Deoarece mașinile și camioanele electrice apar din ce în ce mai mult pe autostrăzile americane, se ridică întrebarea: Când se vor duce vehiculele electrice viabile comercial pe cer? Există o serie de eforturi ambițioase pentru construirea de avioane electrice, inclusiv avioane regionale și avioane care pot acoperi distanțe mai lungi. Electrificarea începe să permită un tip de călătorie aeriană pe care mulți au sperat, dar nu l-au văzut încă - o mașină zburătoare.
O provocare esențială în construirea aeronavelor electrice implică câtă energie poate fi stocată într-o cantitate dată de greutate a sursei de energie de la bord. Deși cele mai bune baterii stochează de aproximativ 40 de ori mai puțină energie pe unitate de greutate decât combustibilul cu jet, o parte mai mare din energia lor este disponibilă pentru a conduce mișcarea. În cele din urmă, pentru o greutate dată, combustibilul cu jet conține o energie de 14 ori mai mare decât o baterie de litiu-ion de ultimă generație.
Acest lucru face ca bateriile să fie relativ grele pentru aviație. Companiile aeriene sunt deja îngrijorate de greutate - impunerea unor taxe pe bagaje, în parte, pentru a limita cât de multe avioane trebuie să poarte. Vehiculele rutiere pot face față bateriilor mai grele, dar există îngrijorări similare. Grupul nostru de cercetare a analizat schimbul de energie în greutate în camioane electrice și remorci sau semiremorci.
Conceptul acestui artist al planului electric experimental al NASA prezintă 14 motoare de-a lungul aripilor. (NASA) De la camioane electrice la vehicule zburătoare
Ne-am bazat cercetările pe o descriere foarte precisă a energiei necesare pentru a deplasa vehiculul împreună cu detalii despre procesele chimice de bază implicate în bateriile Li-ion. Am constatat că o camionetă electrică similară cu cea a motoarelor diesel de astăzi ar putea fi proiectată pentru a parcurge până la 500 de mile cu o singură încărcare, în timp ce putea transporta marfă de aproximativ 93 la sută din totalul călătoriilor de marfă.
Bateriile vor trebui să scadă mai ieftin înainte de a avea sens economic să înceapă procesul de convertire a flotei americane de transport în energie electrică. Acest lucru pare probabil să se întâmple până la începutul anilor 2020.
Vehiculele care zboară sunt puțin mai departe, deoarece au nevoi diferite de energie, în special în timpul decolării și aterizării.
Ce este un e-VTOL?
Spre deosebire de avioanele de pasageri, deja sunt utilizate în drone mici dronuri cu baterie care transportă pachete personale pe distanțe scurte, în timp ce zboară sub 400 de metri. Dar transportul de persoane și bagaje necesită de 10 ori mai multă energie - sau mai mult.
Ne-am uitat la câtă energie ar avea nevoie de o aeronavă cu baterie mică, capabilă să decoleze și să aterizeze vertical. Acestea sunt de obicei concepute pentru a lansa drept în sus ca elicopterele, trecerea la un mod de avion mai eficient, rotind elicele sau aripile întregi în timpul zborului, apoi trecerea înapoi la modul elicopter pentru aterizare. Ele ar putea fi un mod eficient și economic de a naviga în zonele urbane aglomerate, evitând drumurile înfundate.
Cerințe energetice ale aeronavelor e-VTOL
Grupul nostru de cercetare a construit un model de calculator care calculează puterea necesară pentru un e-VTOL cu un singur pasager pe linia proiectelor care sunt deja în curs de dezvoltare. Un astfel de exemplu este un e-VTOL care cântărește 1.000 de kilograme, inclusiv pasagerul.
Cea mai lungă parte a călătoriei, croaziera în modul avion, are nevoie de cea mai mică energie pe kilometru. Eșantionul nostru e-VTOL ar avea nevoie de aproximativ 400 până la 500 watt-o pe milă, aproximativ aceeași cantitate de energie de care ar avea nevoie un camion electric de ridicare - și aproximativ de două ori consumul de energie al unui sedan de pasageri electric.
Cu toate acestea, decolare și aterizare necesită mult mai multă putere. Indiferent de cât de mult se deplasează un e-VTOL, analiza noastră prevede decolare și aterizare combinată va necesita între 8.000 și 10.000 watt-oră pe călătorie. Aceasta este aproximativ jumătate din energia disponibilă în majoritatea mașinilor electrice compacte, precum un Nissan Leaf.
