Kdy se přesně dostanou elektrická letadla do nebe? Inženýři váží

Jak se elektrická auta a nákladní automobily objevují stále častěji na amerických silnicích, vyvstává otázka: Kdy budou komerčně životaschopná elektrická vozidla na nebi? Existuje celá řada ambiciózních snah vybudovat elektricky poháněná letadla, včetně regionálních trysek a letadel, které mohou pokrýt delší vzdálenosti. Elektrifikace začíná umožňovat typ letecké dopravy, o kterou mnozí doufali, ale ještě neviděli - létající auto.

Klíčovou výzvou v budování elektrických letadel je, kolik energie může být uloženo v daném množství hmotnosti palubního zdroje energie. Ačkoli nejlepší baterie uchovávají přibližně 40 krát méně energie na jednotku hmotnosti než proudové palivo, větší podíl jejich energie je k dispozici pro řízení pohybu. Nakonec, pro danou hmotnost, proudové palivo obsahuje asi 14krát více využitelné energie než nejmodernější lithium-iontová baterie.

Viz také: Seznamte se s elektrickou, vodíkovou, nulovou emisní rovinou nastavenou na letadlo do roku 2025

Díky tomu jsou baterie poměrně těžké pro letectví. Společnosti v letecké dopravě se již obávají hmotnosti - zčásti ukládají poplatky za zavazadla, aby omezily, kolik letadel musí nést. Silniční vozidla mohou zpracovávat těžší baterie, ale existují podobné obavy. Naše výzkumná skupina analyzovala kompromis mezi váhou a energií u elektrických pick-upů a tahačů nebo návěsů.

Od elektrických vozidel až po létající vozidla

Náš výzkum jsme založili na velmi přesném popisu energie potřebné k pohybu vozidla spolu s podrobnostmi o základních chemických procesech používaných v Li-ion bateriích. Zjistili jsme, že elektrický návěs podobný dnešním dieselovým motorům by mohl být navržen tak, aby cestoval rychlostí až 500 mil za jeden poplatek a zároveň mohl přepravovat náklad asi 93 procent všech nákladních cest.

Baterie budou muset být levnější, než bude ekonomicky smysluplné zahájit proces přeměny vozového parku USA na elektrickou energii. Zdá se, že k tomu pravděpodobně dojde začátkem roku 2020. t

Létající vozidla jsou o něco dále, protože mají různé potřeby energie, zejména při vzletu a přistání.

Co je to e-VTOL?

Na rozdíl od osobních letadel, malé baterie-poháněl drones, kteří nesou osobní balíčky na krátkých vzdálenostech, zatímco létání pod 400 noh, být už v použití. Ale přeprava osob a zavazadel vyžaduje desetkrát více energie - nebo více.

Podívali jsme se na to, kolik energie potřebuje malé akumulátorové letadlo schopné vertikálního vzletu a přistání. Tito jsou typicky navržení vypustit rovný nahoru jako helikoptéry, posunout k účinnějšímu letadlu režim tím, že otočí jejich vrtule nebo celá křídla během letu, pak přechod zpátky do režimu helikoptéry pro přistání. Mohly by být účinným a ekonomickým způsobem, jak se orientovat v rušných městských oblastech a vyhnout se ucpaným silnicím.

Energetické požadavky letadel e-VTOL

Naše výzkumná skupina vybudovala počítačový model, který počítá výkon potřebný pro jedno-cestujícího e-VTOL podle vzoru, který je již ve vývoji. Jeden takový příklad je e-VTOL, který váží 1 000 kg, včetně cestujícího.

Nejdelší část cesty, jízda v letadlovém režimu, potřebuje nejméně energie na míli. Náš vzorek e-VTOL by potřeboval asi 400 až 500 watthodin na kilometr, kolem stejného množství energie, jaké by potřeboval elektrický pick-up truck - a asi dvojnásobek spotřeby energie elektrického sedanu pro cestující.

