Ко дню рождения великого российского ученого Дмитрия Менделеева публикуем материал о внедрении водородных технологий в топливные элементы для электрических двигателей. Символично, что речь идет о первом элементе периодической таблицы Менделеева и одном из ключевых кандидатов на роль источника энергии будущего для беспилотных систем.

Несмотря на широкий круг задач, которые уже сегодня способны решать беспилотники, их отраслевые возможности упираются в фундаментальные физические и технологические барьеры. Ключевой среди них — энергия. Любой источник энергии имеет пределы, и самые распространенные в отрасли литий-ионные аккумуляторы уже практически исчерпали потенциал роста удельной энергоемкости — показателя, который отражает, сколько энергии приходится на единицу массы. Проще говоря, сколько энергии источник может запасти при своем весе. Именно это ограничение напрямую влияет на время полета современных беспилотников на электродвигателях: они не могут часами находиться в воздухе, а значит, сужается и спектр задач, которые можно эффективно выполнять.

Использование водорода в топливных элементах для БПЛА: как это работает

Чтобы преодолеть это ограничение, ученые и инженеры обратились к самому распространенному химическому элементу во Вселенной — водороду, первому элементу таблицы Менделеева. На его основе создали топливные элементы, использующие хорошо знакомую со школьного курса химии реакцию окисления водорода кислородом. В результате вырабатывается электричество, а побочными продуктами становятся тепло и вода. Принцип работы такого источника энергии достаточно прост. Водородный топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию водорода в электрическую без процесса горения. В беспилотных летательных аппаратах эта энергия питает электродвигатели и бортовую электронику. 

Если рассмотреть процесс подробнее: водород подают на анод топливного элемента, где под действием катализатора молекулы H₂ распадаются на протоны и электроны. Протоны проходят через специальную мембрану к катоду, а электроны движутся по внешней электрической цепи, создавая электрический ток. На катоде протоны и электроны соединяются с кислородом из окружающего воздуха, образуя воду и выделяя тепло.

В бортовых системах беспилотников водородный топливный элемент используют в составе гибридной схемы. Он обеспечивает стабильное энергоснабжение в крейсерском режиме полета, а аккумуляторная батарея подключается для покрытия пиковых нагрузок — при взлете, активных маневрах и в нештатных ситуациях.

Принцип работы водородных топливных элементов дает им несколько важных преимуществ. Во-первых, это высокий коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми двигателями. Увеличивая объем запасенного водорода, можно многократно увеличивать продолжительность полета без резкого роста массы источника электричества, как это происходит в случае с аккумуляторами, например.

Даже с учетом веса баллонов, «обвязки» и самого топливного элемента суммарный энергетический запас системы оказывается выше, чем у литий-ионных батарей. Удельная мощность энергетических установок в настоящее время достигла примерно 1,8 кВт*ч на килограмм. Это позволило преодолеть технологический барьер, заложенный в дорожной карте НТИ «Аэронет», по показателям энергоемкости источников питания для беспилотных систем.

На практике это означает увеличение времени полета в 2–4 раза при сопоставимой взлетной массе аппарата. Так, если аккумуляторный мультикоптер с полезной нагрузкой 5 кг способен находиться в воздухе 30–40 минут, то его водородный аналог уверенно преодолевает двухчасовой и уже провел рекордный трехчасовой полет, о чем мы расскажем далее.

Во-вторых, если сравнивать водородный БПЛА и БПЛА с двигателями внутреннего сгорания, водородные системы работают практически бесшумно и имеют минимальный тепловой след, что делает их особенно востребованными для мониторинговых задач.

И наконец, в-третьих: эта технология обладает довольно высоким потенциалом масштабирования, что открывает возможности для ее применения в более широком классе беспилотных и робототехнических систем.

Кто сегодня разрабатывает водородные топливные элементы

Флагманская научно-техническая структура, которая занимается развитием топливных элементов на водороде: Центр компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (ФИЦ ПХФ и МХ РАН). Центр возглавляет завлабораторией ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко. За последнее десятилетие его коллектив прошел путь от фундаментальной разработки новых материалов, конструкционных схем и методов расчета топливных элементов до запуска опытного производства и создания установок тестирования ТЭ, что позволило получить достойные научно-технические результаты. По сути, были созданы новые материалы и технологии для электрохимических генераторов с протон-проводящей мембраной, на основе которых разработаны водородно-воздушные топливные элементы.

Мы более десяти лет занимаемся технологией топливных элементов и их применением для беспилотной техники, включая БПЛА, — говорит Алексей Левченко

По его словам, первые разработки были ориентированы на беспилотники авиационного типа, для которых требования к удельной мощности при горизонтальном (крейсерском) полете ниже. Эти работы вели совместно с Центральным институтом авиационного моторостроения имени П. А. Баранова. После того как в 2016–2017 годах нам удалось создать топливные элементы более высокой мощности, появилась возможность применять их в составе мультироторных летательных аппаратов. Тогда были разработаны аппараты, показавшие хорошую эффективность и время полета от двух часов и более, что для современных мультироторных систем отличный результат.

