หนทางสู่ นวัตกรรมการบิน ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เครื่องบินขนาดเล็กที่ใช้แบตเตอรี่กำลังจะเกิดขึ้น แต่การสร้างเครื่องบินขนาดใหญ่ที่ปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์คือความท้าทายใหญ่หลวง

ข้อเท็จจริงและตัวเลขชุดหนึ่งคอยแต่จะผุดขึ้นในใจ ขณะที่ผมพูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญด้านการบินว่า การบินพาณิชย์จะมีวันที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมได้หรือไม่ ข้อเท็จจริงก็คือ เทคโนโลยีรักษ์โลกทั้งหมดเท่าที่เราคิดได้ บนภาคพื้นดินจะแทบไม่มีประโยชน์อะไรบนฟากฟ้าในเวลาอันใกล้ ทั้งแผงเซลล์สุริยะ กังหันลม เครื่องยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่กักเก็บพลังงานสูง เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ระบบขนส่งด้วยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (magnetic levitation) ทั้งหมดนี้ หากพูดตรงๆ ก็คือไร้ประโยชน์ในปัจจุบัน เมื่อพูดถึงความท้าทายทางเทคโนโลยีในการนำคนไม่กี่ร้อยคน ขึ้นสู่บรรยากาศชั้นสแตรโทสเฟียร์ และพาพวกเขาเดินทางหลายพันกิโลเมตร ส่วนตัวเลขก็คือ ประชากรกว่าร้อยละ 80 ของโลกไม่เคยขึ้นเครื่องบินเลยด้วยซ้ำ

ความเกี่ยวข้องระหว่างข้อเท็จจริงกับตัวเลขนี้ คือหัวใจของปัญหาที่สายการบินต่างๆและผู้ผลิตอากาศยาน กำลังเผชิญ ระหว่างขบคิดภารกิจสำคัญในการหาวิธีลดการปล่อยคาร์บอน การบินอาจเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมได้ แต่ไม่ใช่ในเร็ววันนี้ และไม่ครอบคลุมเท่าการขนส่งภาคพื้นดิน ถึงอย่างนั้น ความเร็วในการก้าวไปสู่เส้นทางนี้ของอุตสาหกรรมการบินอาจส่งผลกระทบต่อภาพลักษณ์และรายได้ เมื่อผู้สนับสนุนการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมออกมาเตือนว่า การบินคือตัวการใหญ่ที่ยากจะยอมรับได้ของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ อัตราความก้าวหน้าที่นำไปสู่เส้นทางสะอาดบนท้องฟ้าอาจถึงกับทำให้นักเดินทางตั้งคำถามว่า การบินเป็นเรื่องผิดจริยธรรมหรือไม่ไปเลย

เครื่องบิน, ปีกเครื่องบิน — ฟลายอิง-วี ที่พัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ในเนเธอร์แลนด์ เข้ารับการทดสอบในอุโมงค์ลม การออกแบบแหวกแนวที่เรียกว่าปีกผสานตัวเครื่อง อาจทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องบินแบบเดิมร้อยละ 20

“เราก็แค่ต้องไปให้ถึงจุดนั้นค่ะ” เจนนิเฟอร์ โฮล์มเกรน ซีอีโอของแลนซาเทค บริษัทที่บุกเบิกการพัฒนาเชื้อเพลิงอากาศยานจากแหล่งที่มาไม่ธรรมดา เช่น ขยะ เพื่อทดแทนเชื้อเพลิงมาตรฐานอย่างน้ำมันก๊าด บอกและเสริมว่า “ทุกคนเห็นพ้องกันว่า สายการบินไม่อาจทำเป็นทองไม่รู้ร้อนบินด้วยน้ำมันก๊าดที่เป็นเชื้อเพลิงฟอสซิลต่อไป เรื่อยๆได้ เพียงแต่ปัญหานี้ไม่มีวิธีแก้แบบทันใจเหมือนร่ายมนตร์”

เรื่องนี้จำเป็นต้องพูดให้ชัดเจน พัฒนาการต่างๆที่เป็นความหวังในการผลิตเครื่องยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่และปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์เกิดขึ้นแล้วในการบินแขนงหนึ่ง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเดินทางที่จำกัดทั้งระยะเวลาและระยะทาง สายการบินต่างๆที่เชี่ยวชาญด้านการบินระยะสั้นด้วยเครื่องบินขนาดเล็กจะเป็นผู้นำด้านการบินด้วยไฟฟ้า

แอร์บัส, เครื่องบิน, การบิน — แอร์บัสทดสอบการบินสาธิตเต็มรูปแบบของซิตีแอร์บัส หรือมัลติคอปเตอร์ที่ใช้แบตเตอรี่สี่เหลี่ยมจัตุรัสสี่ก้อน

