כנף שמש: המטוס הסולארי צובר תאוצה

החודש, יחצה את ארצות הברית מטוס המונע בכוח השמש בלבד. ב-2015, הוא יקיף את כדור הארץ כולו

בבוקר ה-21 במרס, 1999, הנחיתו ברטרנד פיקארד ובריאן ג'ונס את הכדור הפורח שלהם במדבר במצרים, וסיימו את הטיסה המתמשכת הראשונה מסוגה מסביב לעולם. באמצע החגיגות, גילה פיקארד משהו מעט מטריד: מיכלי הפרופן הדרושים כדי לשמור את הכדור הפורח שלו באוויר היו כמעט ריקים. "אם הרוחות היו מעט יותר חלשות על האוקיינוס האטלנטי, היינו נאלצים לנטוש", הוא אומר. פיקארד החליט אז, להמציא דרך להקיף את הגלובוס בלי להשתמש בדלק בכלל.

החל מחודש מאי, יטיסו פיקארד ושותפו לסירוגין מטוס חד-מושבי מונע כוח סולארי מסן פרנסיסקו לניו-יורק – הקדמה לטיסה מסביב לעולם המתוכננת ל-2015. המטוס של פיקארד, הנקרא HB-SIA (מ-Solar Impulse Alpha), מתריס נגד עקרונות הטיסה הקונבנציונלית. כשהוא סיפר בהתחלה לאנשים אחרים על הרעיון שלו, "כמעט כולם חשבו שאני מטורף לחלוטין", הוא אומר. על אף שפורצי דרך כמו פול מקרידי בנו מטוסים סולאריים מאויישים כבר בשנות ה-70, אף אחד מהם לא היה מסוגל לטוס אחרי שהשמש שקעה, שלא לדבר על לחצות את האוקיינוס האטלנטי או הפסיפי במשך ימים רצופים.

המכשול הוא משקל. על מנת לטוס במשך הלילה, המטוס צריך לשאוב אנרגיה מסוללות שנטענו במהלך היום. אבל סוללות מחזיקות הרבה פחות אנרגיה לק"ג ממיכל דלק מטוסים, לכן המטוס חייב לשאת יותר משקל בסוללות כדי לטוס מרחק שווה. מטוס כבד יותר זקוק ליותר אנרגיה כדי לטוס, ולכן הוא דורש יותר סוללות. הוסיפו לכך תא טייס וטייס והמטוס עלול להיות כבד מכדי להצליח להמריא. זאת הסיבה שמחקר כלי טיס סולאריים התמקד בדרך כלל בכלים בלתי מאויישים, כמו הכנף הטסה Helios של נאס"א.

טיסה קלה הטייס ברטרנד פיקארד (מימין) ב-2012, לאחר שחצה את הים התיכון במטוס סולארי. כנף המטוס (משמאל) בנוייה מתומכות וקורות עשויות סיבי פחם

פיקארד, פסכיאטר וטייס שווייצרי, בא ממשפחת הרפתקנים שלא נרתעים מאתגרים: בשנות ה-60 ביצע אביו, ז'אק, את המסע הראשון אל הנקודה העמוקה באוקיינוס; ב-1931 היה סבו, אוגוסט, טייס הכדור הפורח הראשון להגיע לסטרטוספרה. פיקארד המשיך לקדם את רעיון המטוס הסולארי שלו, וב-2003 הסכים המכון השווייצרי הפדרלי לטכנולוגיה בלוזאן (EPFL) לנהל מחקר יתכנות רשמי. הוא הגיע למסקנה שמטוס אולטרה-לייט, עם מוטת כנפיים ארוכה, שיפחית גרר ויתמוך בתאים סולאריים – עשוי לעבוד. אנדרה בורשברג, הטייס והמהנדס שהוביל את מחקר ה-EPFL, הצטרף לפיקארד כדי לייסד באופן רשמי את Solar Impulse, והם התחילו לגייס תורמים עסקיים ופרטיים כדי לסייע במימון פרויקט שיצרוך 130 מיליון הדולר בעשר שנים.

בהתחלה נתקלו השניים בקושי למצוא קבלן מטוסים שיבנה את המטוס. אף אחד מהיצרנים לא חשב שזה אפשרי, לכן הם אספו צוות מגוון של מהנדסים משלהם. "אני חושב שיש לנו יותר אנשים מחוץ לתחום הטיס מאשר מתוכו", אומר בורשברג. לראש צוות פיתוח המטוס של Solar Impulse, רוברט פרייפל, יש רקע במירוצי פורמולה אחד. אחרים מגיעים מתעשיות כמו ייצור תאים פוטו-וולטאים ויציקות. "במובנים מסויימים, לעובדה שהם לא היו מנוסים מדיי היה יתרון גדול ", אומר בורשברג. "כשאתה בעל ניסיון, אתה חוזר אל הפתרון שאתה מכיר".