Говоря о ключевых приоритетах проекта, Алексей Левченко подчеркнул, что основными задачами были повышение удельной мощности и энергоемкости, увеличение полезной нагрузки и расширение возможностей работы в разных условиях. За прошедшее десятилетие удалось увеличить более чем вдвое удельную энергоемкость топливных элементов, что существенно улучшило показатели автономности техники. «Сегодня мы вышли на показатели полета около трех часов без полезной нагрузки и порядка полутора-двух часов с нагрузкой», — уточнил он, отметив также, что сейчас Центр совместно с партнерами может выпускать небольшие серии такой продукции под конкретные прикладные задачи.

Одним из практических итогов деятельности Центра стало создание и запуск опытной производственной линии полного цикла — от подготовки каталитических смесей и нанесения катализаторов до сборки и тестирования батарей водородных топливных элементов — для производства ключевых компонентов топливных водородных систем. Линия позволяет изготавливать топливные элементы мощностью от 10 Вт до 2 кВт.

Гексакоптер на водородных топливных элементах: рекордные три часа в воздухе

Одним из самых впечатляющих примеров реализации технологии в готовом изделии стал гексакоптер с водородной энергоустановкой, разработанный Центром. В его конструкции используют электрохимический генератор на основе топливных элементов с протонообменной мембраной номинальной мощностью 3,5 кВт и пиковой мощностью до 5,0 кВт.

Он позволяет обеспечить взлетную массу до 30 кг и продолжительность полета с видеокамерой на борту до трех часов. Шестироторная схема аппарата обеспечивает высокую устойчивость к порывам ветра и отказоустойчивость: даже при выходе из строя одного двигателя этот гексакоптер сохраняет управляемость. Модульная архитектура позволяет адаптировать беспилотник под задачи длительного мониторинга в энергетике, сельском хозяйстве и при охране протяженных объектов.

Возможности гексакоптера, который получил название «Протий 6А», продемонстрировали входе показательного полета. Его провели на интенсиве Архипелаг 2024 на Сахалине, на первом в России дронопорте «Пушистый» в Корсаковском районе.

И уже в следующем году в Москве, в технологической мастерской «Дрон-гараж» в рамках интенсива Архипелаг 2025, команда Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» ФИЦ ПХФ и МХ РАН установила национальный рекорд продолжительности полета БПЛА.

Тяжелый 30-килограммовый гексакоптер на водородных топливных элементах, созданный в Центре, находился в воздухе 166 минут (2 часа 46 минут) без смены источника питания. Эксперты НТИ зафиксировали тогда сразу два рекорда: по длительности полета мультироторного БПЛА и по самому продолжительному ручному пилотированию гексакоптера без автоматического удержания высоты и позиции. За свой рекордный полет команда, создавшая дрон «Протий 6А», получила сертификат подтверждения технических характеристик и Знак качества Высшей лиги конкурса «Дрон-гараж».

Коллектив Центра также стал лауреатом премии губернатора Московской области в сфере науки, технологий и инноваций за 2025 год в номинации «За коммерциализацию», которая отмечает практическое внедрение научных разработок в прикладные и коммерческие решения. При награждении отметили, что команда Центра прошла путь от лабораторных исследований до опытного производства и реальных заказов. Cоздала водородные энергоустановки малой мощности с удельной энергоемкостью свыше 750 Вт·ч/кг и удельной мощностью до 350 мВт/см². А опытная производственная линия выпускает батареи мощностью от 10 Вт до 2 кВт под задачи заказчиков, преодолевая технологические ограничения дорожной карты «Аэронет». Практическая направленность работ была подтверждена коммерческими поставками: в 2023 году команда реализовала контракт на водородный комплекс, включающий систему хранения и заправки, БПЛА с водородной энергоустановкой и портативный источник питания.

Перспективы и барьеры на пути развития технологии

Несмотря на первые впечатляющие результаты, водородная беспилотная авиация все еще сталкивается с рядом экономических ограничений. Ключевым остается инфраструктура: полноценные водородные заправочные станции пока крайне редки, а логистика поставок водорода остается сложной и дорогостоящей. 

Отдельная задача — импортозамещение ключевых компонентов топливных элементов: мембран и газодиффузионных слоев. Хотя технологии их проектирования и математического моделирования уже давно разработаны, переход к полностью отечественным материалам требует значительных инженерных и инвестиционных усилий. По мере того как инфраструктурные проекты будут выходить из стадии пилотных испытаний в промышленную эксплуатацию, рынок водородных беспилотников может начать расти ускоренными темпами. 

Для задач длительного мониторинга, патрулирования, научных исследований и экологического контроля альтернативы водородным топливным элементам сегодня практически не существует.

Резюмируя: водородные энергоустановки открывают перед беспилотниками новое измерение автономности. Они позволяют перейти от коротких вылетов к многочасовым миссиям, при этом сохраняя экологичность, низкий тепловой след и высокую эффективность. Если еще недавно водород в авиации воспринимался как эксперимент, то сегодня он имеет шансы стать рабочим инструментом индустрии — одной из ключевых технологий, способных радикально увеличить автономность беспилотников и изменить саму философию их применения.