แต่ยังไม่มีการคิดค้นแบตเตอรี่ที่สามารถขับเคลื่อนอากาศยานขนาดใหญ่อย่างโบอิ้ง 747 ที่บินจากนิวยอร์ก ไปลอนดอนได้ การคำนวณของผู้เชี่ยวชาญที่ผมชอบมากเป็นของเดวิด อะเล็กซานเดอร์ ผู้อำนวยการฝ่ายมาตรฐานอวกาศยานของสมาคมวิศวกรรมยานยนต์ (Society of Automotive Engineering: SAE) เขาประมาณการว่าจะต้องใช้พลังงานจากแบตเตอรี่แล็ปท็อปคอมพิวเตอร์ 4.4 ล้านเครื่องเพียงแค่จะทำให้เครื่องบินลอยตัวได้ ยกเว้นแต่ว่าเครื่องบินนั้นจะบินไม่ขึ้น เพราะแบตเตอรี่จะหนักกว่าตัวเครื่องบินถึงเจ็ดเท่า หากเทียบน้ำหนักกันแบบกิโลกรัม ต่อกิโลกรัม เชื้อเพลิงเหลวให้พลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่เจ๋งที่สุดที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันอย่างมหาศาล

ในบรรดาหนทางที่มีศักยภาพต่างๆที่นำไปสู่แสงสว่างทางสิ่งแวดล้อมของการบิน ที่เร็วที่สุดอาจเป็น แลนซาเทค (LanzaTech) ด้วยการดักจับการปล่อยคาร์บอนจากโรงถลุงเหล็กของจีน นำมาผสมกับจุลชีพย่อยสลายเร็วซึ่งค้นพบในลำไส้ของกระต่าย ใส่น้ำและสารอาหารลงไป จากนั้นทิ้งไว้ให้เกิดการหมักเหมือนถังเบียร์ จนเกิดเอทานอล

ผลลัพธ์ที่ได้คือเชื้อเพลิงการบินยั่งยืน หรือซาฟ (sustainable aviation fuel: SAF) เมื่อนำไปผสมกับเจ็ตเอ [Jet A -น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานมาตรฐานในอุตสาหกรรมการบินสหรัฐฯ] ผลิตภัณฑ์ของแลนซาเทคก็นำเครื่องบินโบอิ้ง 747 ของสายการบินเวอร์จินแอตแลนติก บินจากเมืองออร์แลนโด รัฐฟลอริดา ไปลอนดอนได้เมื่อปี 2018

เฮลิคอปเตอร์, — มัลติคอปเตอร์ของแอร์บัสมีหน่วยขับเคลื่อนสี่หน่วย แต่ละหน่วยมีเครื่องยนต์สองเครื่องและใบพัดสองชุด ได้รับ การออกแบบให้บินอัตโนมัติได้ถึง 120 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ขนส่งผู้โดยสารสี่คนบนเที่ยวบินที่ใช้เวลาไม่เกิน 15 นาที

สำหรับตอนนี้ ซาฟ ที่ทุกคนในวงการเรียก ยังคงใช้ผสมกับเชื้อเพลิงมาตรฐาน แต่นี่ถือเป็นก้าวใหญ่ก้าวแรกที่นำไปสู่การลดรอยเท้าคาร์บอนของการบิน

แล้วความท้าทายคืออะไร ประการแรกคือราคาที่แพงมาก เชื้อเพลิงทางเลือกนี้มีต้นทุนสูงกว่าน้ำมันก๊าดสอง ถึงหกเท่า แม้การใช้ซาฟจะเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังน้อยนิดเหมือนหยดน้ำในทะเล ประการที่สอง อุตสาหกรรมไม่อาจพึ่งแหล่งวัตถุดิบที่ถูกที่สุดและง่ายที่สุดอย่างพืชผลทางการเกษตรได้ หากผู้ผลิตเชื้อเพลิงต้องนำที่ดินและแหล่งน้ำไปผลิตพืชอาหารที่เร่งด่วนกว่า การบินอาจแลกการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมกับอีกปัญหาหนึ่ง

ที่สำนักงานใหญ่ของแอร์บัสทางตอนใต้ของฝรั่งเศส มีจักรกลบินได้ที่ผลิตจากวัสดุผสม ไม่เหมือนเครื่องบินใดๆที่เคยเห็นบนท้องฟ้า อย่างน้อยก็นอกภาพยนตร์ไซไฟหรือคำบอกเล่าเรื่องยานยูเอฟโอ รูปร่างคร่าวๆของมันคล้ายกระเบนราหูตัวป้อม
เครื่องบินรุ่นที่รู้จักกันในชื่อ มาเวอริก เป็นอากาศยานต้นแบบที่มีช่วงปีกกว้าง 3.2 เมตร สำหรับแอร์บัส ซึ่งเป็นกลุ่มบริษัทของยุโรป การออกแบบเครื่องบินมาเวอริกอาจตอบคำถามเร้าใจที่ว่า มีวิธีการออกแบบเครื่องบินที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นหรือดีต่อโลกมากขึ้นหรือไม่

