Авиатопливо из кокосового масла показало эффективность на уровне керосина в испытаниях двигателя

(Фото: Yuriy Ivanovskiyo / Shutterstock)

Коротко

• Биотопливо на основе кокосового масла в смеси со стандартным авиакеросином показало тепловую эффективность, сопоставимую с чистым авиакеросином, при испытаниях в реактивном двигателе.
• Более высокая доля биотоплива в смеси снижала выбросы несгоревших углеводородов — исследователи связывают это отчасти с тем, что в биотопливе отсутствуют ароматические соединения, характерные для обычного керосина.
• Концентрация углекислого газа в выхлопе оставалась на уровне чистого керосина во всех протестированных смесях.

Кокосовое масло давно используется на кухне и в косметике, но теперь исследователи предлагают всерьез рассмотреть его в качестве топлива для реактивных двигателей. Новое исследование показало, что авиационное биотопливо на основе кокосового масла способно приводить в действие небольшой реактивный двигатель почти с той же эффективностью, что и традиционное авиатопливо, при этом снижая выбросы несгоревших углеводородов — правда, смеси расходуются быстрее и дают немного больше угарного газа.

Авиация обеспечивает заметную долю глобальных выбросов углекислого газа, и в последние годы давление на отрасль с целью найти более чистые виды топлива усилилось. Международная организация гражданской авиации (ICAO) назвала устойчивое авиатопливо (SAF) наиболее эффективной из доступных стратегий сокращения углеродного следа авиации. Однако многие существующие методы производства SAF сами по себе энергозатратны и дороги, что снижает экологическую выгоду. Новое исследование, опубликованное в журнале Fuel, сосредоточено на подходе к производству, призванном полностью обойти эту проблему за счет технологии, требующей гораздо меньше энергии на этапе создания топлива.

Исследователи из Университета города Осака протестировали биотопливо, произведенное из кокосового масла, так называемым «сорастворительным методом» — процессом, при котором ацетон смешивается со спиртом и кокосовым маслом, что позволяет получить биотопливо высокой чистоты без сильного нагрева и давления, необходимых при обычных методах производства. Помимо самого производства, команда сожгла топливо в небольшом реактивном двигателе, измерив как рабочие характеристики двигателя, так и состав выхлопных газов.

Более экологичный способ получения авиатоплива из кокосового масла

Большинство маршрутов производства SAF включают интенсивные промышленные процессы, в том числе этапы высокотемпературного рафинирования, которые «съедают» энергию из жизненного цикла топлива еще до первого полета. Сорастворительный метод работает иначе. Добавление ацетона к смеси спирта и кокосового масла позволяет обычно несовместимым жидкостям равномерно смешиваться и полностью реагировать при относительно низких температурах, давая биотопливо чистотой свыше 97%.

Сам кокос обладает практическим преимуществом как сырье. Примерно 30% кокоса выбрасывается после извлечения внутренней влаги в процессе переработки. В исследовании использовалось масло из материала, который авторы описывают как отходы и несъедобные части — крупные семена и остатки мякоти, то есть топливо производится из частей культуры, которые иначе оказались бы выброшены. Процесс также дает биодизель, пригодный для транспорта и морских судов, а также высококачественный глицерин в качестве побочного продукта.

Было произведено и испытано два типа биотоплива: одно на основе метанола, другое — на основе этанола. Оба топлива на растительной основе обычно изучаются применительно к дизельным двигателям, но в этом исследовании их поведение оценивалось именно в реактивном двигателе — вопрос, которому ранее уделялось сравнительно мало внимания.

Внутри двигателя: как топливо из кокосового масла ведет себя на практике

Топливо испытывали в небольшом коммерческом реактивном двигателе, способном развивать до 130 000 оборотов в минуту. Биотопливо смешивали с обычным керосином в пропорциях 10%, 30% и 50% по объему, после чего двигатель прогоняли на разных оборотах. Измерялись расход топлива, эффективность двигателя и концентрации четырех загрязняющих веществ в выхлопе: несгоревших углеводородов, угарного газа, углекислого газа и оксида азота.

