Amikor pontosan az elektromos repülőgépek vesznek az égboltra? Mérnökök mérlegelik

Mivel az elektromos autók és tehergépkocsik egyre inkább az amerikai autópályákon jelennek meg, felveti a kérdést: Mikor fognak a kereskedelemben életképes elektromos járművek eljutni az égbe? Számos ambiciózus erőfeszítés van arra, hogy elektromos meghajtású repülőgépeket építsenek be, beleértve a hosszabb távolságokat lefedő regionális fúvókákat és repülőgépeket. Elkezdődik az elektrifikáció, amely lehetővé teszi egy olyan légi közlekedés, amelyet sokan remélnek, de még nem látták - egy repülő autó.

Az elektromos repülőgépek építésének egyik legnagyobb kihívása, hogy mennyi energiát lehet tárolni egy adott mennyiségű fedélzeti energiaforrásban. Bár a legjobb akkumulátorok körülbelül 40-szer kevesebb energiát tárolnak tömegegységenként, mint a sugárhajtómű, az energiájuk nagyobb része rendelkezésre áll a mozgáshoz. Végső soron egy adott súly esetében a sugárhajtómű körülbelül 14-szer több felhasználható energiát tartalmaz, mint a legmodernebb lítium-ion akkumulátor.

Lásd még: Ismerje meg az elektromos, hidrogén, nulla emissziós síkot 2025-re

Ez az elemeket viszonylag nehézvé teszi a légi közlekedés számára. A légi társaságok már aggódnak a súly miatt - a poggyászok díjazása részben korlátozza a repülőgépek számának korlátozását. A közúti járművek kezelhetik a nehezebb elemeket, de hasonló aggályok merülnek fel. Kutatócsoportunk elemezte a súly-energia kompromisszumot az elektromos pick-up teherautók és a vontató-pótkocsik vagy félpótkocsik esetében.

Elektromos teherautóktól a repülő járművekig

Kutatásunkat a jármű mozgatásához szükséges energia nagyon pontos leírására alapoztuk, valamint a Li-ion akkumulátorokhoz kapcsolódó alapvető kémiai folyamatok részleteit. Megállapítottuk, hogy a mai dízelüzemű motorokhoz hasonló elektromos félpótkocsit akár 500 mérföldre lehet utazni egyetlen díj ellenében, miközben az áruszállítás mintegy 93 százaléka szállítható.

Az akkumulátoroknak olcsóbbnak kell lenniük ahhoz, hogy gazdasági értelemben kezdjék el az amerikai teherautók flottájának villamos energiává történő átalakításának folyamatát. Ez valószínűleg a 2020-as évek elején fog történni.

A repülőgépek egy kicsit távolabb vannak, mert különböző energiaigényük van, különösen a felszállás és a leszállás során.

Mi az e-VTOL?

Ellentétben az utasszállító repülőgépekkel, a kisebb, 400 méteres alatti repülés közben kis csomagokkal rendelkező kis akkumulátoros drónok már használatban vannak. De az emberek és a poggyászok szállítása 10-szer annyi energiát igényel - vagy többet.

Megnéztük, hogy mennyi energiát igényelne egy függőleges felszállásra és leszállásra képes kis akkumulátoros repülőgép. Ezeket általában úgy tervezték, hogy egyenesen a helikopterekhez jussanak, hatékonyabb repülési módra váltsanak, amikor a légcsavarokat vagy a teljes szárnyakat repülés közben elforgatják, majd a leszálláshoz visszatér a helikopter üzemmódba. Ezek hatékony és gazdaságos módot jelentenek a forgalmas városi területek navigálására, elkerülve az eltömődött utakat.

Az e-VTOL repülőgépek energiaigénye

Kutatócsoportunk olyan számítógépes modellt épített, amely kiszámítja az egy-utas e-VTOL-hoz szükséges teljesítményt a már fejlesztés alatt álló tervek mentén. Az egyik ilyen példa az 1000 kg súlyú e-VTOL, beleértve az utasokat is.

Az utazás leghosszabb része, repülőgép üzemmódban közlekedve, a legkevesebb energiát igényli. Az e-VTOL mintánk körülbelül 400-500 óra / mérföldre lenne szükség, ugyanolyan energiamennyiség körül, mint egy elektromos felvonó, és körülbelül kétszerese az elektromos személyszedán energiafogyasztásának.

