关键因素。随着各国政府和监管机构加大对航空业企业减排的压力，GTL技术正成为一种更具可行性的解决方案。 催化剂制造和反应器设计方面的技术进步带来了更高的转化率和更低的资本成本，从而提高了投资者的潜在回报。例如，壳牌公司开发了一种通过3D打印技术制造GTL转化所需催化剂的工艺。3D打印催化剂能够更好地控制物质的宏观和微观结构，从而有望提高生产速度、减少原材料浪费并提升催化剂的效率。
为GTL工艺提供动力
尽管取得了这些进展，GTL面临的最主要问题仍然是如何找到一种可持续的能源来为该工艺提供动力。虽然核能本身存在争议，但不可否认的是，其极高的能量密度远超风能或太阳能等争议较小的替代能源。英国核工业局（NIA）最近发布的一份报告指出，英国拥有“一个‘黄金机遇’”，可以利用核能成为零排放合成燃料生产领域的全球领导者。该报告认为，当前关于未来碳排放的理论模型低估了增加核能使用所带来的潜在效益。在美国，能源部正在资助由奥克森能源公司（Oxeon Energy）负责管理的一个价值2000万美元的项目，旨在利用核能生产合成燃料。
核能一直被证明是可靠的，且不受天气影响，能够提供满足快节奏航空业需求所需的稳定电力输出。此外，反应堆产生的余热和核能产生的电力均可用于GTL工艺，从而显著提高效率。由 罗尔斯·罗伊斯 开发的小型模块化核反应堆（SMR），有望进一步提升基于核能的GTL生产的可行性，因为这将使多个合成燃料生产厂得以在全国范围内建设。SMR反应堆可部署在每个主要机场，既为飞机提供合成燃料，又为机场及其周边居民提供电力和热能。
随着航空业的持续发展，行业主要参与者将面临更大的压力，需要采用更可持续的解决方案。受能量密度限制，目前形式的商用飞机很可能仍将长期存在。然而，小型模块化反应堆（SMR）的可扩展性和相对较低的成本，意味着它们有潜力为该行业更绿色的未来做出重要贡献。
Barker Brettell 设有专门的航空航天业务组。如果您希望探讨保护您发明的方案，请联系本文作者或您惯常合作的 Barker Brettell 专利律师。
“航空业的脱碳不仅需要更高效的飞机，还需要更具创造性的解决方案。”
