Keďže sa elektrické autá a nákladné autá objavujú na amerických diaľniciach čoraz častejšie, nastoľuje otázku: Kedy sa komerčne životaschopné elektrické vozidlá dostanú do neba? Existuje mnoho ambicióznych snáh o vybudovanie lietadiel s elektrickým pohonom, vrátane regionálnych prúdových lietadiel a lietadiel, ktoré môžu pokryť dlhšie vzdialenosti. Elektrifikácia začína umožňovať taký typ leteckej dopravy, o ktorý mnohí dúfali, ale ešte ho nevideli - lietajúce auto.
Kľúčová výzva pri výrobe elektrických lietadiel spočíva v tom, koľko energie možno uložiť v danom množstve hmotnosti palubného zdroja energie. Aj keď najlepšie akumulátory ukladajú asi 40-krát menej energie na jednotku hmotnosti ako prúdové palivo, na riadenie pohybu je k dispozícii väčší podiel ich energie. V konečnom dôsledku obsahuje prúdové palivo pre danú hmotnosť asi 14-krát viac využiteľnej energie ako najmodernejšia lítium-iónová batéria.
Vďaka tomu sú batérie pre leteckú dopravu relatívne ťažké. Letecké spoločnosti sa už obávajú váh - ukladanie poplatkov za batožinu čiastočne na obmedzenie toho, koľko lietadiel musí mať. Cestné vozidlá dokážu manipulovať s ťažšími batériami, existujú však podobné obavy. Naša výskumná skupina analyzovala kompromis medzi hmotnosťou a energiou v elektrických pickupoch a prívesoch alebo návesoch.
Koncept tohto experimentu s elektrickým lietadlom NASA ukazuje 14 motorov pozdĺž krídel. (NASA) Od elektrických nákladných vozidiel po lietajúce vozidlá
Náš výskum sme založili na veľmi presnom popise energie potrebnej na pohyb vozidla spolu s podrobnosťami o základných chemických procesoch, ktoré sa používajú v lítium-iónových batériách. Zistili sme, že elektrický náves podobný dnešným dieselovým pohonom by mohol byť navrhnutý tak, aby cestoval do 500 kilometrov na jedno nabitie, pričom by mohol prepraviť náklad asi 93 percent všetkých nákladných ciest.
Batérie bude potrebné zlacniť skôr, ako bude mať ekonomický zmysel začať proces premeny nákladnej automobilovej flotily USA na elektrickú energiu. Zdá sa, že k tomu pravdepodobne dôjde na začiatku 20. rokov.
Lietajúce vozidlá sú o niečo ďalej, pretože majú rôzne potreby energie, najmä pri vzlete a pristávaní.
Čo je to e-VTOL?
Na rozdiel od osobných lietadiel sa už začínajú používať malé roboti poháňané batériou, ktorí prepravujú osobné balíky na krátke vzdialenosti, keď lietajú pod 400 metrov. Preprava osôb a batožiny však vyžaduje 10-krát toľko energie - alebo viac.
Pozreli sme sa, koľko energie by malé lietadlo poháňané batériou schopné vertikálneho vzletu a pristátia potrebovalo. Zvyčajne sú navrhnuté tak, aby vyštartovali priamo ako vrtuľníky, presunuli sa na efektívnejší režim lietadla otáčaním svojich vrtúľ alebo celých krídel počas letu, potom prešli späť do režimu vrtuľníka na pristátie. Mohli by byť účinným a hospodárnym spôsobom navigácie v rušných mestských oblastiach a vyhnúť sa upchatým cestám.
Energetické požiadavky na lietadlá e-VTOL
Naša výskumná skupina zostavila počítačový model, ktorý počíta energiu potrebnú pre e-VTOL pre jedného cestujúceho podľa vzorov, ktoré sa už vyvíjajú. Jedným takým príkladom je e-VTOL, ktorý váži 1 000 kilogramov vrátane cestujúceho.
Najdlhšia časť cesty, cestovná v režime lietadla, potrebuje najmenšiu energiu na míľu. Naša vzorka e-VTOL by potrebovala približne 400 až 500 watt-hodín na míľu, približne rovnaké množstvo energie, aké by potreboval elektrický pick-up - a približne dvojnásobnú spotrebu energie ako elektrický sedan pre cestujúcich.
