Kada će točno električni avioni preći na nebo? Inženjeri izvagati

Kako se električni automobili i kamioni sve više pojavljuju na autocestama u SAD-u, postavlja se pitanje: kada će komercijalno održiva električna vozila otići na nebo? Postoje brojni ambiciozni napori za izgradnju zrakoplova na električni pogon, uključujući regionalne zrakoplove i zrakoplove koji mogu pokriti veće udaljenosti. Elektrifikacija počinje omogućavati neku vrstu zračnog putovanja za koje su se mnogi nadali, ali još nisu vidjeli - leteći automobil.

Ključni izazov u izgradnji električnih zrakoplova uključuje koliko se energije može pohraniti u određenoj količini težine izvora energije na vozilu. Iako najbolje baterije pohranjuju oko 40 puta manje energije po jedinici težine od goriva za mlazne motore, veći je dio energije dostupan za vožnju. Konačno, za određenu težinu, mlazno gorivo sadrži oko 14 puta više korisne energije od najsuvremenije litij-ionske baterije.

Vidi također: Upoznajte električni, vodik, avion nulte emisije postavljen na let do 2025

To čini baterije relativno teškim za zrakoplovstvo. Zrakoplovne tvrtke već su zabrinute zbog težine - nametanja pristojbi na prtljagu djelomično kako bi se ograničilo koliko zrakoplova treba nositi. Cestovna vozila mogu podnijeti teže baterije, ali postoje slične zabrinutosti. Naša istraživačka skupina analizirala je razmjenu mase i energije u električnim kamionetima i traktorskim prikolicama ili poluprikolicama.

Od električnih vozila do letećih vozila

Naše smo istraživanje temeljili na vrlo preciznom opisu energije potrebne za pomicanje vozila zajedno s pojedinostima temeljnih kemijskih procesa uključenih u Li-ion baterije. Otkrili smo da bi električni polu-kamion sličan današnjim dizelskim pogonima mogao biti dizajniran za putovanje do 500 milja s jednim punjenjem, dok bi mogao prevesti teret od oko 93 posto svih teretnih putovanja.

Baterije će morati pojeftiniti prije nego što počne proces pretvaranja američke transportne flote u električnu energiju. Čini se da će se to dogoditi početkom 2020-ih.

Leteća vozila su malo dalje, jer imaju različite potrebe za snagom, posebno za vrijeme polijetanja i slijetanja.

Što je e-VTOL?

Za razliku od putničkih zrakoplova, male bespilotne letjelice s baterijskim napajanjem koje nose osobne pakete na kratkim udaljenostima, dok lete ispod 400 stopa, već se koriste. No, nošenje ljudi i prtljage zahtijeva 10 puta više energije - ili više.

Pogledali smo koliko je energije potrebno malim zrakoplovima na baterijski pogon sposobnim za vertikalno uzlijetanje i slijetanje. Oni su tipično dizajnirani za lansiranje ravno gore kao helikopteri, prebacivanje u učinkovitiji zrakoplovni način rotiranjem njihovih propelera ili cijelih krila tijekom leta, a zatim povratak u helikopterski način slijetanja. One mogu biti učinkovit i ekonomičan način za kretanje u prometnim gradskim područjima, izbjegavajući začepljene ceste.

Energetski zahtjevi zrakoplova e-VTOL

Naša istraživačka skupina izgradila je računalni model koji izračunava snagu potrebnu za e-VTOL s jednim putnikom po uzoru na dizajne koji se već razvijaju. Jedan takav primjer je e-VTOL koji teži 1.000 kilograma, uključujući i putnika.

Najduži dio puta, koji se kreće u zrakoplovnom načinu rada, treba najmanje energije po milji. Naš uzorak e-VTOL-a trebao bi oko 400 do 500 vati-sati po milji, približno istu količinu energije koju bi trebao električni kamionet - i otprilike dvostruko veća potrošnja električne energije od putničke limuzine.