อากาศยาน, เครื่องบิน — วิศวกรของบริษัทลิเลียมในเมืองมิวนิก ประเทศเยอรมนี ทำงานใกล้แบบจำลองขนาดเท่าจริงของอากาศยานแบบ ขึ้นลงแนวดิ่งของบริษัทที่ใช้เครื่องยนต์ไอพ่นไฟฟ้า 36 เครื่อง ซึ่งออกแบบให้บรรทุกนักบินหนึ่งคนกับผู้โดยสารหกคนเดินทางไม่เกิน 250 กิโลเมตร หลายบริษัทกำลังพัฒนาอากาศยานไฟฟ้าแบบเดียวกัน โดยบางรุ่นขับเคลื่อนอัตโนมัติ เพื่อใช้เป็นแท็กซี่ลอยฟ้าและการบินในภูมิภาค ซึ่งเป็นภาคส่วนแรกๆ ของอุตสาหกรรมการบินที่จะ “รักษ์โลก” ก่อนส่วนอื่นๆ

การออกแบบเครื่องบินที่มีปีกผสานตัวเครื่องซึ่งใช้กับมาเวอริก แม้จะต้องฝ่าด่านความท้าทายทางเทคนิคมากมาย ก็อาจลดการปล่อยคาร์บอนได้สูงถึงร้อยละ 40 เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องบินที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ข้อได้เปรียบหลักของการออกแบบที่เพรียวลมก็คือ เครื่องบินทั้งลำจะทำหน้าที่คล้ายปีก ลดแรงต้านและช่วยให้การยกตัวทำได้ง่ายขึ้น ในเนเธอร์แลนด์ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ใช้หลักการเดียวกันนี้ออกแบบฟลายอิง-วี (Flying-V) หรืออากาศยานที่ดูคล้ายบูมเมอแรงอย่างมาก
แอร์บัสสร้างความฮือฮาในอุตสาหกรรมเมื่อปีที่แล้วด้วยการประกาศว่า กำลังผลิตเครื่องบินรุ่นหนึ่งที่จะใช้เวลาในการพัฒนาและทดสอบ 15 ปี โดยมีความสามารถน่าทึ่งประการหนึ่ง นั่นคือการบินที่ปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์

เช่นเดียวกับรถยนต์ไฟฟ้า การปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ไม่ได้แปลว่ามลพิษเป็นศูนย์เสมอไป ก็เหมือนการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ที่ต้องดูว่าเอาไฟฟ้ามาจากไหน แนวทางของแอร์บัสทำให้เกิดคำถามว่า จะสร้างและเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างไร

นวัตกรรมการบิน — แผงปีกบนขนาด 33.5 เมตรของโบอิ้ง 777เอกซ์รุ่นใหม่ ซึ่งห้อยอยู่บนเครนในโรงงานที่เมืองเอเวอเรตต์ รัฐวอชิงตัน ทำจากชั้นคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทำให้แข็งด้วยแรงดันและความร้อนสูง เครื่องบินรุ่นนี้มีช่วงกว้างของปีกสูงสุดในบรรดาเครื่องบินไอพ่นแบบสองเครื่องยนต์ ส่วนปลายปีกแต่ละข้างที่ยาว 3.7 เมตรต้องพับขึ้นเพื่อให้เครื่องบินจอดเทียบนเครื่องของสนามบินได้ ปีกที่ยาวขึ้นและเบาลงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล แต่สิ่งที่เรียกกันว่าไฮโดรเจนสีเขียว ซึ่งใช้ไฟฟ้าในการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน คือเป้าหมายสูงสุด ผู้สนับสนุนบอกว่า ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการขยายกำลังการผลิตจะทำให้ไฮโดรเจนสีเขียวขึ้นสู่ท้องฟ้าได้สำเร็จ

แต่มีปัญหาแทรกซ้อนอีกประการหนึ่ง นั่นคือ ไฮโดรเจนเหลวเช่นที่ใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐฯต้องใช้แรงอัดสูงเป็นพิเศษและเก็บในอุณหภูมิเย็นยวดยิ่งที่ติดลบ 253 องศาเซลเซียสเพื่อให้คงสถานะของเหลว ซึ่งเห็นได้ชัดว่าต้องใช้พลังงานมหาศาล ในทางตรงข้าม หากอยู่ในสถานะก๊าซ ไฮโดรเจนจะกินพื้นที่มหาศาลในเครื่องบิน เพราะถังเชื้อเพลิงจะต้องใหญ่ขึ้นมากเพื่อให้มีกำลังขับเคลื่อนเท่าน้ำมันก๊าด

ไม่ว่ากรณีใด อากาศยานที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะแตกต่างจากเครื่องบินปัจจุบันมาก และสนามบินจะต้องจัดหาโครงสร้างพื้นฐานใหม่เพื่อรองรับอากาศยานนี้ แอร์บัสยอมรับอุปสรรคเหล่านี้ แต่ยังคงมีความหวังกับความเป็นไปได้ต่างๆ

เรื่อง แซม ฮาว เวอร์โฮเว็ก

ภาพถ่าย ดาวีเด มอนเตเลโอเน

สามารถติดตามสารคดี อุตสาหกรรมการบินจะรักษ์โลกได้จริงหรือ ฉบับสมบูรณ์ได้ที่ นิตยสาร เนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก ฉบับภาษาไทย เดือนตุลาคม 2564

สามารถสั่งซื้อได้ที่ https://www.naiin.com/product/detail/533276