Kiedy dokładnie samoloty elektryczne zabiorą się w przestworza? Inżynierowie ważą

Ponieważ samochody elektryczne i ciężarówki pojawiają się coraz częściej na autostradach USA, rodzi się pytanie: kiedy komercyjnie opłacalne pojazdy elektryczne staną w przestworzach? Istnieje wiele ambitnych wysiłków na rzecz budowy samolotów z napędem elektrycznym, w tym regionalnych samolotów i samolotów, które mogą pokonywać większe odległości. Elektryfikacja zaczyna umożliwiać podróż powietrzną, na którą wielu marzyło, ale której jeszcze nie widział - latający samochód.

Kluczowym wyzwaniem w budowaniu samolotów elektrycznych jest to, ile energii można zmagazynować w danej ilości ciężaru pokładowego źródła energii. Chociaż najlepsze akumulatory przechowują około 40 razy mniej energii na jednostkę masy niż paliwo lotnicze, większa część ich energii jest dostępna do napędzania ruchu. Ostatecznie, dla danej wagi, paliwo odrzutowe zawiera około 14 razy więcej użytecznej energii niż najnowocześniejszy akumulator litowo-jonowy.

Zobacz także: Poznaj samolot elektryczny, wodór i zerową emisję, który ma lecieć do 2025 roku

To sprawia, że ​​akumulatory są stosunkowo ciężkie dla lotnictwa. Firmy lotnicze martwią się już o wagę - nakładając opłaty na bagaż, aby ograniczyć ilość samolotów, które muszą być przewożone. Pojazdy drogowe mogą obsługiwać cięższe akumulatory, ale istnieją podobne obawy. Nasza grupa badawcza przeanalizowała kompromis między wagą a energią w elektrycznych pickupach i naczepach-ciągnikach.

Od wózków elektrycznych po latające pojazdy

Nasze badania oparliśmy na bardzo dokładnym opisie energii potrzebnej do przemieszczenia pojazdu wraz ze szczegółami podstawowych procesów chemicznych związanych z akumulatorami litowo-jonowymi. Stwierdziliśmy, że elektryczna półciężarówka podobna do dzisiejszej, napędzanej silnikiem wysokoprężnym, mogłaby być zaprojektowana do podróżowania do 500 mil na jednym ładowaniu, będąc w stanie przewieźć ładunek około 93 procent wszystkich podróży towarowych.

Baterie będą musiały być tańsze, zanim zacznie się proces przekształcania amerykańskiej floty ciężarówek w energię elektryczną. Wydaje się, że stanie się to prawdopodobnie na początku lat 20.

Latające pojazdy są nieco dalej, ponieważ mają różne potrzeby energetyczne, zwłaszcza podczas startu i lądowania.

Co to jest e-VTOL?

W przeciwieństwie do samolotów pasażerskich, małe drony zasilane bateriami, które przewożą osobiste paczki na krótkich dystansach, podczas lotu poniżej 400 stóp, już wchodzą do użytku. Ale przewożenie ludzi i bagażu wymaga 10 razy więcej energii - lub więcej.

Przyjrzeliśmy się, ile energii potrzebuje mały samolot zasilany bateryjnie zdolny do pionowego startu i lądowania. Są one zazwyczaj zaprojektowane tak, aby wystrzelić prosto w górę jak helikoptery, przejść do bardziej wydajnego trybu samolotu, obracając śmigła lub całe skrzydła podczas lotu, a następnie przejść z powrotem do trybu śmigłowca w celu lądowania. Mogą być skutecznym i ekonomicznym sposobem poruszania się po zatłoczonych obszarach miejskich, unikając zatkania dróg.

Wymagania energetyczne samolotów e-VTOL

Nasza grupa badawcza zbudowała model komputerowy, który oblicza moc potrzebną dla pojedynczego pasażera e-VTOL na wzór projektów, które są już w fazie rozwoju. Jednym z takich przykładów jest e-VTOL, który waży 1000 kilogramów, w tym pasażer.

Najdłuższa część podróży, przelot w trybie samolotowym, wymaga najmniej energii na milę. Nasz przykładowy e-VTOL wymagałby około 400 do 500 watów na kilometr, przy takiej samej ilości energii, jakiej potrzebowałby elektryczny pickup - i około dwukrotnie więcej energii niż elektryczny pasażer sedan.