מסלול טיסה

במהלך היום המטוס הסולארי מטפס לגובה הנע בין 8,200 ל-8,500 מ'. כשהשמש שוקעת, הפרופלורים מאטים כדי לחסוך אנרגיה, והמטוס יורד באיטיות לגובה 1,370 מ'. הוא נשאר בגובה הזה עד שהשמש זורחת והסוללות מתחילות להיטען מחדש. מטאורולוגים בצוות משתמשים בסימולציות כדי לקבוע את הזמן המיטבי במהלך היום כדי להתחיל לטפס, כשהם לוקחים בחשבון רוחות ועננות צפויים.

-הסוללות בדרך כלל נטענות במלואן כשהמטוס מגיע לגובה שיוט.
-גובה רב מסייע לשמור את המטוס מעל כל תנאי מזג אוויר ומכין את הגובה לדאיית הלילה.
-אחרי השקיעה, המנועים מפחיתים כוח והמטוס יורד לגובה 1,370 מ'.
-בעלייה, המטוס משתמש בשליש מקיבולת הייצור שלו.
-בהנמכה המטוס כמעט ואינו צורך אנרגיה – 300 וואט בלבד.

הצוות החליט לבנות את צלעות המסגרת והכנף מסיבי פחם בלבד (המיוצר על ידי חברה שבונה יאכטות) המחוברות על ידי ברגי ואומי פלסטיק משופר. החומרים קלים, אך חזקים מספיק כדי לתת ל-HB-SIA מוטת כנפיים של 63 מ' – כמעט בדיוק כמו זו של מטוס נוסעים איירבוס A340-500. אך המטוס שוקל רק מעט יותר מ-1,587.5 ק"ג, פחות מאחוז אחד המשקל של איירבוס וכ-900 ק"ג פחות מרכב שטח טיפוסי.

כדי להניע את המטוס, ציפו המהנדסים את פני הכנף הראשית והמייצב האופקי בכמעט 12,000 תאים סולאריים מסיליקון. התאים מייצרים בממוצע 50 קילו-וואט במהלך 24 שעות, ושולחים חשמל ישירות אל המנועים כשהמטוס בטיסה ומפנים את האנרגיה העודפת לארבע סוללות ליתיום-פולימר. מערכת ניהול סוללות מבטיחה שהסוללות לא יתקררו יתר על המידה – עובדה שתפחית את היעילות שלהן -או יתחממו בצורה מסוכנת.

בסוף 2009, לאחר ארבע שנות תכנון ושנתיים של בנייה, ביצע המטוס את "קפיצת הפרעוש" הראשונה שלו – וטס 350 מ' בשדה תעופה בובנדורף, שוויצריה -. המבחן האמיתי התרחש ביולי 2010, כשבורשברג הטיס את המטוס למשך הלילה בפעם הראשונה מעל פאירן, שווייצריה. "לא ידענו בדיוק איך המטוס יתנהג", הוא אומר. "האם נשתמש ביותר אנרגיה ממה שתכננו? האם נתקל במשבי רוח נגדיים?". בלי טייס אוטומטי, הוא ישב והטיס את המטוס למשך 26 שעות ברציפות, תוך שימוש בטכניקות יוגה כדי להתמתח בתא הצפוף. כשהוא נחת, הוא קבע ארבעה שיאים, כולל הגובה הרב ביותר למטוס סולארי מאוייש, בגובה 9,235.4 מ', והטיסה הסולארית הארוכה ביותר, ב-26 שעות, 10 דקות ו-19 שניות.

