زيت جوز الهند كوقود مستدام للطائرات: دراسة رائدة تكشف عن كفاءة مماثلة للكيروسين

كشفت أبحاث حديثة عن إمكانية استخدام زيت جوز الهند، المعروف تقليدياً في المطابخ ومنتجات التجميل، كوقود فعال للطائرات. أظهرت دراسة أجرتها جامعة أوساكا متروبوليتان أن الوقود الحيوي المستخرج من زيت جوز الهند يمكنه تشغيل محركات الطائرات النفاثة الصغيرة بكفاءة تضاهي الكيروسين التقليدي، مع مزايا إضافية مثل انخفاض انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة. ومع ذلك، تشير النتائج إلى أن هذه الخلطات تستهلك وقوداً أكثر وتنتج مستويات أعلى قليلاً من أول أكسيد الكربون.

تساهم صناعة الطيران بنصيب كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، مما يزيد الضغط على القطاع لإيجاد بدائل وقود أنظف. وقد حددت منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) وقود الطيران المستدام (SAF) كأكثر الاستراتيجيات فعالية لخفض البصمة الكربونية للطيران. إلا أن الطرق الحالية لإنتاج وقود الطيران المستدام غالباً ما تكون كثيفة الاستهلاك للطاقة ومكلفة، مما يقلل من فائدتها البيئية. تركز الدراسة الجديدة، التي نُشرت في مجلة «Fuel»، على نهج إنتاجي يهدف إلى تجاوز هذه المشكلة تماماً، باستخدام تقنية تتطلب طاقة أقل بكثير لإنتاج الوقود.

اختبر باحثو جامعة أوساكا متروبوليتان أنواع الوقود الحيوي المشتقة من زيت جوز الهند باستخدام ما أطلقوا عليه «طريقة المذيب المشترك». تتضمن هذه العملية مزج الأسيتون مع الكحول وزيت جوز الهند لإنتاج وقود حيوي عالي النقاء، دون الحاجة إلى الحرارة والضغط الشديدين اللذين تتطلبهما طرق الإنتاج التقليدية. ولم يقتصر عمل الفريق على الإنتاج، بل قاموا أيضاً بحرق الوقود في محرك طائرة نفاثة صغيرة، لقياس أداء المحرك وانبعاثات العادم.

تعتمد معظم مسارات إنتاج وقود الطيران المستدام على عمليات صناعية معقدة، تتضمن خطوات تكرير تتطلب درجات حرارة عالية وتستنزف الطاقة من دورة حياة الوقود قبل حتى أن يتم استخدامها في رحلة واحدة. تعمل طريقة المذيب المشترك بشكل مختلف؛ فبإضافة الأسيتون إلى خليط من الكحول وزيت جوز الهند، تختلط السوائل التي تكون عادةً غير متوافقة بشكل متجانس وتتفاعل بشكل كامل عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، مما ينتج وقوداً حيوياً بمستويات نقاء تتجاوز 97%.

يقدم جوز الهند نفسه ميزة عملية كمادة خام، حيث يتم التخلص من حوالي 30% منه بعد استخلاص رطوبته الداخلية أثناء المعالجة. استخدمت هذه الدراسة الزيت من مواد وصفها الباحثون بأنها مهملة وغير صالحة للأكل، بما في ذلك البذور الكبيرة واللب المتبقي، مما يعني أن الوقود يستفيد من أجزاء المحصول التي كان من الممكن أن تُهدر. كما تنتج هذه العملية وقود الديزل الحيوي المناسب للمركبات والسفن البحرية، بالإضافة إلى الغليسيرين عالي الجودة كمنتج ثانوي.

تم إنتاج نوعين من الوقود الحيوي واختبارهما: أحدهما باستخدام الميثانول والآخر باستخدام الإيثانول. كلاهما وقود نباتي يُدرس عادةً لمحركات الديزل، لكن هذا البحث فحص سلوكهما في محرك نفاث، وهو مجال لم يحظَ باهتمام علمي كبير نسبياً.

