Экологи обвиняют авиационную отрасль в том, что появляется все больше свидетельств ее разрушительного воздействия на изменение климата, поскольку она экологически совершенствуется слишком медленно.
Чтобы соответствовать строгим экологическим нормам и бороться с растущими расходами на топливо, аэрокосмические компании стремятся к сокращению выбросов и обеспечению стабильного дохода. Одним из приоритетов для всей отрасли является то, как сделать авиацию более устойчивой - сделать полет чище, «зеленее» и тише, чем когда-либо прежде. Из работ ведущих ученых в данной области известно, что благодаря биомимике мы получаем от природы практические уроки.
Идея создания экологически безопасного и экономически эффективного самолета
С помощью современных технологий могут проектировать более экономичные самолеты с улучшенными характеристиками двигателя, меньшим весом и сниженным сопротивлением. В результате пользователи могут сэкономить миллиарды долларов на топливе и уменьшить выбросы токсичных на сотни тысяч тонн.
Международная организация гражданской авиации ИКАО (от англ. ICAO — International Civil Aviation Organization) принимает действенные меры для сокращения негативного воздействия авиации на окружающую среду. Для этого разрабатываются новые стандарты, ужесточающие требования к эксплуатируемым самолетам по авиационному шуму и выбросам, а также расширяется список авиационных требований, по которым проводится сертификация двигателей воздушных судов. В качестве основного инструмента регулирования негативного воздействия авиации на атмосферу Комитет ИКАО по защите окружающей среды предлагает механизм глобальных рыночных мер. Наступило время, когда необходимость внедрения новых технологий в авиационной отрасли, способствующих снижению экологической нагрузки воздушного транспорта на окружающую среду, очевидна.
Экологический вред полетов самолетов
Одним из самых активных источников загрязнения атмосферы является транспорт. При этом путешествия самолетом является не самой лучшей идеей с точки зрения защиты окружающей среды. На пассажира, который летит из Берлина в Нью-Йорк и обратно экономическим классом, приходится 1,5-2 тонны выбросов CO2. По данным Международного энергетического агентства (МЭА) среднестатистический житель Германии с учетом всех источников загрязнения был ответственным за эмиссию почти 8,9 тонны CO2 в год. В США этот показатель составляет около 15 тонн на человека. Согласно исследованию Всемирного банка, на авиапассажиров, путешествующих первым классом, приходится примерно втрое больше выбросов CO2 по сравнению с пассажирами экономкласса, поскольку кресла в первом классе занимают больше места.
В целом по данным Европейского агентства по окружающей среде, в мире, на долю авиации приходится около трех процентов вредных для климата выбросов.
Предполагается, что к 2040 году даже при оптимистичном прогнозе, связанном с улучшением технологий топливной эффективности, количество авиационных эмиссий СО2 может достигнуть почти полутора тысяч мегатонн в год.
И хотя сегодня авиация существенно (примерно в 15 раз) уступает автомобильному транспорту по количеству выбрасываемых в воздух загрязняющих веществ, она ежедневно влияет на экологию верхней тропосферы и нижней стратосферы. В отличие от других видов транспорта авиация покрывает огромные расстояния, воздействуя на качество воздуха в локальном, региональном и глобальном отношении. При этом воздействие авиации на атмосферу можно разделить на акустическое и химическое.
Экологические требования становятся более жесткими
В 2016 г. CAEP (Комитет ИКАО по охране окружающей среды от воздействия авиации) рекомендовал два новых стандарта: по эмиссиям диоксида углерода и нелетучих взвешенных частиц. Рекомендованный стандарт по СО2 предложен для стимулирования более эффективных технологий сжигания топлива при использовании самолетов и аналогичен существующим стандартам по эмиссиям и авиационному шуму. Стандарты планируется применяться к моделям нового типа дозвуковых и турбовинтовых самолетов, которые будут вводиться в эксплуатацию с 2020 г., а к уже эксплуатируемым – с 2023 г. Если эксплуатируемые модели, не отвечающие пока требованиям по стандартам СО2, не смогут быть модернизированы должным образом до 2028 г., то после этого срока они не смогут использоваться.
Регулирование эмиссий будет производиться с помощью, предложенной «Глобальной системы рыночных мер». Превышение квот эмиссии (за базовый уровень предполагается принять эмиссии 2019-2020 гг.) будет облагаться значительным штрафом, который пойдет на восстановление окружающей среды и компенсационные меры. Такой подход к квотированию эмиссий не нов, он применялся в странах Евросоюза с начала 2000-х годов. Например, в апреле 2014 г. Германия выставила штрафов за превышение эмиссионных квот на 2,7 млн евро 61 авиакомпании, в том числе и из России, 44 из которых базировались вне европейской территории.
Акустическое загрязнение атмосферы
Авиационный шум – важный фактор негативного отношения к авиации населения на территориях, соседствующих с аэропортом. Под его воздействие попадает сравнительно большое число людей, проживающих в окрестностях, а также работники аэропорта и пассажиры. Авиационный шум отрицательно воздействует на здоровье людей (чаще всего это ухудшение слуха, стрессовые состояния, проблемы, связанные с концентрацией внимания).
Политика ИКАО по проблеме авиационного шума предусматривает развитие мер по смягчению акустического загрязнения: внедрение технологий сокращения шума, наземное планирование (например, запреты на полеты в ночное время), ужесточение стандартов по шуму для существующего парка самолетов и разработку стандартов для новых моделей воздушных судов. В свое время, из-за внедрения жестких стандартов по авиационному шуму, Россия потеряла возможность эксплуатировать самолеты отечественного производства для осуществления международных перелетов, что нанесло колоссальный удар по отечественному самолетостроению. В настоящее время разрабатываются принципиально новые конструкции самолётов и концепции двигателей, производители стремятся к тому, чтобы их продукция отвечала самым высоким требованиям экологических стандартов.
