Ettersom elbiler og lastebiler i økende grad vises på amerikanske motorveier, reiser det spørsmålet: Når vil kommersielt levedyktige elektriske kjøretøy ta himmelen? Det er en rekke ambisiøse forsøk på å bygge elektrisk drevne fly, inkludert regionale jetfly og fly som kan dekke lengre avstander. Elektrifisering begynner å muliggjøre en type flyreiser som mange har håpet på, men ennå ikke har sett - en flyvende bil.
En viktig utfordring i å bygge elektriske fly innebærer hvor mye energi som kan lagres i en gitt vektmengde av energikilden ombord. Selv om de beste batteriene lagrer omtrent 40 ganger mindre energi per vektenhet enn jetbrensel, er en større andel av energien deres tilgjengelig for å drive bevegelse. Til slutt, for en gitt vekt, inneholder jetbrensel omtrent 14 ganger mer brukbar energi enn et topp moderne litium-ion-batteri.
Det gjør at batteriene er relativt tunge for luftfart. Flyselskaper er allerede bekymret for vekt - ilegger avgifter på bagasjen delvis for å begrense hvor mye fly som må med. Vogntog kan håndtere tyngre batterier, men det er lignende bekymringer. Forskningsgruppen vår har analysert avveining av vekt og energi i elektriske pickup-lastebiler og traktor-tilhenger eller semitruck.
Denne kunstnerens konsept med NASAs eksperimentelle elektriske flydesign viser 14 motorer langs vingene. (NASA) Fra elektriske lastebiler til flyvende kjøretøy
Vi baserte vår forskning på en veldig nøyaktig beskrivelse av energien som kreves for å bevege kjøretøyet sammen med detaljer om de underliggende kjemiske prosessene som er involvert i Li-ion-batterier. Vi fant ut at en elektrisk semitruck som ligner på dagens dieseldrevne, kunne være designet for å reise opp til 500 mil på en enkelt ladning mens den kunne frakte rundt 93 prosent av alle godsturer.
Batterier må bli billigere før det er økonomisk fornuftig å begynne prosessen med å konvertere den amerikanske lastebilflåten til elektrisk kraft. Det ser ut til å skje i begynnelsen av 2020-årene.
Flygende kjøretøy er litt lenger unna, fordi de har forskjellige strømbehov, spesielt under start og landing.
Hva er en e-VTOL?
I motsetning til passasjerfly, er små batteridrevne droner som frakter personlige pakker over korte avstander, mens de flyr under 400 fot allerede i bruk. Men å frakte folk og bagasje krever 10 ganger så mye energi - eller mer.
Vi så på hvor mye energi et lite batteridrevet fly som var i stand til vertikal start og landing ville trenge. Disse er vanligvis designet for å starte rett opp som helikoptre, skifte til en mer effektiv flymodus ved å rotere propellene eller hele vingene under flyging, og deretter gå over til helikoptermodus for landing. De kan være en effektiv og økonomisk måte å navigere i travle byområder, og unngå tette veier.
Energikrav til e-VTOL-fly
Forskningsgruppen vår har bygget en datamodell som beregner kraften som trengs for en e-VTOL med en passasjer, i takt med design som allerede er under utvikling. Et slikt eksempel er en e-VTOL som veier 1000 kilo, inkludert passasjeren.
Den lengste delen av turen, og kjører i flymodus, trenger minst mulig energi per mil. E-VTOL-prøven vår vil trenge omtrent 400 til 500 watt timer per kilometer, omtrent den samme mengden energi en elektrisk pickup ville trenge - og omtrent det dobbelte av energiforbruket til en elektrisk passasjersedan.
Start og landing krever imidlertid mye mer kraft. Uansett hvor langt en e-VTOL kjører, spår analysen vår start og landing kombinert mellom 8000 og 10.000 watt timer per tur. Dette er omtrent halvparten av energien som er tilgjengelig i de fleste kompakte elbiler, som en Nissan Leaf.
For en hel flytur, med de beste tilgjengelige batteriene i dag, beregnet vi at en e-VTOL med en passasjer som er konstruert for å frakte en person 20 miles eller mindre, ville trenge 800 til 900 watt timer per mil. Det er omtrent halvparten av energimengden som en semi-truck, som ikke er veldig effektiv: Hvis du trengte et raskt besøk for å handle i en nærliggende by, ville du ikke hoppe inn i førerhuset til en fullastet traktor-tilhenger for å kom deg dit.
Når batteriene blir bedre de neste årene, kan det hende at de kan pakke inn omtrent 50 prosent mer energi for den samme batterivekten. Det vil bidra til å gjøre e-VTOLS mer levedyktig for korte og mellomstore turer. Men det er noen flere ting som trengs før folk virkelig kan begynne å bruke e-VTOLS regelmessig.
Skyv glidebryteren for "spesifikk energi" side til side for å se hvordan det å gjøre batteriene bedre kan endre kjøretøyers energibehov. Venkat ViswanathanDet er ikke bare energi
For bakkekjøretøyer er det nok å bestemme det nyttige reisefeltet - men ikke for fly og helikoptre. Flydesignere må også undersøke kraften nøye - eller hvor raskt den lagrede energien er tilgjengelig. Dette er viktig fordi ramping opp for å ta av i en jet eller skyve ned mot tyngdekraften i et helikopter tar mye mer kraft enn å vri hjulene til en bil eller lastebil.
Derfor må e-VTOL-batterier kunne tømmes med hastigheter omtrent 10 ganger raskere enn batteriene i elektriske kjøretøyer. Når batteriene tømmes raskere, blir de mye varmere. Akkurat som den bærbare PC-viften din spinner opp i full fart når du prøver å streame et TV-show mens du spiller et spill og laster ned en stor fil, trenger en batteripakke å kjøles ned enda raskere når den blir bedt om å produsere mer strøm.
Vogntogets batterier varmer ikke nesten like mye mens du kjører, så de kan kjøles av luften som går forbi eller med enkle kjølevæsker. En e-VTOL-taxi ville imidlertid generere en enorm mengde varme ved start som det vil ta lang tid å avkjøle seg - og på korte turer kan det hende at den ikke en gang kjøles helt ned før den varmes opp igjen ved landing. I forhold til batteripakstørrelsen er mengden varme som genereres av et e-VTOL-batteri under start og landing langt mer enn elbiler og semi-lastebiler.
Den ekstra varmen vil forkorte e-VTOL-batteriernes levetid, og muligens gjøre dem mer utsatt for å ta fyr. For å bevare både pålitelighet og sikkerhet, vil elektriske fly trenge spesialiserte kjølesystemer - som vil kreve mer energi og vekt.
Dette er en avgjørende forskjell mellom elektriske vegkjøretøyer og elektriske fly: Designere av lastebiler og biler har ikke noe behov for å forbedre hverken deres kraftytelse eller kjølesystemer radikalt, fordi det vil gi kostnader uten å hjelpe ytelsen. Bare spesialisert forskning vil finne disse viktige fremskrittene for elektriske fly.
Vårt neste emne for forskning vil fortsette å utforske måter å forbedre kravene til e-VTOL batteri og kjølesystem for å gi nok energi til nyttig rekkevidde og nok kraft til start og landing - alt uten overoppheting.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Venkat Viswanathan, adjunkt i maskinteknikk, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat i maskinteknikk, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, forskningsassistent i maskinteknikk, Carnegie Mellon University
