Kedy presne si elektrické lietadlá vezmú na oblohu? Inžinieri odvážia

Ako sa elektrické vozidlá a nákladné vozidlá objavujú čoraz viac na amerických cestách, nastoľuje otázku: Kedy sa komerčne životaschopné elektrické vozidlá dostanú do neba? Existuje množstvo ambicióznych snáh o výstavbu elektrických lietadiel, vrátane regionálnych lietadiel a lietadiel, ktoré môžu pokryť dlhšie vzdialenosti. Elektrifikácia začína umožňovať typ leteckej dopravy, o ktorej mnohí dúfali, ale ešte nevidel - lietajúce auto.

Kľúčovou výzvou v budovaní elektrických lietadiel je to, koľko energie možno uložiť v danom množstve hmotnosti palubného zdroja energie. Aj keď najlepšie batérie uchovávajú približne 40-krát menej energie na jednotku hmotnosti ako prúdové palivo, väčší podiel ich energie je k dispozícii na pohyb. Nakoniec, pre danú hmotnosť obsahuje prúdové palivo asi 14-krát viac využiteľnej energie ako najmodernejšia lítium-iónová batéria.

Pozri tiež: Zoznámte sa s elektrickou, vodíkovou, nulovou emisnou rovinou nastavenou na lietadlo do roku 2025

Vďaka tomu sú batérie relatívne ťažké pre letectvo. Spoločnosti leteckej dopravy sa už teraz obávajú váhového zaťaženia batožiny, aby obmedzili, koľko lietadiel musí prepravovať. Cestné vozidlá môžu manipulovať s ťažšími batériami, ale existujú podobné obavy. Naša výskumná skupina analyzovala kompromis medzi váhami a energiou v elektrických pick-upoch a ťahačoch alebo návesoch.

Od elektrických vozidiel až po lietajúce vozidlá

Náš výskum sme založili na veľmi presnom opise energie potrebnej na pohyb vozidla spolu s podrobnosťami o základných chemických procesoch, ktoré sú súčasťou Li-ion batérií. Zistili sme, že elektrický náves podobný dnešným naftovým motorom by mohol byť navrhnutý tak, aby cestoval až 500 míľ za jeden poplatok, pričom by mohol prepravovať náklad približne 93 percent všetkých nákladných ciest.

Batérie budú musieť byť lacnejšie, než to bude mať ekonomický zmysel začať proces premeny amerického vozového parku na elektrickú energiu. Zdá sa, že k tomu pravdepodobne dôjde do začiatku roka 2020. t

Lietajúce vozidlá sú o niečo ďalej, pretože majú rôzne potreby energie, najmä pri vzlete a pristátí.

Čo je e-VTOL?

Na rozdiel od osobných lietadiel, malé batérie-poháňal drones, ktoré nesú osobné balíčky na krátke vzdialenosti, zatiaľ čo lietanie pod 400 stôp, sú už v prevádzke. Ale nosenie ľudí a batožiny si vyžaduje 10-krát viac energie - alebo viac.

Pozreli sme sa na to, koľko energie potrebuje malé batériové lietadlo schopné vertikálneho vzletu a pristátia. Tieto sú zvyčajne navrhnuté tak, aby sa spustili rovno hore ako helikoptéry, posunuli sa k efektívnejšiemu režimu v lietadle otáčaním ich vrtúľ alebo celých krídiel počas letu, potom prechodom do režimu vrtuľníka pre pristátie. Mohli by byť účinným a ekonomickým spôsobom, ako sa pohybovať v rušných mestských oblastiach a vyhnúť sa upchatým cestám.

Energetické požiadavky lietadiel e-VTOL

Naša výskumná skupina vybudovala počítačový model, ktorý vypočíta výkon potrebný pre jedno-cestujúceho e-VTOL podľa vzoru, ktorý sa už vyvíja. Jedným takýmto príkladom je e-VTOL, ktorý váži 1 000 kilogramov vrátane cestujúceho.

Najdlhšia časť cesty, jazda v režime lietadla, potrebuje najmenej energie na míľu. Naša vzorka e-VTOL by potrebovala asi 400 až 500 watthodín na míľu, okolo rovnakého množstva energie, aké by potreboval elektrický pickup - a asi dvojnásobok spotreby energie elektrického sedanu pre cestujúcich.