Vzlet a pristátie však vyžadujú oveľa viac energie. Bez ohľadu na to, ako ďaleko prejde e-VTOL, naša analýza predpovedá kombinovaný vzlet a pristátie, bude vyžadovať 8 000 až 10 000 watt-hodín na cestu. To je asi polovica energie, ktorá je k dispozícii vo väčšine kompaktných elektrických automobilov, ako je napríklad Nissan Leaf.
Pre celý let s najlepšími dostupnými batériami, ktoré sú dnes k dispozícii, sme vypočítali, že e-VTOL s jedným pasažierom navrhnutý na prepravu osoby 20 míľ alebo menej by vyžadoval asi 800 až 900 watt hodín na míľu. To je asi polovičné množstvo energie ako náves, čo nie je veľmi efektívne: Ak by ste potrebovali rýchlu návštevu, aby ste nakúpili v neďalekom meste, nechceli by ste naskočiť do kabíny plne naloženého ťahača na dostať sa tam.
Keď sa batérie v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov zlepšia, môžu byť schopné zabaliť približne o 50 percent viac energie pri rovnakej hmotnosti batérie. Pomohlo by to urobiť životaschopnejšie e-VTOLS pre krátke a stredné cesty. Aby však ľudia mohli skutočne používať e-VTOLS pravidelne, je potrebné urobiť ešte pár vecí.
Posuňte posúvač „špecifická energia“ zo strany na stranu, aby ste videli, ako môže vylepšenie batérií zmeniť energetické potreby vozidiel. Venkat ViswanathanNie je to len energia
Pre pozemné vozidlá postačuje určenie užitočného rozsahu jazdy - ale nie pre lietadlá a vrtuľníky. Konštruktéri lietadiel musia tiež dôkladne preskúmať výkon - alebo ako rýchlo je uložená energia k dispozícii. Je to dôležité, pretože nabehnutie na vzlet do lietadla alebo tlačenie proti gravitácii vo vrtuľníku vyžaduje oveľa viac energie ako otáčanie kolies automobilu alebo nákladného automobilu.
Batérie e-VTOL musia byť preto schopné vybíjať rýchlosťou približne 10-krát rýchlejšie ako batérie v elektrických cestných vozidlách. Keď sa batérie rýchlejšie vybijú, sú oveľa horúce. Rovnako ako sa váš fanúšik prenosného počítača roztočí na plnú rýchlosť, keď sa pri hraní hier a sťahovaní veľkého súboru snažíte vysielať prúd televíznej show, batériu vozidla musíte ochladiť ešte rýchlejšie, kedykoľvek budete vyzvaní, aby ste získali viac energie.
Batérie cestných vozidiel sa počas jazdy takmer nezohrievajú, takže ich možno chladiť vzduchom prechádzajúcim jednoduchými chladiacimi prostriedkami alebo jednoduchými chladiacimi prostriedkami. Taxi e-VTOL by však pri vzlete generoval obrovské množstvo tepla, ktoré by trvalo dlho ochladiť - a pri krátkych cestách sa nemusí úplne ochladiť skôr, ako sa znovu zohrejú pri pristátí. V pomere k veľkosti akumulátora je množstvo tepla generovaného batériou e-VTOL pri vzlete a pristátí pri rovnakej prejdenej vzdialenosti oveľa väčšie ako u elektrických automobilov a návesov.
Toto mimoriadne teplo skráti životnosť batérií e-VTOL a pravdepodobne ich zvýši náchylnosť na vznietenie. Aby sa zachovala spoľahlivosť a bezpečnosť, elektrické lietadlá budú potrebovať špecializované chladiace systémy - ktoré by vyžadovali viac energie a hmotnosti.
Toto je zásadný rozdiel medzi elektrickými cestnými vozidlami a elektrickými lietadlami: Konštruktéri nákladných automobilov a automobilov nemusia radikálne zlepšovať svoj výkon ani chladiace systémy, pretože by to zvýšilo náklady bez toho, aby to pomohlo výkonu. Tieto dôležité pokroky v oblasti elektrických lietadiel nájdu iba špecializované výskumy.
Naša ďalšia výskumná téma bude pokračovať v skúmaní spôsobov, ako zlepšiť požiadavky na batérie a chladiace systémy e-VTOL, aby poskytovali dostatok energie pre užitočný dosah a dostatok energie na vzlet a pristátie - všetko bez prehriatia.
Tento článok bol pôvodne publikovaný na stránke The Conversation.
Venkat Viswanathan, odborný asistent na strojárstve, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidát na strojné inžinierstvo, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, výskumný asistent v strojárstve, Carnegie Mellon University