Pentru un zbor întreg, cu cele mai bune baterii disponibile astăzi, am calculat că un e-VTOL cu un singur pasager conceput pentru a transporta o persoană cu o distanță de 20 de mile sau mai puțin ar avea nevoie de aproximativ 800 până la 900 de watt-uri pe milă. Adică aproximativ jumătate din cantitatea de energie sub formă de semi-camion, ceea ce nu este foarte eficient: Dacă ar fi nevoie să faceți o vizită rapidă pentru a face cumpărături într-un oraș din apropiere, nu ați urca în cabina unui remorc cu tractoare complet încărcat. treci acolo.
Pe măsură ce bateriile se îmbunătățesc în următorii câțiva ani, este posibil să poată împacheta cu aproximativ 50 la sută mai multă energie pentru aceeași greutate a bateriei. Acest lucru ar ajuta la crearea e-VTOLS mai viabilă pentru călătoriile pe distanțe scurte și medii. Dar, mai sunt câteva lucruri necesare înainte ca oamenii să înceapă cu adevărat să folosească e-VTOLS în mod regulat.
Glisați glisorul „energie specifică” într-o parte pentru a vedea cum îmbunătățiți bateriile pot schimba nevoile energetice ale vehiculelor. Venkat ViswanathanNu este doar energie
Pentru vehiculele de la sol este suficientă determinarea gamei utile de călătorie - dar nu și pentru avioane și elicoptere. De asemenea, proiectanții de aeronave trebuie să examineze îndeaproape puterea - sau cât de rapid este disponibilă energia stocată. Acest lucru este important, deoarece acumularea pentru a decola într-un jet sau a împinge în jos împotriva gravitației într-un elicopter ia mult mai multă putere decât întoarcerea roților unei mașini sau camioane.
Prin urmare, bateriile e-VTOL trebuie să se poată descărca la viteze de aproximativ 10 ori mai rapide decât bateriile din vehiculele electrice rutiere. Atunci când bateriile se descarcă mai repede, acestea sunt mult mai fierbinți. La fel cum ventilatorul laptopului se învârte până la viteză maximă când încercați să transmiteți o emisiune TV în timp ce jucați un joc și descărcați un fișier mare, bateria vehiculului trebuie să fie răcită și mai repede ori de câte ori este solicitat să producă mai multă energie.
Bateriile vehiculelor rutiere nu se încălzesc aproape la fel de mult în timpul conducerii, astfel încât acestea pot fi răcite prin aerul care trece sau cu simple lichide de răcire. Cu toate acestea, un taxi e-VTOL ar genera o cantitate enormă de căldură la decolare, care ar dura mult timp să se răcească, iar în călătoriile scurte s-ar putea să nu se răcească complet înainte de încălzirea din nou la aterizare. În raport cu dimensiunea pachetului de baterii, pentru aceeași distanță parcursă, cantitatea de căldură generată de o baterie e-VTOL în timpul decolării și aterizării este cu mult mai mare decât mașinile electrice și semi-camioanele.
Căldura suplimentară va scurta viața utilă a bateriilor e-VTOL și, eventual, le va face mai susceptibile la foc. Pentru a păstra fiabilitatea și siguranța, aeronavele electrice vor avea nevoie de sisteme specializate de răcire - care ar necesita mai multă energie și greutate.
Aceasta este o diferență crucială între vehiculele electrice rutiere și aeronavele electrice: proiectanții de camioane și mașini nu au nevoie să-și îmbunătățească radical puterea de putere sau sistemele de răcire, deoarece acest lucru ar adăuga costuri fără a ajuta performanța. Doar cercetările specializate vor găsi aceste progrese vitale pentru aeronavele electrice.
Următorul nostru subiect de cercetare va continua să exploreze modalități de îmbunătățire a bateriei e-VTOL și a cerințelor sistemului de răcire pentru a oferi suficientă energie pentru o gamă utilă și suficientă putere pentru decolare și aterizare - toate fără supraîncălzire.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Venkat Viswanathan, profesor asistent de inginerie mecanică, Universitatea Carnegie Mellon
Shashank Sripad, doctorat. Candidat în inginerie mecanică, Universitatea Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, asistent de cercetare în inginerie mecanică, Universitatea Carnegie Mellon
