Mỗi bước tiến về mặt công nghệ đều mang lại những lợi thế cho sự phát triển của ngành hàng không thế giới. Vấn đề nguồn năng lượng để thực hiện chuyến bay đóng vai trò quan trọng, quyết định tầm hoạt động của mỗi phương tiện bay, thời gian hoạt động.

Ngày nay, trong tình trạng ô nhiễm của thế giới, các hãng hàng không  còn phải quan tâm đến một yêu cầu nữa của xã hội, đó là việc thực hiện các chuyến bay phải đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường.

Các phương tiện bay chạy điện đang ở trong giai đoạn thử nghiệm, với khả năng bay hạn chế, cả về sức tải và tầm hoạt động. Như vậy, lựa chọn tối ưu hiện nay, dường như là pin nhiên liệu. Vậy, pin nhiên liệu là gì?

Dù tạm dịch là pin, nhưng về thực chất, nó là một thiết bị có khả năng chuyển đổi hydro hoặc một số loại nhiên liệu khác như hydrocacbon, alcohol thành điện năng, sản phẩm thải ra là nước và nhiệt năng.

Hiện nay, có khoảng 20 loại pin nhiên liệu được ứng dụng rộng rãi với nhiều phương tiện vận tải, như tàu ngầm, tàu thủy, xe buýt, ô tô cho tới các tàu không gian. Ngành công nghiệp hàng không coi trọng pin nhiên liệu như là một phương thức tiên tiến nhằm cắt giảm chi phí và giảm phát thải khí độc ra môi trường.

Cơ chế hoạt động của một loại pin nhiên liệu.

Tiến sĩ Jim Kinder, trợ lý kỹ thuật của Boeing nói: “Từ quan điểm của chúng  tôi, công nghệ pin nhiên liệu mới chỉ ở trạng thái sơ khai. Chưa có bất kỳ công nghệ pin nhiên liệu đặc biệt nào là tốt nhất hiện nay. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm và phát triển trong số chúng, ví dụ như cách để cất giữ hydro trên phương tiện bay, sử dụng nước và nhiệt thải ra thế nào, cách chuyển hóa nhiên liệu lỏng thành hydro…”.

Balaji Srimoolnathan, thuộc công ty tư vấn Frost & Sullivan nhận định: “Chướng ngại vật chính trong việc áp dụng công nghệ pin nhiên liệu trong ngành hàng không thương mại, đó là vấn đề chi phí và kích cỡ. Cả hai đều quá lớn. Tôi nhận thấy, pin nhiên liệu vẫn chỉ có thể sử dụng với mục đích phụ trợ, ít nhất là đến năm 2020".

Thách thức của pin nhiên liệu

Vấn đề đầu tiên là tỷ trọng công suất, là tỷ lệ giữa công suất và trọng lượng của phương tiện bay. Theo tính toán của Boeing và Airbus, cần phải nâng mức hiện tại, từ mức hiện tại là 0,3 kW/kg lên khoảng 1 kW/kg để đảm bảo công nghệ có thể đáp ứng, chấp nhận với việc sử dụng tích hợp. Tuy nhiên, cùng với việc nâng tỷ suất, lượng nhiệt tỏa ra nhiều hơn đòi hỏi phải được kiểm soát tốt hơn.

Những thách thức trên cần các cơ quan phát triển hàng không vượt qua bằng các thực nghiệm để có thể sử dụng pin nhiên liệu. Vào năm 2008, hãng Boeing đã thử thành công loại tàu lượng động cơ sử dụng pin nhiên liệu hydro, nhưng mục đích chính là để chứng minh máy bay có người lái có thể ổn định độ cao bay với nguồn năng lượng duy nhất là pin nhiên liệu.

Mẫu máy bay sử dụng pin nhiêu liệu Phantom của Boeing.

Cùng năm 2008, hãng Airbus cũng có kết quả thử nghiệm tốt đẹp với chuyến bay thử sử dụng pin nhiên liệu để cấp điện cho hệ thống hỗ trợ và thủy lực của máy bay A320.

Việc sử dụng pin nhiên liệu với các phương tiện trên bộ gặp phải ít những vấn đề tranh cãi hơn, đó cũng chính là chìa khóa để áp dụng công nghệ này. Nhiều phương tiện sử dụng pin nhiên liệu như xe buýt, ô tô, với mức độ an toàn đã được kiểm chứng. Quá độ lên việc sử dụng pin nhiên liệu với các phương tiện đất có thể dễ dàng hơn nhiều so với việc sử dụng cho các chuyến bay.

Sơ đồ hoạt động của máy bay sử dụng pin nhiên liệu.

Tuy nhiên, một điều quan trọng là cần phải nhìn vào cả xu hướng phát triển công nghệ nói chung và từ nhiều góc độ. Mọi lợi thế trong một công nghệ không độc lập mà liên quan đến nhiều lĩnh vực. Ví dụ, máy bay Boeing 787 được thiết kế với vật liệu composite siêu nhẹ và mạng lưới phân phối năng lượng trên khoang, động cơ hiệu suất cao, thể hiện cho xu hướng thay đổi trong việc thiết kế máy bay.

Boeing, cùng với Hãng hàng không GE và một vài công ty khác vừa hoàn thành một nghiên cứu cho NASA với tên gọi N+3, một mãu thiết kế máy bay thương mại dành cho năm 2030, có khả năng đáp ứng các yêu cầu dành cho máy bay sử dụng pin nhiêu liệu. Thiết kế cần đảm bảo nhiều vấn đề kỹ thuật, như tỷ trọng công suất, nơi đặt động cơ, độ tin cậy, làm sao để lấy năng lượng từ chúng, hay chất liệu sử dụng trong pin nhiên liệu, đặc biệt là vấn đề tích hợp chúng vào khung máy bay.