Kdaj bodo električni letovi prišli na nebo? Inženirji pretehtajo

Ker se električni avtomobili in tovornjaki vse pogosteje pojavljajo na ameriških avtocestah, se postavlja vprašanje: kdaj bodo komercialno sposobna električna vozila prišla na nebo? Obstajajo številna ambiciozna prizadevanja za izgradnjo letal na električni pogon, vključno z regionalnimi letali in letali, ki lahko pokrivajo daljše razdalje. Elektrifikacija začenja omogočati vrsto letalskega potovanja, na katerega so si mnogi želeli, vendar še niso videli - letečega avtomobila.

Ključni izziv pri gradnji električnih letal je, koliko energije se lahko shrani v določeni količini teže vira energije na vozilu. Čeprav najboljše baterije shranjujejo približno 40-krat manj energije na enoto teže kot reaktivno gorivo, je večji del energije na voljo za vožnjo. Navsezadnje, za dano težo, brizgalno gorivo vsebuje približno 14-krat večjo uporabno energijo kot najsodobnejša litij-ionska baterija.

Glej tudi: Spoznajte elektriko, vodik, ravnino brez emisij, ki bo letela do leta 2025

To pomeni, da so baterije relativno težke za letalstvo. Letalske družbe so že zaskrbljene zaradi teže, ki bi uvedle pristojbine za prtljago, da bi omejili, koliko letal morajo nositi. Cestna vozila lahko upravljajo težje baterije, vendar obstajajo podobni pomisleki. Naša raziskovalna skupina je analizirala kompenzacijo teže energije v električnih tovornjakih in vlačilcih.

Od električnih tovornjakov do letečih vozil

Naše raziskave temeljijo na zelo natančnem opisu energije, potrebne za premikanje vozila, skupaj s podrobnostmi o osnovnih kemijskih procesih, ki so vključeni v Li-ionske baterije. Ugotovili smo, da bi lahko električni polpriklopnik, podoben današnjim dizelskim motorjem, načrtoval potovanje do 500 milj z enim polnjenjem, medtem ko bi lahko prevozil kar 93 odstotkov vseh tovornih potovanj.

Baterije bodo morale poceniti, preden bo gospodarsko smiselno začeti proces pretvarjanja ameriškega voznega parka v električno energijo. Zdi se, da se bo to zgodilo do začetka leta 2020.

Letalska vozila so malo oddaljena, ker imajo različne potrebe po moči, zlasti med vzletom in pristankom.

Kaj je e-VTOL?

Za razliko od potniških letal, se majhni brezpilotni akumulatorji, ki napajajo osebne pakete na kratkih razdaljah, medtem ko letijo pod 400 čevljev, že uporabljajo. Toda prevoz ljudi in prtljage zahteva 10-krat več energije - ali več.

Preučili smo, koliko energije bo potrebovalo majhno letalo z baterijskim napajanjem, ki bo lahko vertikalno vzletelo in pristalo. Običajno so zasnovane tako, da se začnejo kot helikopterji, preusmerijo se v bolj učinkovit način letenja z vrtenjem svojih propelerjev ali celotnih kril med letom, nato pa se vrnejo v helikopterski način pristanka. Lahko bi bili učinkovit in ekonomičen način za krmarjenje zasedenih mestnih območij in izogibanje zamašenim cestam.

Energetske zahteve za zrakoplove e-VTOL

Naša raziskovalna skupina je zgradila računalniški model, ki izračunava moč, ki je potrebna za eno-potniški e-VTOL po načrtih, ki so že v razvoju. En tak primer je e-VTOL, ki tehta 1000 kilogramov, vključno s potnikom.

Najdaljši del potovanja, ki potuje v letalskem načinu, potrebuje najmanj energije na kilometer. Naš vzorec e-VTOL bi potreboval približno 400 do 500 vatnih ur na kilometer, približno enako količino energije, kot bi jo potreboval električni vlečni voziček - in približno dvakrat večja poraba električne energije potniške limuzine.

