Kako se električni automobili i kamioni sve češće pojavljuju na američkim autocestama, postavlja se pitanje: kada će komercijalno održiva električna vozila otići na nebo? Uložen je niz ambicioznih napora na izgradnji zrakoplova na električni pogon, uključujući regionalne mlazne zrakoplove i zrakoplove koji mogu prevladati veće udaljenosti. Elektrifikacija počinje kako bi se omogućila vrsta zračnog putovanja kakvom se mnogi nadaju, ali još nisu vidjeli - leteći automobil.
Ključni izazov u izgradnji električnih zrakoplova uključuje koliko energije se može pohraniti u određenoj količini energije u vozilu. Iako najbolje baterije pohranjuju oko 40 puta manje energije po jedinici težine od mlaznog goriva, veći udio njihove energije dostupan je za pokretanje pokreta. Konačno, za datu težinu, mlazno gorivo sadrži oko 14 puta više upotrebljive energije od vrhunske litij-ionske baterije.
Zbog toga su baterije relativno teške za zrakoplovstvo. Zrakoplovne tvrtke već su zabrinute zbog težine - uvođenja naknada za prtljagu, dijelom kako bi ograničili koliko aviona mora prevesti. Cestovna vozila mogu podnijeti teže baterije, ali postoje slične probleme. Naša istraživačka skupina analizirala je težinu i energiju trgovine električnim teretnim vozilima i tegljačima ili poluprikolicama.
Ovaj umjetnikov koncept NASA-inog eksperimentalnog dizajna električnih aviona pokazuje 14 motora duž krila. (NASA) Od električnih kamiona do letećih vozila
Naše istraživanje temeljili smo na vrlo točnom opisu energije potrebne za kretanje vozila, kao i na pojedinostima kemijskih procesa koji se nalaze u Li-ion baterijama. Otkrili smo da je električni poluprikolica slična današnjim onima na dizelski pogon mogla biti dizajnirana za jednokratno punjenje do 500 milja uz istovremeno prenošenje tereta s oko 93 posto svih teretnih putovanja.
Baterije će trebati pojeftiniti prije nego što ima smisla započeti 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 napajanjem, posebno tijekom polijetanja i slijetanja.
Što je e-VTOL?
Za razliku od putničkih aviona, mali dronovi s pogonom na baterije koji nose osobne pakete na kratkim udaljenostima, dok lete ispod 400 stopa, već dolaze u upotrebu. No za nošenje ljudi i prtljage potrebno je 10 puta više energije - ili više.
Pogledali smo koliko energije treba malo zrakoplovom na baterije, sposobnim za vertikalno uzlijetanje i slijetanje. Tipično su dizajnirani za lansiranje ravno poput helikoptera, prelazak na učinkovitiji način zrakoplova rotiranjem njihovih propelera ili cijelih krila tijekom leta, zatim vraćanjem natrag u režim helikoptera za slijetanje. Mogli bi biti učinkovit i ekonomičan način za kretanje po užurbanim gradskim područjima, izbjegavajući začepljene ceste.
Energetske potrebe zrakoplova e-VTOL
Naša je istraživačka skupina izgradila računalni model koji izračunava potrebnu snagu za e-VTOL za jednog putnika prema linijama dizajna koji su već u fazi izrade. Jedan takav primjer je e-VTOL koji teži 1.000 kilograma, uključujući putnički.
Najduži dio putovanja, krstareći avionskim načinom, treba najmanje energije po kilometru. Naš uzorak e-VTOL trebao bi otprilike 400 do 500 vati-sata po kilometru, otprilike isto toliko energije koliko bi trebao električni kamionet - i otprilike dvostruko više od potrošnje energije električne putničke limuzine.
Međutim, za polijetanje i slijetanje potrebno je mnogo više snage. Bez obzira koliko daleko e-VTOL putuje, naša analiza predviđa da će za uzlet i slijetanje zajedno trebati između 8.000 i 10.000 vat-sati po putovanju. To je otprilike polovica energije dostupne u većini kompaktnih električnih automobila, poput Nissana Leafa.
