Ko se električni avtomobili in tovornjaki vse pogosteje pojavljajo na ameriških avtocestah, se postavlja vprašanje: kdaj se bodo komercialno sposobna električna vozila odpeljala v nebo? Številna velikopotezna prizadevanja za gradnjo letal na električni pogon, vključno z regionalnimi letali in letali, ki lahko prevozijo daljše razdalje. Elektrifikacija se začne, da bi omogočila vrsto zračnega potovanja, ki so si ga mnogi upali, a še niso videli - letečega avtomobila.
Ključni izziv pri gradnji električnih zrakoplovov je, koliko energije lahko shranimo v določeni količini energije vgrajenega vira energije. Čeprav najboljše baterije hranijo približno 40-krat manj energije na enoto teže kot reaktivno gorivo, je večji delež njihove energije na voljo za pogon. Navsezadnje za dano težo gorivo za curke vsebuje približno 14-krat več uporabne energije kot najsodobnejša litij-ionska baterija.
Zaradi tega so baterije razmeroma težke za letalstvo. Letalske družbe so že zaskrbljene zaradi teže - odškodnine za prtljago delno omejijo, koliko letal mora prevoziti. Cestna vozila zmorejo težje baterije, vendar obstajajo podobni pomisleki. Naša raziskovalna skupina je analizirala utež med energijo in električnimi tovornjaki, vlačilci ali poltovornjaki.
Ta umetnikov koncept Nasine eksperimentalne zasnove električnih ravnin prikazuje 14 motorjev vzdolž kril. (NASA) Od električnih tovornjakov do letečih vozil
Naše raziskave smo zasnovali na zelo natančnem opisu energije, ki je potrebna za premikanje vozila, ter podrobnosti o kemijskih procesih, ki so vključene v Li-ion akumulatorje. Ugotovili smo, da je električni poltovornjak, podoben današnjim na dizelsko gorivo, lahko zasnovan tako, da z enim polnjenjem prevozi do 500 milj, hkrati pa lahko prevaža približno 93 odstotkov vseh tovornih potovanj.
Baterije se bodo morale poceniti, preden bo ekonomsko smiselno začeti postopek pretvorbe ameriškega transportnega voznega parka v električno energijo. Zdi se, da se bo to verjetno zgodilo v začetku leta 2020.
Leteča vozila so nekoliko dlje, saj imajo drugačne potrebe po moči, zlasti med vzletom in pristankom.
Kaj je e-VTOL?
Za razliko od potniških letal majhne brezpilotne brezpilotne enote, ki prevažajo osebne pakete na kratkih razdaljah in letijo pod 400 čevljev, že prihajajo v uporabo. Toda za prevoz ljudi in prtljage je potrebnih 10-krat več energije - ali več.
Ogledali smo si, koliko energije bi potrebovalo majhno letalo na baterijo, ki bi bilo sposobno vertikalni vzlet in pristanek. Ti so običajno zasnovani za izstrelitev naravnost kot helikopterji, preusmeritev na učinkovitejši način letala z vrtenjem njihovih propelerjev ali celotnih kril med letom, nato pa prehod nazaj v helikopterski način za pristanek. Lahko bi bili učinkovit in ekonomičen način za krmarjenje po prometnih mestnih območjih, pri čemer bi se izognili zamašenim cestam.
Energetske potrebe zrakoplovov e-VTOL
Naša raziskovalna skupina je zgradila računalniški model, ki izračuna moč, potrebno za e-VTOL za enega potnika, v skladu z načrti, ki so že v razvoju. En tak primer je e-VTOL, ki tehta 1.000 kilogramov, vključno s potnikom.
Najdaljši del potovanja, ki križarimo v letalskem načinu, potrebuje najmanj energije na miljo. Naš vzorec e-VTOL bi potreboval približno 400 do 500 vatov na uro, približno toliko energije, kot bi potreboval električni tovornjak - in približno dvakratno porabo električne električne potniške limuzine.