С точки зрения топливной эффективности смеси биотоплива требовали больше топлива для создания той же тяги. На 80 000 оборотов в минуту смесь с 50% метанольного биотоплива расходовала примерно на 16,8% больше топлива, чем чистый керосин, а этанольная версия — примерно на 19,6% больше. Это объясняется тем, что биотопливо содержит меньше энергии на килограмм, чем керосин, поэтому для поддержания той же мощности его требуется сжигать больше.

Несмотря на больший расход топлива по массе, смеси преобразовывали тепло в полезную работу с показателями, сопоставимыми с чистым керосином. На 100 000 оборотов в минуту тепловая эффективность смеси с максимальной долей биотоплива отличалась от чистого керосина лишь незначительно, а тяга оставалась стабильной при всех протестированных пропорциях смеси.

Что показывает выхлоп

Именно в выбросах авиатопливо на основе кокосового масла демонстрирует одни из самых обнадеживающих результатов. Увеличение доли биотоплива в смеси стабильно снижало выбросы несгоревших углеводородов. При 50%-й доле биотоплива концентрация углеводородов в выхлопе снижалась примерно на 5–40% по сравнению с чистым керосином, в зависимости от оборотов двигателя. По мнению исследователей, снижение отчасти связано с составом топлива, поскольку биотопливо из кокосового масла не содержит кольцевых ароматических углеводородных молекул, присутствующих в обычном авиакеросине.

Выбросы углекислого газа оставались на уровне, сопоставимом с чистым керосином, при всех протестированных пропорциях смеси. Хотя более высокое содержание биотоплива увеличивало общий расход топлива, содержание CO2 в выхлопе росло непропорционально. Исследователи предполагают, что это может указывать на то, что часть биотоплива покидает двигатель несгоревшей — вопрос, отмеченный ими как требующий дальнейшего изучения.

Выбросы угарного газа, продукта неполного сгорания, при более высоких долях смеси действительно немного возрастали. 50%-я смесь давала примерно на 3–17% больше угарного газа, чем чистый керосин, в зависимости от оборотов двигателя. Исследователи связывают это с тем, что биотопливо труднее воспламеняется, чем керосин, и содержит меньше энергии — оба фактора способны создавать в камере сгорания богатые топливом зоны с нехваткой кислорода.

Выбросы оксида азота, способного способствовать разрушению озонового слоя на большой высоте, в целом были сопоставимы у смесей биотоплива и чистого керосина. 30%-я смесь на основе метанола показала концентрацию оксида азота на 20–30% ниже, чем у чистого керосина, при всех протестированных режимах работы — результат, который, по словам авторов, требует дальнейшего изучения для полного объяснения.

Какие сложности еще предстоит решить

Между этим биотопливом и его рутинным применением в самолетах стоит еще ряд практических препятствий. Биотопливо на основе кокосового масла поглощает атмосферную влагу при хранении, подвержено постепенному окислению со временем и может вызывать легкую коррозию металлических деталей. Нержавеющая сталь, контактировавшая с метанольной версией топлива, показала следы ржавчины уже через одну-две недели. Авторы отмечают необходимость длительных испытаний в течение месяцев и лет, а также считают целесообразным изучить добавки-антиоксиданты и более герметичные емкости для хранения.

Содержание кислорода в биотопливе также выходит за рамки действующих международных стандартов сертификации авиатоплива, а значит, потребуется дополнительная химическая обработка, прежде чем это топливо сможет применяться в коммерческой авиации. Гидрирование могло бы привести уровень кислорода в соответствие с нормами, хотя исследователи признают, что этот процесс снизит выход топлива.

Биотопливо на основе кокосового масла пока не готово стать полноценной заменой традиционному авиакеросину, но результаты исследования дают весомый аргумент в пользу дальнейшей разработки этой идеи. Если производственные преимущества подтвердятся, а оставшиеся проблемы с качеством топлива удастся решить, кокосовое масло может стать еще одним кандидатом в поисках авиацией менее вредного для окружающей среды топлива — на этот раз родом из тропического ореха.