Međutim, polijetanje i slijetanje zahtijevaju mnogo više snage. Bez obzira na to koliko e-VTOL putuje, naša analiza predviđa da će polijetanje i slijetanje u kombinaciji zahtijevati između 8.000 i 10.000 W po satu. To je otprilike polovica energije dostupna u većini kompaktnih električnih automobila, kao što je Nissan Leaf.

Tijekom cijelog leta, s najboljim dostupnim baterijama, izračunali smo da je za e-VTOL s jednim putnikom, dizajniranim za nošenje osobe od 20 milja ili manje, potrebno oko 800 do 900 vati-sati po milji. To je otprilike upola manje energije od polu-kamiona, što nije jako učinkovito: ako trebate brzo posjetiti dućan u obližnjem gradu, nećete ući u kabinu potpuno napunjene traktorske prikolice stići tamo.

Kako se baterije poboljšavaju u sljedećih nekoliko godina, one će možda moći upakirati oko 50 posto više energije za istu težinu baterije. To bi pomoglo da e-VTOLS postane održiviji za kratka i srednja putovanja. No, postoji još nekoliko stvari prije nego što ljudi mogu početi koristiti e-VTOLS redovito.

To nije samo energija

Za vozila na kopnu dovoljno je odrediti korisni raspon putovanja - ali ne za zrakoplove i helikoptere. Dizajneri zrakoplova također trebaju pažljivo ispitati snagu - ili koliko brzo je pohranjena energija dostupna. To je važno zato što se uzgajanje u mlazu ili guranje prema gravitaciji u helikopteru oduzimaju mnogo više snage nego okretanje kotača automobila ili kamiona.

Stoga, e-VTOL baterije moraju biti u stanju isprazniti otprilike 10 puta brže od baterija u električnim cestovnim vozilima. Kada se baterije brže isprazne, postaju puno toplije. Baš kao što se ventilator prijenosnog računala okreće do pune brzine kada pokušate emitirati TV emisiju dok igrate igru ​​i preuzimate veliku datoteku, akumulator vozila treba se još brže ohladiti kad god se od njega zatraži da proizvede više energije.

Baterije cestovnih vozila ne zagrijavaju se gotovo jednako tijekom vožnje, tako da se mogu hladiti zrakom koji prolazi ili jednostavnim rashladnim sredstvima. Takav e-VTOL taksi, međutim, stvorio bi ogromnu količinu topline na polijetanju, što bi zahtijevalo mnogo vremena da se ohladi - i na kratkim putovanjima možda se čak ni u potpunosti ne ohladi prije ponovnog zagrijavanja na slijetanju. U odnosu na veličinu baterije, za istu prevaljenu udaljenost, količina topline koju generira e-VTOL baterija tijekom polijetanja i slijetanja daleko je veća od električnih automobila i poluprikolica.

Vidi također: Tesla CEO Elon Musk Detalji Ideja za električni avion na Joe Rogan Podcast

Ta dodatna toplina skratit će korisni vijek trajanja baterija e-VTOL-a i možda ih učiniti osjetljivijim na požar. Kako bi se sačuvala pouzdanost i sigurnost, električni zrakoplovi će trebati specijalizirane sustave hlađenja - koji će zahtijevati više energije i težine.

To je ključna razlika između električnih cestovnih vozila i električnih zrakoplova: dizajneri kamiona i automobila nemaju potrebu da radikalno poboljšaju ili svoju izlaznu snagu ili svoje rashladne sustave, jer bi to doprinijelo povećanju troškova, a da pri tome ne bi bilo bolje. Jedino specijalizirano istraživanje naći će te vitalne prednosti za električne zrakoplove.

Naša sljedeća tema istraživanja nastavit će istraživati ​​načine za poboljšanje zahtjeva za bateriju i sustav hlađenja e-VTOL-a kako bi se osiguralo dovoljno energije za koristan raspon i dovoljno snage za uzlijetanje i slijetanje - sve bez pregrijavanja.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Venkat Viswanathan, Shashank Sripad i William Leif Fredericks. Pročitajte izvorni članak ovdje.