Za cijeli let, s najboljim raspoloživim baterijama danas, izračunali smo da bi za e-VTOL za jednog putnika namijenjen prijevozu osobe 20 milja ili manje bilo potrebno oko 800 do 900 vati sati po kilometru. To je otprilike polovina energije kao poluprikolica, što nije baš učinkovito: Ako biste trebali brzo posjetiti trgovinu u obližnjem gradu, ne biste uskočili u kabinu potpuno napunjene traktorske prikolice stići tamo.
Kako se baterije poboljšavaju u sljedećih nekoliko godina, one će možda moći napuniti oko 50 posto više energije za istu težinu baterije. To bi pomoglo da e-VTOLS postane održiviji za putovanja kratkog i srednjeg dometa. No, potrebno je još nekoliko stvari prije nego što ljudi stvarno mogu redovito početi koristiti e-VTOLS.
Pomaknite klizač 'specifične energije' u stranu da vidite kako poboljšavanje akumulatora može promijeniti energetske potrebe vozila. Venkat ViswanathanTo nije samo energija
Za zemaljska vozila određivanje korisnog dometa putovanja je dovoljno - ali ne za avione i helikoptere. Dizajneri zrakoplova također trebaju pomno ispitati snagu - ili koliko brzo je pohranjena energija dostupna. To je važno, jer dizanje u zrakoplovu ili guranje prema gravitaciji u helikopteru zahtijeva mnogo više snage od okretanja kotača automobila ili kamiona.
Stoga se e-VTOL baterije moraju moći prazniti otprilike 10 puta brže od baterija u električnim cestovnim vozilima. Kad se baterije brže isprazne, one se puno zagrijavaju. Baš kao što se ventilator vašeg prijenosnog računala vrti punom brzinom kada pokušavate emitirati TV emisiju dok igrate igru i preuzimate veliku datoteku, akumulator vozila se mora još brže ohladiti kad god se od njega zatraži da proizvede više snage.
Baterije cestovnih vozila ne zagrijavaju se gotovo toliko tijekom vožnje, pa ih može hladiti zrakom koji prolazi pored ili pomoću jednostavnih rashladnih sredstava. Taksi e-VTOL, međutim, stvorio bi ogromnu količinu topline za polijetanje za koju bi trebalo dugo vremena da se ohladi - a na kratkim se putovanjima možda neće potpuno ohladiti prije nego što se zagrijavanje ponovo pri slijetanju. U odnosu na veličinu baterije, za istu prijeđenu udaljenost količina topline koju stvara e-VTOL baterija tijekom polijetanja i slijetanja daleko je više od električnih automobila i poluprikolice.
Ta dodatna toplina skratit će vijek trajanja e-VTOL baterija i vjerojatno ih učiniti podložnijima vatri. Da bi sačuvali i pouzdanost i sigurnost, električni će zrakoplovi trebati specijalizirane sustave za hlađenje - koji će zahtijevati više energije i težine.
Ovo je ključna razlika između električnih cestovnih i električnih zrakoplova: Dizajneri kamiona i automobila nemaju potrebu za radikalnim poboljšanjem snage ili rashladnih sustava, jer bi to povećalo troškove bez poboljšanja performansi. Samo će specijalizirana istraživanja pronaći ove vitalne pomake za električne zrakoplove.
Naša sljedeća istraživačka tema nastavit će istražiti načine poboljšanja e-VTOL zahtjeva baterije i rashladnog sustava kako bi se osiguralo dovoljno energije za korisni domet i dovoljno snage za polijetanje i slijetanje - a sve bez pregrijavanja.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Venkat Viswanathan, docent strojarstva na Sveučilištu Carnegie Mellon
Shashank Sripad, dr. Sc. Kandidat strojarstva na Sveučilištu Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, asistent za strojarstvo na Sveučilištu Carnegie Mellon
