Hvornår vil elektriske fly tage til himlen? Ingeniører vejer ind

Som elektriske biler og lastbiler vises i stigende grad på de amerikanske motorveje rejser det spørgsmålet: Hvornår kommer kommercielt bæredygtige elbiler til at tage skies? Der er en række ambitiøse bestræbelser på at bygge el-drevne fly, herunder regionale jetfly og fly, der kan dække længere afstande. Elektrificering begynder at muliggøre en form for luftfart, som mange har håbet på, men endnu ikke set - en flyvende bil.

En vigtig udfordring i at bygge elektriske fly involverer, hvor meget energi der kan opbevares i en given vægtmængde af den indbyggede energikilde. Selv om de bedste batterier opbevarer ca. 40 gange mindre energi pr. Vægtenhed end jetbrændstof, er en større andel af deres energi til rådighed til at køre bevægelse. I sidste ende indeholder jetbrændstof til en given vægt cirka 14 gange mere brugbar energi end et state-of-the-art lithiumionbatteri.

Se også: Mød den elektriske, brint-, nul-emissionsplanet, der skal flyve inden 2025

Det gør batterierne relativt store for luftfart. Luftfartsselskaber er allerede bekymret for vægt - indfører gebyrer på bagage til dels for at begrænse, hvor meget fly skal bære. Vejkøretøjer kan håndtere tungere batterier, men der er lignende bekymringer. Vores forskergruppe har analyseret vægt-energi-afvigelsen i elektriske pickup trucks og traktor-trailer eller semi-trucks.

Fra elektriske lastbiler til flyvende køretøjer

Vi baserede vores forskning på en meget præcis beskrivelse af den energi, der kræves for at flytte køretøjet sammen med detaljer om de underliggende kemiske processer involveret i Li-ion-batterier. Vi fandt ud af, at en elektrisk semi-truck, der ligner dagens dieseldrevne, kunne være designet til at rejse op til 500 miles på en enkelt ladning, mens den kunne bære lasten på ca. 93 procent af alle fragtrejser.

Batterier bliver nødt til at blive billigere, før det giver økonomisk mening at starte processen med at omdanne den amerikanske lastbilflåde til el. Det synes sandsynligvis at ske i begyndelsen af ​​2020'erne.

Flyvende køretøjer er lidt længere væk, fordi de har forskellige strømbehov, især under start og landing.

Hvad er en e-VTOL?

I modsætning til passagerskibe er små batteridrevne droner, der bærer personlige pakker over korte afstande, mens de flyver under 400 fod, allerede i brug. Men at transportere mennesker og bagage kræver 10 gange så meget energi - eller mere.

Vi så på, hvor meget energi et lille batteridrevet luftfartøj kunne få til vertikal start og landing. Disse er typisk designet til at starte lige op som helikoptere, skifte til en mere effektiv flyvemodus ved at rotere deres propeller eller hele vinger under flyvning og derefter overgå tilbage til helikoptertilstand for landing. De kunne være en effektiv og økonomisk måde at navigere i travle byområder og undgå tilstoppede veje.

Energikrav til e-VTOL Aircraft

Vores forskningsgruppe har opbygget en computer model, som beregner den nødvendige effekt til en enkelt passager e-VTOL i takt med design, som allerede er under udvikling. Et sådant eksempel er en e-VTOL, der vejer 1.000 kg, herunder passageren.

Den længste del af turen, cruising i flytilstand, har den mindste energi pr. Mile. Vores prøve e-VTOL ville have brug for omkring 400 til 500 watt-timer pr. Mile, omkring den samme mængde energi som en elektrisk pickup truck ville have brug for - og omkring to gange energiforbruget af en elektrisk passagertas.

Men start og landing kræver meget mere strøm. Uanset hvor langt en e-VTOL befinder sig, forudsiger vores analyse, at start og landing kombineret kræver mellem 8.000 og 10.000 watt-timer pr. Tur. Det er omkring halvdelen af ​​den energi, der er tilgængelig i de fleste kompakte elbiler, som et Nissan Leaf.

For en hel flyvning, med de bedste batterier, der er til rådighed i dag, har vi beregnet, at en enkelt-passager e-VTOL designet til at transportere en person 20 miles eller mindre ville kræve omkring 800 til 900 watt-timer pr. Mile. Det er omkring halvdelen af ​​energien som en semi-truck, som ikke er meget effektiv: Hvis du skulle foretage et hurtigt besøg for at shoppe i en nærliggende by, ville du ikke hoppe ind i førerhuset på en fuldt lastet traktorvogn til kom derhen.

Da batterierne forbedres i løbet af de næste par år, kan de muligvis pakke ind omkring 50 procent mere energi til samme batterivægt. Det ville medvirke til at gøre e-VTOLS mere levedygtige til korte og mellemstore ture. Men der er et par ting mere nødvendige, før folk virkelig kan begynde at bruge e-VTOLS regelmæssigt.

Det er ikke bare energi

For jordkøretøjer er det tilstrækkeligt at bestemme det nyttige udbud af rejser - men ikke til fly og helikoptere. Luftfartøjsdesignere skal også nøje undersøge strømmen - eller hvor hurtigt den lagrede energi er tilgængelig. Dette er vigtigt, fordi ramping op for at tage ud i en jet eller skubbe ned mod tyngdekraften i en helikopter, tager meget mere strøm end at dreje hjulene i en bil eller lastbil.

Derfor skal e-VTOL-batterier være i stand til at udlade ved hastigheder, der er ca. 10 gange hurtigere end batterierne i elektriske vejkøretøjer. Når batterierne aflades hurtigere, bliver de meget varmere. Ligesom din laptop fan spinder op til fuld hastighed, når du forsøger at streame et tv-show, mens du spiller et spil og downloader en stor fil, skal et køretøjs batteripakke afkøles endnu hurtigere, når det bliver bedt om at producere mere strøm.

Vognkøretøjernes batterier opvarmer ikke næsten lige så meget under kørslen, så de kan afkøles ved at passere luften eller med enkle kølemidler. En e-VTOL-taxa vil imidlertid generere en enorm mængde varme ved start, hvilket vil tage lang tid at afkøle - og på korte udflugter kan ikke engang helt afkøle før opvarmning igen ved landing. I forhold til batteripakningsstørrelsen er mængden af ​​varme, der genereres af et e-VTOL-batteri under afgang og landing, langt mere end elbiler og semitrucks.

Se også: Tesla CEO Elon Musk Detaljer Idé for elektrisk plan på Joe Rogan Podcast

Denne ekstra varme vil forkorte e-VTOL-batteriernes brugstid, og muligvis gøre dem mere modtagelige for at fange brand. For at bevare både pålidelighed og sikkerhed skal elektriske fly bruge specialiserede kølesystemer - hvilket ville kræve mere energi og vægt.

Dette er en afgørende forskel mellem elektriske vejkøretøjer og elektriske fly: Designere af lastbiler og biler har ikke behov for radikalt at forbedre deres strømforsyning eller deres kølesystemer, fordi det ville øge omkostningerne uden at hjælpe ydeevnen. Kun specialiseret forskning vil finde disse vigtige fremskridt for elektriske fly.

Vores næste forskningsemne vil fortsætte med at undersøge måder at forbedre e-VTOL batteri- og kølesystemkrav for at give tilstrækkelig energi til brugsområde og tilstrækkelig strøm til start og landing - alt uden overophedning.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på Venkat Viswanathan, Shashank Sripad og William Leif Fredericks. Læs den oprindelige artikel her.