Când vor purta exact avioanele electrice spre cer? Inginerii cântăresc

Pe măsură ce mașinile electrice și camioanele apar din ce în ce mai mult pe autostrăzile din SUA, ridică întrebarea: Când vor ajunge vehiculele electrice viabile din punct de vedere comercial la cer? Există o serie de eforturi ambițioase pentru a construi avioane cu motor electric, inclusiv jeturi regionale și avioane care pot acoperi distanțe mai mari. Electrificarea începe să permită un tip de călătorii aeriene pe care mulți au sperat, dar nu l-au văzut încă - o mașină zburătoare.

O provocare cheie în construirea de aeronave electrice implică cât de multă energie poate fi stocată într-o anumită cantitate de greutate a sursei de energie de la bord. Deși cele mai bune baterii stochează aproximativ 40 de ori mai puțină energie pe unitate de greutate decât combustibilul cu jet, o parte mai mare din energia lor este disponibilă pentru a conduce mișcarea. În cele din urmă, pentru o greutate dată, combustibilul cu jeturi conține de aproximativ 14 ori mai multă energie utilizabilă decât o baterie de litiu-ion de ultima generație.

A se vedea, de asemenea: Faceți cunoștință cu planul electric, hidrogen, cu emisii zero, setat să zburați până în 2025

Acest lucru face bateriile relativ grele pentru aviație. Companiile companiilor aeriene sunt deja îngrijorate de greutate - impunând taxe pentru bagaje, în parte pentru a limita numărul de avioane care trebuie transportate. Vehiculele rutiere se pot ocupa de baterii mai grele, dar există preocupări similare. Grupul nostru de cercetare a analizat comportamentul în ceea ce privește consumul de energie electrică în camioanele electrice și remorcile-remorci sau semi-camioanele.

De la camioanele electrice la vehiculele care zboară

Ne-am bazat cercetarea pe o descriere foarte exactă a energiei necesare pentru a deplasa vehiculul, împreună cu detaliile proceselor chimice subiacente implicate în bateriile Li-ion. Am constatat că un semiremorc electric, similar celui de astăzi cu motor diesel, ar putea fi conceput pentru a călători până la 500 de mile pe o singură încărcătură, în timp ce va fi capabil să transporte mărfurile de aproximativ 93% din toate călătoriile de marfă.

Bateriile vor trebui să devină mai ieftine înainte de a avea sens din punct de vedere economic să înceapă procesul de transformare a parcului de transport de mărfuri din SUA în energie electrică. Acest lucru pare să se întâmple până la începutul anilor 2020.

Vehiculele care zboară sunt la un pas mai departe, deoarece au nevoi diferite de putere, în special în timpul decolării și aterizării.

Ce este un e-VTOL?

Spre deosebire de avioanele de pasageri, dronii cu baterii mici, care transportă pachete personale pe distanțe scurte, în timp ce zboară sub 400 de picioare, intră deja în folosință. Dar transportul oamenilor și al bagajelor necesită de 10 ori mai multă energie - sau mai mult.

Ne-am uitat la cât de multă energie ar fi nevoie de o aeronavă cu baterii mici, capabilă de decolare și aterizare verticală. Acestea sunt de obicei concepute pentru a lansa drept elicoptere, trecerea la un mod de zbor mai eficient prin rotirea elicelor sau aripilor întregi în timpul zborului, apoi trecerea înapoi la modul de aterizare cu elicopterul. Acestea ar putea fi un mod eficient și economic de a naviga în zonele urbane aglomerate, evitând drumurile înfundate.

Cerințele energetice ale aeronavelor e-VTOL

Grupul nostru de cercetare a construit un model computerizat care calculează puterea necesară pentru un e-VTOL cu un singur pasager, pe linia proiectelor deja în curs de dezvoltare. Un astfel de exemplu este un e-VTOL care cântărește 1000 de kilograme, inclusiv pasagerul.

Cea mai lungă parte a călătoriei, care călătorește în modul avion, necesită cea mai mică energie pe milă. Eșantionul nostru e-VTOL ar avea nevoie de aproximativ 400 până la 500 de ore pe milă, în jurul aceleiași cantități de energie pe care un camion electric ar avea nevoie - și aproximativ dublul consumului de energie al unui sedan electric de pasageri.