Vendar vzlet in pristanek zahtevata veliko več energije. Ne glede na to, kako daleč potuje e-VTOL, naša analiza predvideva, da bodo za vzlet in pristanek skupaj morali od 8000 do 10 000 vatnih ur na potovanje. To je približno polovica energije, ki je na voljo v večini kompaktnih električnih avtomobilov, kot je Nissan Leaf.
Za celoten let z najboljšimi baterijami, ki so danes na voljo, smo izračunali, da bi e-VTOL z enim potnikom, zasnovan za prevoz osebe 20 milj ali manj, potreboval od 800 do 900 vatov na uro. To je približno polovica energije kot poltovornjak, kar ni zelo učinkovito: Če bi morali hitro obiskati trgovino v bližnjem mestu, ne bi skočili v kabino polno naloženega traktorskega prikolice Pojdi tja.
Ker se bodo baterije v naslednjih nekaj letih izboljšale, bodo morda lahko napolnile približno 50 odstotkov več energije za isto težo baterije. To bi pripomoglo k boljši izvedljivosti e-VTOLS za potovanja kratkega in srednjega dosega. Vendar pa je potrebno še nekaj stvari, preden lahko ljudje resnično začnejo redno uporabljati e-VTOLS.
Potisnite drsnik "specifične energije" na stran, da vidite, kako izboljšanje baterij lahko spremeni energijske potrebe vozil. Venkat ViswanathanTo ni samo energija
Za zemeljska vozila je določanje koristnega dosega vožnje dovolj - vendar ne za letala in helikopterje. Oblikovalci letal morajo prav tako natančno preučiti moč - ali kako hitro je na voljo shranjena energija. To je pomembno, ker je treba z dvigovanjem v letalu ali s helikopterjem potisniti proti gravitaciji 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 akumulatorji hitreje izpraznijo, postanejo veliko bolj vroči. Tako kot se ventilator prenosnika vrti do polne hitrosti, ko poskušate predvajati TV-oddajo med igranjem in prenašanjem velike datoteke, je treba akumulator vozila še hitreje ohladiti, kadar koli od njega zahtevate več energije.
Akumulatorji cestnih vozil se med vožnjo ne segrejejo skoraj toliko, zato jih lahko hladi zrak, ki gre mimo ali s preprostimi hladilnimi sredstvi. Taksi e-VTOL pa bi ustvaril ogromno toplote pri vzletu, ki bi trajala dolgo časa, da se ohladi - na kratkih potovanjih pa se morda ne bi popolnoma ohladila, preden bi se spet ogrela ob pristanku. Količina toplote, ki jo ustvari baterija e-VTOL med vzletom in pristankom, je v primerjavi z velikostjo akumulatorja veliko več kot električni avtomobili in poltovornjaki.
Ta dodatna toplota bo skrajšala življenjsko dobo baterij e-VTOL in jih morda naredila bolj dovzetna za lov. Za ohranitev zanesljivosti in varnosti bodo električna letala potrebovala specializirane hladilne sisteme - ki bi zahtevali več energije in teže.
To je bistvena razlika med električnimi cestnimi vozili in električnimi zrakoplovi: Oblikovalci tovornih vozil in avtomobilov ne potrebujejo korenitega izboljšanja niti svoje moči ali hladilnih sistemov, ker bi to prispevalo k stroškom, ne da bi pri tem pripomogli k učinkovitosti. Le specializirane raziskave bodo našle te življenjske napredke za električna letala.
Naslednja raziskovalna tema bo nadaljevala raziskovanje načinov za izboljšanje zahtev za sistem baterij in hladilnega sistema e-VTOL, da bi zagotovili dovolj energije za uporaben domet in dovolj energije za vzlet in pristanek - vse brez pregrevanja.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Venkat Viswanathan, docent za strojništvo, univerza Carnegie Mellon
Shashank Sripad, dr. Kandidat za strojništvo na Univerzi Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, znanstveni sodelavec na področju strojništva, Univerza Carnegie Mellon