Toda vzletanje in pristajanje zahtevajo veliko več moči. Ne glede na to, kako daleč potuje e-VTOL, naša analiza predvideva, da bo vzlet in pristanek v kombinaciji zahteval od 8.000 do 10.000 vatnih ur na vožnjo. To je približno polovica energije, ki je na voljo v najbolj kompaktnih električnih avtomobilih, kot je Nissan Leaf.

Za celoten let, z najboljšimi baterijami, ki so bile danes na voljo, smo izračunali, da bi e-VTOL z enim potnikom, namenjen prevažanju osebe 20 milj ali manj, potreboval približno 800 do 900 vatnih ur na kilometer. To je približno polovica energije kot pol-tovornjak, kar ni zelo učinkovito: če bi morali hitro obiskati trgovino v bližnjem mestu, se ne bi vržli v kabino polno naložene traktorske prikolice. Pojdi tja.

Ko se baterije izboljšajo v naslednjih nekaj letih, bodo lahko za enako težo akumulatorja pakirale približno 50 odstotkov več energije. To bi pripomoglo k temu, da bi e-VTOLS postal bolj uspešen pri kratkih in srednje dolgih potovanjih. Vendar pa je še nekaj potrebnih stvari, preden lahko ljudje resnično začnejo uporabljati e-VTOLS.

Ne gre samo za energijo

Pri talnih vozilih je dovolj določiti uporabno območje vožnje, vendar ne za letala in helikopterje. Oblikovalci zrakoplovov morajo tudi natančno preučiti moč - ali kako hitro je na voljo shranjena energija. To je pomembno zato, ker se vzpon za vzlet v jet ali potiskanje proti gravitaciji v helikopterju porabi veliko več energije kot obračanje koles avtomobila ali tovornjaka.

Zato morajo biti baterije e-VTOL sposobne prazniti približno 10-krat hitreje kot baterije v električnih cestnih vozilih. Ko se baterije izpraznijo hitreje, postanejo veliko bolj vroče. Tako kot se vaš ventilator za prenosni računalnik vrti do polne hitrosti, ko poskušate pretakati televizijsko oddajo med igranjem igre in nalaganjem velike datoteke, je treba akumulator vozila ohladiti še hitreje, kadar se od njega zahteva, da proizvede več energije.

Akumulatorji cestnih vozil se med vožnjo ne segrejejo skoraj toliko, da jih lahko hladi zrak, ki teče mimo ali s preprostimi hladilnimi sredstvi. Taksi e-VTOL pa bi na vzletu ustvaril ogromno količino toplote, kar bi trajalo dolgo časa, da se ohladi - in na kratkih vožnjah se morda celo ne ohladi, preden se spet segreje na pristanku. V primerjavi z velikostjo baterije, za isto prevoženo razdaljo, je količina toplote, ki jo proizvaja baterija e-VTOL med vzletom in pristankom, veliko več kot električni avtomobili in pol-tovornjaki.

Glej tudi: Tesla CEO Elon Musk Podrobnosti Ideja za električno letalo na podcastu Joeja Rogana

Ta dodatna toplota bo skrajšala življenjsko dobo baterij e-VTOL-a in jih morda naredila bolj dovzetne za požar. Da bi ohranili zanesljivost in varnost, bodo električna letala potrebovala specializirane hladilne sisteme, ki bi zahtevali več energije in teže.

To je ključna razlika med električnimi cestnimi vozili in električnimi zrakoplovi: Oblikovalci tovornjakov in avtomobilov nimajo nobene potrebe, da bi radikalno izboljšali svojo izhodno moč ali svoje hladilne sisteme, ker bi to prispevalo k stroškom, ne da bi pomagalo pri učinkovitosti. Samo specializirane raziskave bodo odkrile ta pomembni napredek za električna letala.

Naša naslednja raziskovalna tema bo še naprej raziskovala načine za izboljšanje baterij e-VTOL in zahteve hladilnega sistema, da bi zagotovili dovolj energije za koristno območje in dovolj moči za vzlet in pristanek - vse brez pregrevanja.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovorih Venkat Viswanathan, Shashank Sripad in William Leif Fredericks. Preberite izvirni članek tukaj.