פרופיל אווירודנמי הצוות מעמיס (מימין) את כנף המטוס הסולארי HB-SIA, שאורכה 63 מ', אל תוך חרטומו של בואינג 747. כשהוא ינחת בסן פרנסיסקו מהנדסים יבנו את המטוס מחדש כדי שיוכלו לצאת בתחילת החודש לטיסת חוף אל חוף. משמאל: המטוס טס מעל שווייץ ב-2011

אב-טיפוס ה-HB-SIA הוכיח שקונספט המטוס של הצוות מעשי – אבל הוא לא יכול לטוס מסביב לעולם. במהירויות הנמוכות של טיסה סולארית – ה-HB-SIA טס בכ-69 קמ"ש- פיקאד מעריך שזה יקח שלושה ימים של טיסה רצופה כדי לחצות את האוקיינוס האטלנטי וחמישה או שישה נוספים כדי לחצות את האוקיינוס הפסיפי. זה דורש מטוס עם מערכות כפולות ותא טייס ארגונומי יותר, שיאשר לטייס לישון; יעילות גבוהה יותר כדי לייצר יותר מאגרי אנרגיה; ומכשירי אלקטרוניקה עמידים לדליפות בתנאי לחות. וכך, נמצא צוות ה-Solar Impulse באמצע הדרך לסיים את בניית ה-HB-SIB. "המטוס הראשון בנוי בטכנולוגיה של 2007. המטוס השני בנוי בטכנולוגיה של המחר", אומר פיקארד.

ל-HB-SIB, הגדול ב-11 אחוז מקודמו, יהיה טייס אוטומטי, מנועים חשמליים יעילים יותר ושלד הבנוי מסיבי פחם קלים אף יותר. לסוללות תהיה צפיפות אנרגיה גבוהה יותר הודות לאלקטרוליטים ואלקטרודות חדשות שפותחו על ידי Solvay ו- Bayer MaterialScience- טכנולוגיה שהועברה כבר לרכבים חשמליים ומכשירי אלקטוריניקה צרכניים. שתי החברות פיתחו גם קצפי פוליאוריתן קשיחים לביצועים מתקדמים עבור קצוות הכנפיים של המטוס ובידוד לתא הטייס ש-Bayer משתמשת בו עכשיו במקררים ובתעשיית הבנייה.

פיקארד מרוצה שהפרויקט שלו עודד יצירת טכנולוגיות שעשויות לקדם תעשיות אחרות, אבל הוא גם מקווה ש-Solar Impulse יעורר את המרדף אחר אנרגיה מתחדשת. "פעמים רבות כשאנחנו מדברים על הגנה על הסביבה, זה משעמם", אומר פיקארד. "מדובר בפחות ניידות, פחות נוחות, פחות צמיחה". במקום אלה, הוא מקווה להוכיח שניצול הפוטנציאל של השמש יביא ליותר חופש.

מבנה המטוס

1. מסגרת

המהנדסים בנו את השלד הקל במיוחד של המטוס באמצעות שכבות של סיב פחם שמוקמו על תומכות וקורות. קצף קל וקשיח בונה את קצות הכנפיים ומבודד את הגונדולות ואת תא הטייס.

2. כנף

מוטת הכנפיים הארוכות והצרות של המטוס היא 63 מ'. אורכן מפחית את הגרר וממקסם את היעילות האווירודינמית, כמו גם מספק פני שטח נרחבים ל-10,748 פאנלים סולאריים.

3. תאים סולאריים

התאים הסולאריים, העשויים מסיליקון מונוקריסטלי בעובי 150 מיקרונים בלבד, מכסים 200 מ"ר משטח המטוס. הם ממירים את אנרגיית השמש לחשמל ביעילות של 22 אחוז.

4. כלים

בגלל מוטת הכנפיים הגדולה והמהירות הנמוכה שלו – כ-69 קמ"ש – המטוס יכול לנטות רק עד חמש מעלות, הרבה פחות ממטוס קונבנציונלי. כלי האומגה מודד בדיוק זוויות פנייה וגורם לרטט בהגה אם הטייס מטה את המטוס יותר מדיי.

5. תא טייס

יש מקום רק לטייס אחד בתא הטייס, והוא חייב להישאר ישוב. הוא שולט במטוס באמצעות ג'ויסטיק, מוט הגה וארבעה מנופים.

6. גונדולות

כל אחת מארבע הגונדולות (התאים), הממוקמות מתחת לקורת הכנף, מכילה מארז סוללה, מנוע חשמלי עשרה כ"ס ותיבת הילוכים שמפעילה פרופלור ב-400 סל"ד. על ידי חלוקת משקל הסוללות, הגונדולות מפחיתות גם את המשקל המבני.

7. סוללות

מארזי סוללות הליתיום-פולימר, שמשקלם הכולל 400 ק"ג, מהווים רבע ממשקל המטוס. הסוללות יעילות במיוחד, ואוגרות כ-240 וואט-שעות לק"ג.
תאריך מוכנות מוערך: טרם נקבע
 

עוד על חידושים בגליון יולי של popular science ישראל – למבצע היכרות מיוחד לגולשי HWzone.co.il