Vzlet a přistání však vyžadují mnohem více energie. Bez ohledu na to, jak daleko cestuje e-VTOL, naše analýza předpovídá, že vzlet a přistání budou kombinovat 8 000 až 10 000 watthodin na cestu. To je asi polovina energie dostupné ve většině kompaktních elektromobilů, jako je Nissan Leaf.

Pro celý let, s nejlepšími dostupnými bateriemi dnes, jsme vypočítali, že jeden-cestující e-VTOL navržený k přepravě osoby 20 mil nebo méně by vyžadoval asi 800 až 900 watthodin na míli. To je asi polovina množství energie jako semi-truck, což není příliš efektivní: Pokud jste potřebovali udělat rychlou návštěvu v nedalekém městě, nemuseli byste do kabiny plně naloženého přívěsu naskočit. dostat se tam.

Vzhledem k tomu, že se baterie během následujících několika let zlepšují, mohou být schopny zabalit přibližně o 50% více energie pro stejnou hmotnost baterie. To by pomohlo učinit e-VTOLS životaschopnější pro cesty na krátkou a střední vzdálenost. Je však třeba ještě pár věcí, než lidé budou moci pravidelně používat e-VTOLS.

Není to jen energie

Pro pozemní vozidla je dostačující stanovení užitečného rozsahu jízdy - ne však pro letadla a vrtulníky. Návrháři letadel musí také důkladně prozkoumat sílu - nebo jak rychle je uložená energie k dispozici. To je důležité, protože stoupání do vzletu v trysce nebo tlačení dolů proti gravitaci v helikoptéře trvá mnohem více než otáčení kol automobilu nebo kamionu.

Proto musí být baterie e-VTOL schopny vybíjet rychlostí zhruba desetkrát rychleji než baterie v silničních vozidlech. Když se baterie vybijí rychleji, dostanou mnohem teplejší. Stejně jako váš notebook ventilátor točí až na plnou rychlost, když se snažíte stream televizní show při hraní hry a stahování velkého souboru, vozidla akumulátor musí být ochlazena ještě rychleji, když je požádán, aby produkovat více energie.

Baterie silničních vozidel se při jízdě nezahřívají téměř tak, aby mohly být chlazeny vzduchem kolem nebo s jednoduchými chladivy. E-VTOL taxi by však generovalo obrovské množství tepla při vzletu, které by trvalo dlouho, než by se ochladilo - a na krátkých cestách by se nemuselo ani úplně ochladit, než se znovu zahřeje na přistání. Ve vztahu k velikosti akumulátoru, pro stejnou ujetou vzdálenost, množství tepla generovaného baterií e-VTOL během vzletu a přistání je mnohem více než elektrické automobily a polopřívěsy.

Viz také: Tesla CEO Elon Musk Podrobnosti Idea pro elektrické letadlo na Joe Rogan Podcast

Toto dodatečné teplo zkrátí životnost baterií e-VTOL a možná je zvýší náchylnost ke vznícení. Pro zachování spolehlivosti a bezpečnosti budou elektrická letadla potřebovat specializované chladicí systémy, které by vyžadovaly více energie a hmotnosti.

To je zásadní rozdíl mezi elektrickými silničními vozidly a elektrickými letadly: Návrháři nákladních automobilů a automobilů nemají žádnou potřebu radikálně zlepšit svůj výkon nebo chladicí systémy, protože by to zvýšilo náklady, aniž by to pomohlo výkonu. Tyto odborné pokroky pro elektrická letadla najdou pouze specializovaný výzkum.

Naše další výzkumné téma bude i nadále zkoumat způsoby, jak zlepšit požadavky na e-VTOL baterii a chladicí systém tak, aby poskytovaly dostatek energie pro užitečný dosah a dostatek energie pro vzlet a přistání - to vše bez přehřátí.

Tento článek byl původně publikován na Conversation Venkat Viswanathan, Shashank Sripad a William Leif Fredericks. Přečtěte si originální článek zde.