Cu toate acestea, decolarea și aterizarea necesită mult mai multă putere. Indiferent de cât de departe deplasează un e-VTOL, analiza noastră prevede că decolarea și aterizarea combinată va necesita între 8.000 și 10.000 de watt-oră pe călătorie. Aceasta este aproximativ jumătate din energia disponibilă în majoritatea mașinilor electrice compacte, ca un Nissan Leaf.

Pentru un zbor întreg, cu cele mai bune baterii disponibile astăzi, am calculat că un e-VTOL cu un singur pasager conceput pentru a transporta o persoană de 20 de mile sau mai puțin ar necesita aproximativ 800 până la 900 de ore pe milă. Aceasta este cam jumătate din cantitatea de energie ca semi-camion, ceea ce nu este foarte eficient: dacă ați avea nevoie să faceți o vizită rapidă la magazinul într-un oraș din apropiere, nu ați merge în cabina unui tractor complet încărcat-remorcă treci acolo.

Pe măsură ce bateriile se îmbunătățesc în următorii câțiva ani, aceștia pot să împacheteze cu aproximativ 50% mai multă energie pentru aceeași greutate a bateriei. Acest lucru ar ajuta la eficientizarea e-VTOLS pentru excursii pe distanțe scurte și medii. Dar, există mai multe lucruri necesare înainte ca oamenii să poată începe cu e-VTOLS în mod regulat.

Nu este doar energie

Pentru vehiculele terestre, determinarea intervalului util de deplasare este suficientă - dar nu pentru avioane și elicoptere. De asemenea, designerii de aeronave trebuie să examineze îndeaproape puterea - sau cât de repede este disponibilă energia stocată. Acest lucru este important deoarece ramping-ul pentru a decola într-un jet sau a împinge în jos împotriva gravitației într-un elicopter necesită mult mai multă putere decât rotirea roților unei mașini sau unui camion.

Prin urmare, bateriile e-VTOL trebuie să poată fi descărcate la viteze de aproximativ 10 ori mai mari decât bateriile vehiculelor rutiere electrice. Când bateriile se descarcă mai repede, ele devin mult mai calde. La fel cum ventilatorul dvs. de laptop se învârte până la viteză maximă atunci când încercați să difuzați o emisiune TV în timp ce jucați un joc și descărcați un fișier mare, un acumulator pentru vehicule trebuie să fie răcit chiar mai repede ori de câte ori este rugat să producă mai multă putere.

Autovehiculele rutiere nu se încălzesc aproape în timp ce se deplasează, astfel încât acestea pot fi răcite de aerul care trece prin sau cu lichide de răcire simple. Cu toate acestea, un taxi e-VTOL ar genera o cantitate enormă de căldură la decolare, ceea ce ar dura mult timp să se răcească - și călătoriile scurte ar putea să nu se răcească complet înainte de a se încălzi din nou la aterizare. În ceea ce privește dimensiunea pachetului de acumulatori, pentru aceeași distanță parcursă, cantitatea de căldură generată de o baterie e-VTOL în timpul decolării și aterizării este mult mai mare decât autoturismele și semiremorcile electrice.

Vezi și: Directorul executiv Tesla Elon Musk Detalii Idea pentru planul electric pe Joe Rogan Podcast

Căldura suplimentară va scurta viața utilă a bateriilor e-VTOL și, eventual, le va face mai sensibile la foc. Pentru a menține fiabilitatea și siguranța, aeronavele electrice vor avea nevoie de sisteme de răcire specializate - ceea ce ar necesita mai multă energie și greutate.

Aceasta este o diferență esențială între vehiculele rutiere electrice și aeronavele electrice: proiectanții camioanelor și autoturismelor nu au nevoie să îmbunătățească radical puterea lor sau sistemele lor de răcire, deoarece aceasta ar adăuga costuri fără a contribui la performanță. Doar cercetările specializate vor găsi aceste progrese vitale pentru aeronavele electrice.

Următorul subiect de cercetare va continua să exploreze modalități de îmbunătățire a cerințelor sistemului de baterii și de răcire pentru a furniza suficientă energie pentru o gamă utila și o putere suficientă pentru decolare și aterizare - toate fără supraîncălzire.

Acest articol a fost publicat inițial pe Conversație de Venkat Viswanathan, Shashank Sripad și William Leif Fredericks. Citiți articolul original aici.