Solar Impulse – бесполезная игрушка или шаг в будущее?

Кабина самолета «Solar Impulse» проходит испытания в аэродинамической трубе. Опыт, накопленный в рамках реализации проекта создания «солнечного самолета», поможет ускорить развитие, в том числе, и технологий, не имеющих никакого отношения к авиации. Снимок сделан в 2013 г. Fred Merz/Rezo/SolarImpulse/Polaris

«Solar Impulse» вовсе не является «летательным аппаратом будущего». Цели создать такой самолет никто и не ставил. Тогда зачем вообще нужно было устраивать этот кругосветный перелет? Ответ на данный вопрос следует искать в самом названии проекта, основное предназначение которого состоит в том, чтобы придать импульс развитию технологий, не имеющих никакого отношения к собственно авиации.

Размах крыльев у него как у «Боинга-747», но вес автомобиля и мощность мотороллера. Речь идет о самолете «Solar ImpulseВнешняя ссылка», поднимающемся в воздух только тогда, когда это позволяют метеоусловия, а максимальная крейсерская скорость которого не превышает 90 километров в час. Понятно, что все эти технические характеристики отнюдь не выглядят привлекательными для мировых авиакомпаний, ежегодно перевозящих пять миллиардов человек со скоростью в десять раз большей.

Нынешние рейсовые авиалайнеры сжигают в секунду в среднем 11,5 тыс. литров авиационного топлива и огромное количество кислорода. С точки зрения охраны окружающей среды это настоящая катастрофа, и все равно: ведущие мировые авиаперевозчики не готовы пока переходить на солнечную энергию. Впрочем, «Solar Impulse» изначально и не задумывался в качестве какого-то «летательного аппарата будущего».

Еще в 2003 году Бертран Пикар (Bertrand Piccard), один из инициаторов создания «небесного тихохода» на солнечных батареях, заявил и с тех пор не устает повторять, что «цель проекта состоит создании яркого символа, который был бы в состоянии придать импульс духу новаторства и прогресса, продвинуть проекты и технологии, нацеленные на обеспечение перехода к возобновляемым источникам энергии».

Идти до границ возможного

В Швейцарии такие понятия, как «инновации» и «передовые технологии» тесно связаны с учреждениями высшего профессионального образования, например, с Высшей политехнической школой (EPFLВнешняя ссылка) в Лозанне, которая с самого начала поддерживала с проектом «Solar Impulse» тесные партнерские отношения.

«Такого рода проекты оказывают огромное стимулирующее воздействия на прикладные и фундаментальные научные исследования, побуждают людей идти до границ возможного и даже дальше, создавать вещи, ранее немыслимые», — объясняет Паскаль Вюйомене (Pascal VuilliomenetВнешняя ссылка), курирующий в EPFL сотрудничество со стратегическими партнерами.

Сочетание учебной и прикладной инновационной деятельности — это одна из самых сильных сторон швейцарского вузовского и послевузовского образования. «Оно позволяет профессорам, ассистентам и студентам из различных лабораторий работать совместно и налаживать связи, которые сами по себе, скорее всего, никогда не возникли бы», — убежден Паскаль Вюйомене.

Еще одна кругосветка

Бертран Пикар и Андре Боршберг отнюдь не являются первопроходцами в деле организации кругосветных путешествий с использованием солнечной энергии. Задолго до них то же самое проделала швейцарская команда «Planet SolarВнешняя ссылка». Речь, правда, в данном случае шла о путешествии не по воздуху, а по волнам мирового океана.

В период с 27 сентября 2010 г. по 4 мая 2012 г. их судно, выйдя из гавани княжества Монако, преодолело 60 тыс. километров пути. Завершив свой кругосветный переход, этот уникальный корабль служит сегодня в качестве научной лаборатории и одновременно своего рода «пиар-агентства», рекламирующего преимущества возобновляемых источников энергии.

«Фундаментальная разница с „Solar Impulse“ состоит в том, что самолет стал машиной, полностью разработанной и построенной в лабораторных условиях. А вот корабль мы тогда смонтировали из деталей, которые можно найти и купить фактически на любом строительном рынке», — говорит Паскаль Гулпи (Pascal Goulpié), директор и один из основателей проекта «Planet Solar»

«Нашей целью было показать, что и с уже имеющимися технологиями и материалами мы вполне способны совершить кругосветное путешествие на корабле весом почти в 100 тонн, не использовав при этом ни единой капли бензина». По его мнению, оба проекта вполне взаимно дополняют друг друга.

«Как в том, так и в другом случае речь идет о продвижении технологий чистой и возобновляемой энергии. Мы, например, были рады, что оба пилота солнечного самолета присутствовали в Монако в торжественный момент нашего возвращения из кругосветного путешествия».

«Мы тоже не считаем „Planet Solar“ кораблем будущего», — подчеркивает Паскаль Гулпи. «Но он помогает понять главное: на Земле есть достаточно мест, пригодных для развития и использования солнечной энергии. Будущее для меня — это сочетание различных источников энергии, таких, как солнце и ветер, не исключая на каком-то этапе и минеральное топливо».

«Кроме того, это привлекает к нам и перспективных абитуриентов. Например, старшеклассник, который не очень хорошо представляет себе, что делает, скажем, инженер-технолог, может прийти к нам и во всем разобраться на конкретных примерах». Одним из таких примеров как раз и является «Solar Impulse». Ведь в ходе проектирования и последующей сборки самолета инженерам пришлось решать огромное количество самых разных прикладных технических задач.