اختبر الباحثون الوقود في محرك نفاث تجاري صغير قادر على الوصول إلى سرعات تصل إلى 130,000 دورة في الدقيقة. ومزجوا الوقود الحيوي مع الكيروسين التقليدي بنسب 10% و30% و50% من الوقود الحيوي بالحجم، ثم قاموا بتشغيل المحرك عبر مجموعة من السرعات. شملت القياسات استهلاك الوقود، وكفاءة المحرك، وتركيزات أربعة ملوثات في العادم: الهيدروكربونات غير المحترقة، أول أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، وأكسيد النيتريك.

من حيث كفاءة الوقود، تطلبت خلطات الوقود الحيوي وقوداً أكثر لإنتاج نفس القدر من الدفع. عند 80,000 دورة في الدقيقة، استهلكت خلطة تعتمد على الميثانول بنسبة 50% حوالي 16.8% وقوداً أكثر من الكيروسين النقي، بينما استهلكت النسخة التي تعتمد على الإيثانول حوالي 19.6% أكثر. يعزى ذلك بشكل كبير إلى أن الوقود الحيوي يحمل طاقة أقل لكل كيلوغرام مقارنة بالكيروسين، لذا يجب حرق كمية أكبر للحفاظ على نفس مستوى الإخراج.

على الرغم من حرق المزيد من الوقود بالوزن، فقد حوّلت الخلطات الحرارة إلى عمل مفيد بمعدلات مماثلة للكيروسين النقي. عند 100,000 دورة في الدقيقة، اختلفت الكفاءة الحرارية لأعلى نسبة خلط للوقود الحيوي عن الكيروسين النقي بهامش صغير، وظل ناتج الدفع ثابتاً عبر جميع نسب الخلط المختبرة.

تُظهر انبعاثات العادم حيث يبرز وقود الطائرات المشتق من زيت جوز الهند بعضاً من نتائجه الواعدة. أدى زيادة نسبة الوقود الحيوي في الخلطة إلى تقليل انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة باستمرار. عند نسبة خلط 50%، انخفضت تركيزات الهيدروكربونات في العادم بنسبة تتراوح بين 5% و40% مقارنة بالكيروسين النقي، اعتماداً على سرعة المحرك. وقال الباحثون إن هذا الانخفاض يرجع على الأرجح جزئياً إلى تركيب الوقود، حيث لا تحتوي أنواع الوقود الحيوي المشتقة من جوز الهند على جزيئات الهيدروكربونات العطرية الحلقية الموجودة في وقود الطائرات التقليدي.

ظلت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند مستويات متسقة مع الكيروسين النقي عبر جميع نسب الخلط المختبرة. وبينما أدت نسبة أعلى من الوقود الحيوي إلى زيادة إجمالي استهلاك الوقود، فإن ثاني أكسيد الكربون في العادم لم يرتفع بشكل متناسب. يقول الباحثون إن هذا النمط قد يشير إلى بعض الوقود الحيوي غير المحترق الذي يغادر المحرك، وهي مسألة أشاروا إلى أنها تتطلب تحقيقاً مستقبلياً.

زادت انبعاثات أول أكسيد الكربون، وهو نتاج احتراق غير كامل، بشكل متواضع عند نسب الخلط الأعلى. أنتجت خلطة بنسبة 50% حوالي 3% إلى 17% أكثر من أول أكسيد الكربون مقارنة بالكيروسين النقي اعتماداً على سرعة المحرك. ربط الباحثون هذا بالوقود الحيوي الذي يصعب إشعاله من الكيروسين ويحمل طاقة أقل، وكلاهما يمكن أن يخلق مناطق غنية بالوقود داخل غرفة الاحتراق حيث ينقص الأكسجين.

كانت انبعاثات أكسيد النيتريك، التي يمكن أن تساهم في استنفاد الأوزون على ارتفاعات عالية، قابلة للمقارنة على نطاق واسع بين خلطات الوقود الحيوي والكيروسين النقي. أظهرت خلطة تعتمد على الميثانول بنسبة 30% تركيزات أكسيد النيتريك أقل بنسبة 20% إلى 30% من الكيروسين النقي عبر جميع ظروف التشغيل المختبرة، وهي نتيجة يقول المؤلفون إنها تتطلب مزيداً من الدراسة لشرحها بالكامل.