A felszállás és leszállás azonban sokkal több energiát igényel. Függetlenül attól, hogy az e-VTOL milyen messzire utazik, az elemzés előrejelzi, hogy a felszállás és a leszállás együttesen 8000 és 10 000 watt óra közötti utazást igényel. Ez körülbelül a felét teszi ki a legtöbb kompakt elektromos autóban, mint például a Nissan Leaf.

Egy teljes repüléshez, a ma elérhető legjobb elemekkel számítottuk, hogy egy 20 utas vagy annál kevesebb személy szállítására tervezett egy utasos e-VTOL körülbelül 800–900 watt-órát igényel. Ez körülbelül fele az energiafogyasztásnak, mint egy félpótkocsi, ami nem túl hatékony: Ha gyorsan meg kell látogatnia egy közeli városba vásárolni, akkor nem teljesen feltöltött traktor-pótkocsi vezetőfülkéjébe kerülne. odaér.

Mivel az elemek az elkövetkező néhány évben javulni tudnak, körülbelül 50 százalékkal több energiát tudnak csomagolni ugyanarra az akkumulátor súlyra. Ez segítene az e-VTOLS életképesebbé tételében a rövid- és középtávú utazások számára. Van azonban még néhány dolog, amellyel az emberek valóban elkezdhetik az e-VTOLS rendszeres használatát.

Ez nem csak energia

A földi járművek esetében elegendő az utazás hasznos tartományának meghatározása - de nem repülőgépek és helikopterek esetében. A repülőgép-tervezőknek is alaposan meg kell vizsgálniuk a tápellátást - vagy azt, hogy a tárolt energia milyen gyorsan elérhető. Ez azért fontos, mert a helikopterben egy vízsugárban való felszálláshoz vagy a gravitáció elleni lefelé történő tolatás sokkal több energiát vesz igénybe, mint egy autó vagy teherautó kerekei.

Ezért az e-VTOL akkumulátoroknak képesnek kell lenniük körülbelül 10-szer gyorsabban kisülni, mint az elektromos közúti járművek akkumulátorai. Ha az elemek gyorsabban kiürülnek, sokkal melegebbek lesznek. Ahogy a hordozható ventilátora teljes sebességre forog, amikor egy TV-műsort egy játék közben játszik le, és nagy fájlt tölt le, a jármű akkumulátorát még gyorsabban kell lehűlni, ha több energiát kér.

A közúti járművek akkumulátorai nem vezetnek majdnem annyira a vezetés közben, hogy azok lehűlhessenek az egyszerű hűtőközeggel áthaladó levegővel. Az e-VTOL taxi azonban hatalmas mennyiségű hőt termelne a felszállás során, ami hosszú időt vesz igénybe a hűléshez - és rövid utazásoknál előfordulhat, hogy még nem teljesen lehűl, mielőtt ismét felmelegszik a leszálláskor. Az akkumulátor méretéhez viszonyítva ugyanazon az úton megtett távolságnál az e-VTOL akkumulátor által felszállás és leszállás során keletkező hőmennyiség sokkal több, mint az elektromos autók és félpótkocsik.

Lásd még: Tesla vezérigazgató Elon Musk Részletek Idea az elektromos repülőgépre a Joe Rogan Podcaston

Az extra hő csökkenti az e-VTOL akkumulátorok hasznos élettartamát, és esetleg érzékenyebbé teszi őket a tűz meggyulladására. A megbízhatóság és a biztonság megőrzése érdekében az elektromos repülőgépeknek speciális hűtőrendszerekre lesz szükségük, amelyek több energiát és súlyt igényelnek.

Ez alapvető különbség az elektromos közúti járművek és az elektromos repülőgépek között: a teherautók és autók tervezői nem igénylik radikálisan javítani sem a teljesítményüket, sem a hűtőrendszereiket, mivel ez költséget jelentene a teljesítmény javítása nélkül. Csak a speciális kutatások találják meg ezeket a létfontosságú előrelépéseket az elektromos repülőgépek számára.

A következő kutatási témánk továbbra is feltárja az e-VTOL akkumulátor- és hűtőrendszer követelményeinek javítását, hogy elegendő energiát biztosítson a hasznos tartományhoz és elegendő energiához a felszálláshoz és leszálláshoz - mindezt túlmelegedés nélkül.

Ezt a cikket eredetileg Venkat Viswanathan, Shashank Sripad és William Leif Fredericks a The Conversation-ban publikálták. Olvassa el az eredeti cikket itt.