В целом по данным Европейского агентства по окружающей среде, в мире, на долю авиации приходится около трех процентов вредных для климата выбросов.
Качество воздуха в аэропортах
Интерес к загрязнению воздуха в аэропортах начал возрастать с начала 1970-х годов, когда резко активизировались коммерческие перевозки с использованием турбовинтовых самолетов. Химическое загрязнение воздуха в аэропортах представлено такими авиационными эмиссиями как оксиды углерода (СО, СО2), азота (NOх), серы (SOx), углеводородами (НС) и взвешенными частицами, образующимися в результате работы двигателей и сжигания авиационного топлива.
Источники эмиссий, связанные с авиацией, способны распространяться и приводить к ухудшению качества воздуха в близлежащих населенных пунктах. Эти эмиссии представляют потенциальный риск общественному здоровью и окружающей среде, поскольку могут вызывать увеличение концентрации приземного озона, приводить к выпадению кислотных дождей.
Эмиссии авиационных двигателей
За последние несколько десятилетий были достигнуты значительные успехи в вопросе сокращения эмиссий в связи с повышением экологичности авиационных топлив (частичная замена керосина на сжиженный природный газ или биотопливо) и техническими усовершенствованиями авиационных двигателей (увеличением их тяговой эффективности, подразумевающим меньшее потребление топлива). Однако этот прогресс может нивелироваться в будущем ростом активности воздушных перевозок.
Сжигание основной части авиационного топлива происходит не в приземном слое вблизи аэропортов, а в более высоких слоях атмосферы. Специалисты полагают, что ежегодно возрастающая эмиссия углекислого газа, воды и метана двигателями коммерческих самолетов изменяет химический и радиационный баланс атмосферы, что наряду с эмиссией сажевых сульфатных аэрозолей может влиять на климат. Особое значение имеют такие компоненты, как двуокись углерода и оксиды азота. Оксиды азота принимают участие в химии озона (его увеличение может приводить к нагреванию верхней тропосферы) и увеличению количества гидроксильных радикалов (ОН), основного атмосферного окислителя. Увеличение ОН приводит к сокращению времени жизни метана СН4, результатом чего может стать охлаждение и параллельно – на протяжении десятилетий – сокращение тропосферного озона.
Оксиды серы и сажа приводят к образованию аэрозолей. Аэрозоли и их предшественники (сажа и сульфаты) увеличивают облачность в форме линейных контрейлов (конденсационных следов) и перистых облаков. В зависимости от состояния окружающей атмосферы эти следы могут существовать иногда несколько минут, а иногда – часы, растекаясь в ширину на несколько километров и напоминая перистые или высококучевые облака. Весьма значительное воздействие на радиационный баланс следует ожидать в результате выбросов частиц сажи - твердотельных продуктов неполного сгорания топлива, которые играют роль ядер конденсации. В верхней тропосфере сажевые аэрозоли имеют размер 0,1-0,5 мкм и состоят из агломератов первичных частиц с диаметром 20-40 нм. Их средняя концентрация изменяется в пределах от 0,004 до 0,5 см-3.
Решит ли проблему снижения выброса парниковых газов биотопливо?
Особое внимание среди продуктов сжигания авиационного топлива занимают парниковые газы, чьи эмиссии могут вносить вклад в процесс глобального потепления. Для их уменьшения у авиакомпаний имеется по существу всего две возможности. Первая – увеличение роста топливной эффективности (то есть снижения удельного расхода топлива). Вторая – использование альтернативных топлив: синтетического горючего из каменного угля, природного газа или биомассы. Природное топливо не содержит серу и ароматические углеводороды, что значительно сокращает эмиссии летучих аэрозолей и облачных ядер конденсации, ослабляя таким образом влияние на радиационный баланс. Кроме того, модельные эксперименты показали, что применение топлива, очищенного от серы, приводит к значительному экологическому «оздоровлению» тропосферы с точки зрения концентраций озона, сульфатов и нитратов.
Биотопливо рекламируется как основной путь для авиационной промышленности по сокращению выбросов углерода, и в последние годы несколько авиакомпаний осуществляли коммерческие полеты с его использованием. Но цены биотопливо остаются выше, чем на обычное топливо, и на сегодняшний день они составляют лишь небольшую долю реактивного топлива, используемого во всем мире.
Следует отметить, что отношение экспертов к биотопливу (производимому из кукурузы, сои, рапса, пальмового масла, водорослей и т. д.) далеко не однозначно в условиях, когда урожай часто гибнет из-за засух или несвоевременных дождей. Специалисты предупреждают, что полный переход на биотопливо грозит постепенным уничтожением тропических лесов и подорожанием продуктов питания. Кроме того, при его применении в долгосрочной перспективе не доказан эффект снижения выбросов СО2. Тем не менее биотопливо для нужд авиации уже производится в США, Великобритании, Германии, Франции, Финляндии. Китай, наладивший производство топлива из пальмового масла, также намерен в ближайшее время довести долю биотоплива до одной трети от всего используемого авиацией горючего.
В последние годы в ряде стран, ратующих за экологию, происходит активная замена традиционного авиационного керосина на криогенное топливо (водород, сжиженный природный газ). При его использовании самолет становится экономичнее (расход топлива уменьшается), выбросы СО2 в атмосферу заметно снижаются, но возникают новые проблемы, решение которых пока не реализовано.