تقف العديد من العقبات العملية بين هذا الوقود الحيوي والاستخدام الروتيني في الطائرات. يمتص الوقود الحيوي المشتق من جوز الهند الرطوبة الجوية أثناء التخزين، وهو عرضة للأكسدة التدريجية بمرور الوقت، ويمكن أن يسبب تآكلاً طفيفاً للمكونات المعدنية. أظهر الفولاذ المقاوم للصدأ المعرض للنسخة المعتمدة على الميثانول علامات الصدأ بعد أسبوع إلى أسبوعين. يلاحظ المؤلفون أن الاختبارات المطولة على مدى أشهر إلى سنوات ضرورية، وأن إضافات مضادات الأكسدة وحاويات التخزين المحكمة الإغلاق تستحق التحقيق.

يقع محتوى الأكسجين في الوقود الحيوي أيضاً خارج معايير الشهادات الدولية الحالية لوقود الطيران، مما يعني أن المعالجة الكيميائية الإضافية ستكون مطلوبة قبل أن تتمكن هذه الأنواع من الوقود من الطيران في الطائرات التجارية. يمكن لمعالجة الهدرجة أن تجعل مستويات الأكسجين متوافقة، على الرغم من أن الباحثين يقرون بأن هذه العملية ستقلل من إنتاج الوقود.

وقود الطائرات المشتق من زيت جوز الهند ليس بديلاً جاهزاً لوقود الطائرات التقليدي بعد، لكن بيانات الأداء من هذه الدراسة تقدم حجة قوية بأن المفهوم يستحق المتابعة. إذا صمدت مزايا الإنتاج وتم حل مشاكل جودة الوقود المتبقية، يمكن أن يصبح زيت جوز الهند مرشحاً إضافياً في بحث صناعة الطيران عن وقود أقل تأثيراً، مستمد من هذه الثمرة الاستوائية.

من الجدير بالذكر أن هذه الدراسة استخدمت محركاً نفاثاً صغيراً بدلاً من محرك طائرة تجارية بالحجم الكامل، لذا قد لا تترجم النتائج مباشرة إلى أنظمة الدفع الأكبر. وقد تم أخذ قياسات غاز العادم على بعد 30 مليمتراً من مخرج فوهة المحرك، ويقر الباحثون بأن الهواء المحيط قد خفف الغازات المأخوذة، مما قد يؤثر على دقة القياس. كما لم تقم الدراسة بقياس مركبات سامة معينة، وتحديداً الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، التي يحددها المؤلفون كأولوية للبحث المستقبلي. لم تُكمل الدراسة اختباراً طويل الأمد لاستقرار تخزين الوقود وتآكل المواد، الأمر الذي يتطلب أشهراً إلى سنوات من المراقبة. يقع محتوى الأكسجين في كلا النوعين من الوقود الحيوي خارج معايير وقود الطيران الدولية الحالية. بالإضافة إلى ذلك، حملت قياسات درجة حرارة مدخل التوربين عدم يقين بسبب التدرجات الحرارية الحادة داخل المحرك، وقد تستفيد تركيزات أكسيد النيتريك المنخفضة نسبياً التي تم قياسها من التحقق باستخدام طرق تحليلية عالية الدقة في الأعمال المستقبلية.

تم دعم هذا العمل بمنحة دعم الابتكار من مدينة أوساكا. كشف المؤلف الرئيسي، شينيتشيرو أوغاوا، عن علاقة عمل مع جامعة أوساكا متروبوليتان. ولم يعلن جميع المؤلفين الآخرين عن أي تضارب معروف في المصالح المالية أو العلاقات الشخصية التي كان من الممكن أن تؤثر على العمل.

المؤلفون هم: شينيتشيرو أوغاوا، تاكوتو هونغو، ياسواكي مايدا، هوينه فوونج أوين نجوين، وكويتشي موري، وجميعهم منتسبون إلى جامعة أوساكا متروبوليتان، ساكاي، أوساكا، اليابان.

المجلة: «Fuel»، المجلد 428 (2027)، المقال 140208، منشور بواسطة إلزيفير.

عنوان الورقة البحثية: «خصائص الاحتراق والانبعاثات للوقود الحيوي للطيران المشتق من زيت جوز الهند باستخدام طريقة المذيب المشترك: نحو محركات نفاثة دقيقة صديقة للبيئة».

تاريخ الاستلام: 9 يناير 2025. تاريخ القبول: 2 يونيو 2026. متاح عبر الإنترنت: 8 يونيو 2026.

المصدر: Fuel Journal