Når vil ekte fly ta til skiene? Ingeniører veier inn

Som elektriske biler og lastebiler vises i økende grad på amerikanske motorveier, reiser det spørsmålet: Når kommer kommersielt levedyktige elektriske kjøretøyer til himmelen? Det er en rekke ambisiøse forsøk på å bygge elektrisk drevne fly, inkludert regionale jetfly og fly som kan dekke lengre avstander. Elektrifisering begynner å aktivere en type flytur som mange har håpet på, men har ikke sett ennå - en flygende bil.

En viktig utfordring i å bygge elektriske fly innebærer hvor mye energi som kan lagres i en gitt mengde vekt av energikilden om bord. Selv om de beste batteriene lagrer omtrent 40 ganger mindre energi per vektenhet enn jetbrensel, er en større andel av sin energi tilgjengelig for å kjøre bevegelse. Til slutt, for en gitt vekt inneholder jetbrennstoffet omtrent 14 ganger mer brukbar energi enn et toppmoderne litiumionbatteri.

Se også: Møt det elektriske, hydrogen-, nullutslippsplanet som skal flyve innen 2025

Det gjør batteriene relativt tunge for luftfart. Flyselskapene er allerede bekymret for vekt - pålegger avgifter på bagasjen til dels for å begrense hvor mye fly skal bære. Kjøretøyer kan takle tyngre batterier, men det er lignende bekymringer. Vår forskningsgruppe har analysert vektenergiavviket i elektriske lastebiler og traktor-tilhenger eller semi-truck.

Fra elektriske lastebiler til flygende kjøretøy

Vi baserte vår forskning på en svært nøyaktig beskrivelse av energien som kreves for å flytte kjøretøyet sammen med detaljer om de underliggende kjemiske prosessene som er involvert i Li-ion-batterier. Vi fant ut at en elektrisk semitrail som ligner dagens dieseldrevne seg, kunne utformes for å reise opp til 500 miles på en enkelt ladning, mens den kunne bære lasten på om lag 93 prosent av alle fraktruter.

Batterier må bli billigere før det gir økonomisk mening å begynne prosessen med å konvertere den amerikanske lastebilflåten til elektrisk kraft. Det ser ut til å skje i begynnelsen av 2020-tallet.

Flyvende kjøretøy er litt lenger unna, fordi de har forskjellige kraftbehov, spesielt når du tar av og lander.

Hva er en e-VTOL?

I motsetning til passasjerfly, er små batteridrevne droner som bærer personlige pakker over korte avstander, mens de flyr under 400 fot, allerede i bruk. Men å transportere folk og bagasje krever 10 ganger så mye energi - eller mer.

Vi så på hvor mye energi et lite batteridrevet luftfartøy med stand til vertikal start og landing ville trenge. Disse er typisk designet for å starte rett opp som helikoptre, skifte til en mer effektiv flymodus ved å rotere propellene eller hele vingene under flyturen, og deretter gå tilbake til helikoptermodus for landing. De kan være en effektiv og økonomisk måte å navigere på travle byområder, unngå tett veier.

Energikrav til e-VTOL Aircraft

Vår forskningsgruppe har bygd en datamodell som beregner kraften som trengs for en enkelt passasjer e-VTOL i tråd med design som allerede er under utvikling. Et slikt eksempel er en e-VTOL som veier 1000 kilo, inkludert passasjeren.

Den lengste delen av turen, cruising i flymodus, trenger minst energi per kilometer. Vår prøve e-VTOL vil trenge rundt 400 til 500 watt-timer per kilometer, omtrent samme mengde energi som en elektrisk lastebil ville trenge - og omtrent to ganger energiforbruket av en elektrisk passasjer sedan.

Men start og landing krever mye mer kraft. Uansett hvor langt en e-VTOL reiser, forutsetter vår analyse start og landing, vil kombinasjonen kreve mellom 8000 og 10.000 watt-timer per tur. Dette er omtrent halvparten av energien tilgjengelig i de fleste kompakte elektriske biler, som et Nissan Leaf.

For et helt fly, med de beste batteriene som er tilgjengelige i dag, regnet vi ut at en enkeltpassasjer e-VTOL designet for å bære en person på 20 miles eller mindre, ville kreve om lag 800 til 900 watt-timer per kilometer. Det er omtrent halvparten av energien som en semi-truck, som ikke er veldig effektiv: Hvis du trengte å gjøre et raskt besøk for å handle i en nærliggende by, ville du ikke hoppe inn i førerhuset på en fullt lastet traktorvogn til kom deg dit.

Etter hvert som batterier forbedres de neste årene, kan de pakke inn omtrent 50 prosent mer energi for samme batterivikt. Det ville bidra til å gjøre e-VTOLS mer levedyktig for korte og mellomstore turer. Men det er flere ting som trengs før folk kan begynne å bruke e-VTOLS regelmessig.

Det er ikke bare energi

For kjøretøyer er det nok å bestemme det nyttige reisemålet - men ikke for fly og helikoptre. Luftfart designere må også nøye undersøke kraften - eller hvor raskt den lagrede energien er tilgjengelig. Dette er viktig fordi ramping opp for å ta av i en jet eller skyve ned mot tyngdekraften i en helikopter, tar mye mer kraft enn å snu hjulene til en bil eller lastebil.

Derfor må e-VTOL-batterier kunne slippe ut med frekvenser omtrent 10 ganger raskere enn batteriene i elektriske kjøretøyer. Når batteriene tømmes raskere, blir de mye varmere. Akkurat som din laptop-fan spinner opp til full fart når du prøver å streame et TV-show mens du spiller et spill og laster ned en stor fil, må en bilbatteri kjøles ned enda raskere når det blir bedt om å produsere mer strøm.

Biltrafikkbatterier oppvarmer ikke nesten like mye under kjøring, slik at de kan avkjøles ved at luften passerer eller med enkle kjølevæsker. En e-VTOL-taxi vil imidlertid generere en enorm mengde varme på start, noe som vil ta lang tid å avkjøle - og på korte turer kan det ikke engang helt avkjøles før det varmes opp igjen på landing. I forhold til batteripakken, for den samme avstanden som tilbys, er varmen som genereres av et e-VTOL-batteri under start og landing langt mer enn elbiler og semi-lastebiler.

Se også: Tesla CEO Elon Musk Detaljer Idea for elektrisk plan på Joe Rogan Podcast

Den ekstra varmen vil forkorte e-VTOL-batteriernes levetid, og muligens gjøre dem mer utsatt for å fange brann. For å bevare både pålitelighet og sikkerhet, vil elektriske fly trenge spesialiserte kjølesystemer - noe som vil kreve mer energi og vekt.

Dette er en avgjørende forskjell mellom elektriske kjøretøyer og elektriske fly: Designere av lastebiler og biler trenger ikke å radikalt forbedre enten strømforsyningen eller kjølesystemene deres, fordi det vil øke kostnadene uten å bidra til ytelse. Kun spesialisert forskning vil finne disse viktige fremskrittene for elektriske fly.

Vårt neste forskningsemne vil fortsette å utforske måter å forbedre e-VTOL batteri- og kjølesystemkrav for å gi nok energi til brukbart område og nok kraft til start og landing - alt uten overoppheting.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Venkat Viswanathan, Shashank Sripad, og William Leif Fredericks. Les den opprinnelige artikkelen her.