Как на обычной кухне

Одна из них была связана с необходимостью сделать его корпус одновременно легким и очень прочным, а это значит, что используемые материалы должны были быть очень устойчивыми к разного рода внешним воздействиям, противодействуя скручиванию, сжатию или растяжению, но при этом они были обязаны соответствовать очень жестким предельным нормативам по весу.

Обеспечить решение такой задачи способны сейчас только так называемые композиционные материалы. А потому EPFL наладил кооперацию с двумя фирмами, работающими в сфере композитов. Перспективный стартап «North TPT» производит основной материал, из которого сделан самолет, смешивая особые смолы и углеродное волокно. Вторая компания, фирма «Decision SA», использует вышеупомянутый композитный материал уже для производства отдельных деталей и конструкционных элементов корпуса.

«У нас в EPFL есть две лаборатории, работающие над оптимизаций композитных материалов», — говорит Паскаль Вюйомене. «Здесь все немного как на обычной кухне: каждая деталь подвергается процедуре обжига, точно рассчитанной по времени, давлению и температуре. В результате фюзеляж самолета получился прочнее и легче, чем корпуса обычных летательных аппаратов сравнимой категории. В будущем накопленный нами опыт пригодится, например, при строительстве нового поколения морских судов или космических спутников».

Максимальная мощность и неожиданная польза

Фотоэлементы, которыми покрыты крылья самолета, сами по себе не являются чем-то необычным или революционным. Однако и они тоже должны были быть как можно более легкими, если учесть, что общее их количество составило солидную цифру в 17 248 штук. А еще ни в коем случае нельзя было помещать их под стеклянное покрытие, как это делается обычно на крышах зданий.

Поэтому для защиты фотоэлементов был использован специальный сверхлегкий пластик, гибкий и прозрачный, разработанный бельгийским концерном «Solvay». Этот опыт также вполне может быть использован в отраслях, не имеющих напрямую никакого отношения к авиации, например, в области капитального строительства. А еще, как бы «мимоходом», бельгийцы создали новые аккумуляторные элементы, позволяющие при том же весе батареи увеличить ее энергоемкость на показатель от 2 до 10%.

Мощность самолета, как уже упоминалось, не превышает мощности обычного мотороллера, а потому перед инженерами стояла задача использовать имеющуюся энергию как можно более эффективно, избегая непроизводительных потерь. Ученым невшательской компании «Etel» совместно со специалистами из EPFL удалось повысить КПД «солнечного самолета» до солидных 96%. «Это настоящий рекорд», — справедливо отмечает Паскаль Вюйомене. Конечно, по сравнению с обычными электромоторами данные цифры не являются столь уж большим выигрышем.

«Однако без столь исключительных проектов, как „Solar Impulse“, мы бы не смогли найти возможность инвестировать средства, время и усилия, необходимые для того, чтобы добиться такого приращения КПД. В результате мы обрели новое, пусть и очень небольшое, знание, которые можно будет использовать с пользой и за пределами сферы, связанной с авиационной техникой».

А польза эта бывает порой совершенно неожиданной. Так, например, крупнейшая швейцарская фирма-производитель лифтов, эскалаторов и движущихся тротуаров «Schindler», еще один партнер солнечного самолета, недавно разработала первый… лифт, который работает на солнечной энергии. Основой этого прикладного проекта стали инженерные и технические решения, выработанные командой Бертрана Пикара в сотрудничестве с учеными EPFL.

Пилот не дремлет!

В заключение заглянем в кабину пилота. С самого начала инженерам и ученым было понятно, что самочувствию пилотов необходимо уделять особое внимание с учетом нагрузок, которые придется испытывать летчикам в воздухе. Речь идет, прежде всего, о дефиците сна.

«В кабине мы установили систему специальных датчиков, измеряющих частоту дыхания и сердечного ритма и отслеживающих параметры мозговой активности пилота, а также камеры, фиксирующие движения глаз и мышц подбородка», — говорит Эммануэль Барро (Emmanuel Barraud), пресс-секретарь EPFL.

«Для согласованного управления всей этой аппаратурой мы разработали уникальный микрокомпьютер, очень легкий и использующий крайне мало энергии. Проблема заключалась в том, чтобы „обучить“ его различать оттенки тех или иных действий пилота. Скажем, он может на мгновение прикрыть глаза, например, защищаясь от солнца. Компьютер должен понимать, что речь в данном случае идет о штатной ситуации, и никакого вмешательства с его стороны не требуется.

Но вот если пилот на самом деле вдруг начнет засыпать вне времени, отведенного для отдыха, то тогда компьютер должен будет уловить и проанализировать информацию, говорящую о наступлении фазы сна (расслабление мускулатуры подбородка, замедление пульса) и подать сигнал тревоги. Такая технология может быть в будущем применена в области автомобилестроения».

Итак, автопромышленность, строительство, солнечные батареи, спутники, лодки, лифты, аккумуляторы, электродвигатели, и может быть даже элементы искусственного разума? Ясно одно: идеи и решения, возникшие в ходе реализации проекта «Solar Impulse», потенциально способны придать техническому прогрессу довольно значительное ускорение.

Перевод на русский и адаптация: Людмила Клот