Vzlet a pristátie však vyžadujú oveľa viac energie. Bez ohľadu na to, do akej miery cestuje e-VTOL, naša analýza predpovedá kombináciu vzletu a pristátia medzi 8 000 a 10 000 watthodinami na cestu. To je asi polovica energie dostupnej vo väčšine kompaktných elektromobilov, ako napríklad Nissan Leaf.

Pre celý let, s najlepšími dostupnými batériami dnes, sme vypočítali, že jeden-cestujúci e-VTOL určený na prepravu osoby 20 míľ alebo menej by vyžadoval približne 800 až 900 watthodín na míľu. To je asi polovica množstva energie ako semi-truck, čo nie je veľmi efektívne: Ak by ste potrebovali urobiť rýchlu návštevu v neďalekom meste, nemali by ste preskočiť do kabíny plne naloženého prívesu s prívesom. dostať sa tam.

Keď sa batérie v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov zlepšia, môžu byť schopné zabaliť približne o 50 percent viac energie na rovnakú hmotnosť batérie. To by pomohlo urobiť e-VTOLS životaschopnejšími pre krátke a stredné cesty. Existuje však ešte pár vecí, ktoré sú potrebné predtým, ako ľudia môžu skutočne začať používať e-VTOLS pravidelne.

Nie je to len energia

Pri pozemných vozidlách je určenie užitočného rozsahu jazdy dostačujúce - ale nie pre lietadlá a vrtuľníky. Dizajnéri lietadiel tiež musia dôkladne preskúmať výkon - alebo ako rýchlo je dostupná uskladnená energia. To je dôležité, pretože vyskočenie do lietadla alebo tlačenie dole proti gravitácii v helikoptére si vyžaduje oveľa viac sily než otáčanie kolies vozidla alebo kamiónu.

Batérie e-VTOL preto musia byť schopné vybíjať rýchlosťou približne 10 krát rýchlejšie ako batérie v cestných elektrických vozidlách. Keď sa batérie vybijú rýchlejšie, dostanú oveľa teplejšie. Rovnako ako váš laptop ventilátor točí až na plnú rýchlosť, keď sa pokúsite prúd televíznej show pri hraní hry a sťahovanie veľkého súboru, vozidlo akumulátor musí byť ochladený ešte rýchlejšie, keď je požiadaný, aby produkovať viac energie.

Batérie cestných vozidiel sa počas jazdy nezohrievajú takmer tak, takže ich možno chladiť vzduchom, ktorý prechádza okolo alebo s jednoduchými chladiacimi látkami. E-VTOL taxi by však vytvorili enormné množstvo tepla pri odbere, ktoré by trvalo dlho, kým by sa ochladilo - a na krátke cesty by sa nemuseli ani úplne ochladiť pred opätovným zahriatím na pristátie. V porovnaní s veľkosťou akumulátora, pre tú istú prejdenú vzdialenosť je množstvo tepla, ktoré vyprodukuje batéria e-VTOL počas vzletu a pristátia, oveľa viac ako elektrické vozidlá a poloprevádzky.

Pozri tiež: Tesla CEO Elon Musk Podrobnosti Idea pre elektrické lietadlo na Joe Rogan Podcast

Toto extra teplo skráti životnosť batérií e-VTOL a prípadne ich zvýši náchylnosť k požiaru. Aby sa zachovala spoľahlivosť a bezpečnosť, elektrické lietadlá budú potrebovať špecializované chladiace systémy, ktoré by si vyžadovali viac energie a hmotnosti.

Toto je rozhodujúci rozdiel medzi elektrickými cestnými vozidlami a elektrickými lietadlami: Návrhári nákladných vozidiel a automobilov nemajú žiadnu potrebu radikálne zlepšovať svoj výkon alebo chladiace systémy, pretože by to zvýšilo náklady bez pomoci výkonu. Tieto dôležité pokroky pre elektrické lietadlá nájdu len špecializované výskumy.

Naša ďalšia výskumná téma bude pokračovať v skúmaní spôsobov, ako zlepšiť požiadavky na e-VTOL batériu a chladiaci systém tak, aby poskytovali dostatok energie pre užitočný dosah a dostatok energie pre vzlet a pristátie - to všetko bez prehriatia.

Tento článok bol pôvodne publikovaný na The Conversation od Venkat Viswanathan, Shashank Sripad a William Leif Fredericks. Prečítajte si pôvodný článok.