Jednak start i lądowanie wymagają znacznie więcej mocy. Niezależnie od tego, jak daleko podróżuje e-VTOL, nasza analiza przewiduje, że łącznie start i lądowanie będą wymagać od 8 000 do 10 000 watogodzin na podróż. To około połowa energii dostępnej w większości kompaktowych samochodów elektrycznych, takich jak Nissan Leaf.

Przez cały lot, z najlepszymi obecnie dostępnymi akumulatorami, obliczyliśmy, że e-VTOL z jednym pasażerem, zaprojektowany do przewozu osoby o długości 20 mil lub mniejszej, wymagałby od 800 do 900 godzin na kilometr. To o połowę mniej energii niż w półciężarówce, co nie jest zbyt wydajne: gdybyś musiał szybko odwiedzić sklep w pobliskim mieście, nie wskoczyłbyś do kabiny w pełni załadowanej przyczepy-ciągnika idź tam.

Ponieważ baterie ulegają poprawie w ciągu najbliższych kilku lat, mogą być w stanie zapakować o około 50 procent więcej energii na tę samą wagę baterii. Pomogłoby to uczynić e-VTOLS bardziej opłacalnym w podróżach krótkiego i średniego zasięgu. Ale zanim będzie można naprawdę regularnie korzystać z e-VTOLS, potrzeba jeszcze kilku rzeczy.

To nie tylko energia

Dla pojazdów naziemnych wystarczające jest określenie użytecznego zakresu podróży - ale nie dla samolotów i helikopterów. Projektanci samolotów muszą również dokładnie zbadać moc - lub jak szybko dostępna energia jest dostępna. Jest to ważne, ponieważ zwiększenie prędkości śmigłowca w locie lub spychanie go w dół przy pomocy grawitacji wymaga znacznie więcej energii niż obracanie kół samochodu lub ciężarówki.

Dlatego akumulatory e-VTOL muszą być w stanie rozładować się z szybkością około 10 razy większą niż akumulatory w elektrycznych pojazdach drogowych. Gdy baterie rozładowują się szybciej, stają się znacznie cieplejsze. Podobnie jak twój wentylator laptopa obraca się do pełnej prędkości, gdy próbujesz przesyłać strumieniowo program telewizyjny podczas grania w grę i pobierania dużego pliku, akumulator samochodowy musi być schładzany jeszcze szybciej, gdy zostanie poproszony o zwiększenie mocy.

Baterie pojazdów drogowych nie nagrzewają się prawie tak samo podczas jazdy, więc mogą być chłodzone powietrzem przechodzącym przez lub z prostymi płynami chłodzącymi. Jednakże taksówka e-VTOL wygenerowałaby olbrzymią ilość ciepła przy starcie, a schłodzenie zajęłoby dużo czasu - a na krótkich wycieczkach może nawet nie ostygnąć całkowicie przed ponownym rozgrzaniem podczas lądowania. W stosunku do rozmiaru pakietu baterii, dla tej samej przebytej odległości, ilość ciepła wytwarzanego przez baterię e-VTOL podczas startu i lądowania jest znacznie większa niż w przypadku samochodów elektrycznych i ciężarówek.

Zobacz także: CEO Tesli Elon Musk Szczegóły Idea na Electric Plane na Joe Rogan Podcast

To dodatkowe ciepło skróci żywotność akumulatorów e-VTOL i prawdopodobnie zwiększy ich podatność na pożar. Aby zachować niezawodność i bezpieczeństwo, samoloty elektryczne będą potrzebować wyspecjalizowanych systemów chłodzenia - co wymagałoby więcej energii i wagi.

Jest to zasadnicza różnica między elektrycznymi pojazdami drogowymi a elektrycznymi samolotami: projektanci ciężarówek i samochodów nie muszą radykalnie ulepszać ani swojej mocy wyjściowej, ani systemów chłodzenia, ponieważ zwiększyłoby to koszty bez pomocy wydajności. Tylko specjalistyczne badania znajdą te istotne postępy dla samolotów elektrycznych.

Nasz następny temat badawczy będzie kontynuował badania nad ulepszeniem wymagań dotyczących baterii i systemu chłodzenia e-VTOL, aby zapewnić wystarczającą ilość energii dla użytecznego zasięgu i wystarczającej mocy do startu i lądowania - wszystko bez przegrzania.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Venkat Viswanathan, Shashank Sripad i William Leif Fredericks. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.