Nasz świat z roku na rok zużywa coraz więcej energii. Tylko w 2022 było to 180 000 terawatogodzin energii – to równowartość 6 litrów ropy naftowej zużywanej przez każdego człowieka na naszej planecie każdego dnia. Tak wysokie zużycie energii skutkuje poważnymi globalnymi problemami związanymi z bezpieczeństwem międzynarodowym, niestabilnością gospodarczą, zanieczyszczeniami i zmianami klimatycznymi.
Jak poprawić spalanie? Liczby!
Turbiny gazowe stanowią 14% światowego zużycia energii, więc musimy zdać sobie sprawę, że uzyskanie zaledwie 1% ulepszeń termodynamicznych ma już ogromny wpływ!
Wyobraźmy sobie, że istnieje technologia, która może poprawić spalanie o 5%, a co z 10%?
Cóż, istnieje technologia, która może potencjalnie poprawić wydajność termodynamiczną o 15%.
RDE – nowa nadzieja
Spalanie było zawsze najważniejszym procesem uwalniania i przekształcania energii – niezależnie od tego, czy mówimy o wytwarzaniu energii elektrycznej, transporcie czy eksploracji kosmosu.
W silnikach spalinowych staramy się najpierw sprężyć powietrze, a dopiero potem zapalić paliwo. Dzięki takiemu podejściu osiągamy wyższą sprawność spalania, czyli uzyskujemy więcej energii z tej samej ilości paliwa. Obecne technologie osiągnęły jednak już kres swoich możliwości. Zwiększanie ciśnienia kosztuje zbyt wiele, a ponadto sprzyja emisji toksycznych tlenków azotu.
Dlatego w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa pracujemy nad procesem spalania ze wzrostem ciśnienia, wykorzystywanym w nadchodzącej rewolucji.
Są to silniki z wirującą detonacją, w skrócie RDE (ang. Rotating Detonation Engines).
Czym jest wirująca detonacja?
Kiedy myślimy o detonacji, wyobrażamy sobie potężne i niebezpieczne zjawisko z falami uderzeniowymi przemieszczającymi się z ogromną prędkością, spalającymi i niszczącymi wszystko na swojej drodze. W naszym instytucie pracujemy jednak nad okiełznaniem tego niezwykłego zjawiska.
Jeśli wprowadzimy utleniacz i paliwo do komory spalania w odpowiedni sposób, możemy uzyskać samonapędzający się proces wirującej detonacji.
Jakie są zalety silników z wirującą detonacją?
1. Spalanie przy podwyższonym ciśnieniu -poprawia sprawność silnika.
2. Detonacja jest tysiąc razy szybsza niż tradycyjne spalanie – pozwala znacznie zminiaturyzować komory spalania, a szybka reakcja spalania, nie pozwala wywiązywać się toksycznym tlenkom azotu.
3. Wodór. Paliwo przyszłości doskonale nadaje się do silników wykorzystujących zjawisko wirującej detonacji.
Przyszłość lotów hipersonicznych będzie możliwa właśnie dzięki RDE.
Pracujemy nieustannie nad rozwojem tej nowej technologii, ale wciąż istnieją pewne wyzwania związane z RDE: pomiary, transfer ciepła, wibracje i hałas. RDE jest wczesną technologią, jednak osiągnęliśmy kilka znaczących kroków w rozwoju takich silników.
Wirująca detonacja w lotnictwie i kosmonautyce
Jeśli chodzi o eksplorację kosmosu, wyobraźmy sobie silnik rakietowy z wirującą falą detonacyjną w środku. Brzmi jak odległa przyszłość? Nie do końca. Pierwszą rakietę napędzaną RDE wystrzeliliśmy zaledwie kilka lat temu, a dla nas to dopiero początek.
W lotnictwie najczęściej stosowanym paliwem jest obecnie nafta. Jednak ciecze są dość trudne w uzyskaniu stabilnego procesu detonacji. Włożyliśmy więc trochę wysiłku i udało nam się zainicjować i utrzymać stabilną detonację w mieszaninie powietrza i ciekłej nafty.
Obecnie jesteśmy dość zaawansowani w pracach nad silnikiem, który mógłby napędzać samolot poruszający się z prędkością dwukrotnie większą od prędkości dźwięku.
dr inż. Michał Kawalec – ekspert ds. wirującej detonacji
inż. Maksymilian Augustyn – ekspert ds. wirującej detonacji
