Hvorfor er der ikke elektriske fly endnu?

Efterhånden som elbiler og lastbiler dukker op på de amerikanske motorveje, det rejser spørgsmålet:Hvornår vil kommercielt levedygtige elektriske køretøjer komme til himlen? Der er en række ambitiøse bestræbelser på at bygge elektriske fly, herunder regionale jetfly og fly, der kan tilbagelægge længere afstande. Elektrificering er begyndt at muliggøre en type flyrejser, som mange har håbet på, men har ikke set endnu – en flyvende bil.

En central udfordring i at bygge elektriske fly involverer, hvor meget energi der kan lagres i en given mængde vægt af den ombordværende energikilde. Selvom de bedste batterier lagrer omkring 40 gange mindre energi pr. vægtenhed end flybrændstof, en større del af deres energi er tilgængelig til at drive bevægelse. Ultimativt, for en given vægt, jetbrændstof indeholder omkring 14 gange mere brugbar energi end et avanceret lithium-ion-batteri.

Det gør batterier relativt tunge til luftfart. Luftfartsselskaber er allerede bekymrede over vægten - de pålægger bagagegebyrer delvist for at begrænse, hvor meget fly skal medbringe. Vejkøretøjer kan håndtere tungere batterier, men der er lignende bekymringer. Vores forskergruppe har analyseret vægt-energi-afvejningen i elektriske pickup trucks og traktor-anhængere 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-lastbil, der ligner nutidens dieseldrevne, kunne designes til at køre op til 500 miles på en enkelt opladning, samtidig med at den var i stand til at bære lasten på omkring 93 procent af alle fragtture.

Batterier skal blive billigere, før det giver økonomisk mening at begynde processen med at konvertere den amerikanske lastbilflåde til elektrisk strøm. Det ser ud til 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 passagerfly, små batteridrevne droner, der bærer personlige pakker over korte afstande, mens du flyver under 400 fod, allerede kommer 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 fly, der er i stand til lodret start og landing, ville have brug for. Disse er typisk designet til at starte lige op som helikoptere, skifte til en mere effektiv flytilstand ved at rotere deres propeller eller hele vinger under flyvning, derefter overgang tilbage til helikoptertilstand for landing. De kunne være en effektiv og økonomisk måde at navigere travle byområder på, undgå tilstoppede veje.

Energikrav til e-VTOL-fly

Vores forskergruppe har bygget en computermodel, der beregner den nødvendige effekt til en enkeltpassager e-VTOL på linje med designs, der allerede er under udvikling. Et sådant eksempel er en e-VTOL, der vejer 1, 000 kg, inklusive passageren.

Den længste del af turen, cruising i flytilstand, har brug for mindst energi pr. Vores prøve e-VTOL ville have brug for omkring 400 til 500 watt-timer pr. omkring den samme mængde energi som en elektrisk pickup truck ville have brug for – og omkring det dobbelte af energiforbruget af en elektrisk passagersedan.

Imidlertid, start og landing kræver meget mere kraft. Uanset hvor langt en e-VTOL rejser, vores analyse forudsiger start og landing kombineret vil kræve mellem 8, 000 og 10, 000 watt-timer pr. tur. Dette er omkring halvdelen af ​​den energi, der er tilgængelig i de fleste kompakte elbiler, som en Nissan Leaf.

For en hel flyvning, med de bedste batterier til rådighed i dag, vi beregnede, at en enkeltpassager 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 ​​mængden af ​​energi som en semi-lastbil, hvilket ikke er særlig effektivt:Hvis du havde brug for et hurtigt besøg for at shoppe i en nærliggende by, du ville ikke hoppe ind i førerhuset på en fuldt lastet traktor-trailer for at komme dertil.

Efterhånden som batterierne forbedres i løbet af de næste par år, de kan muligvis pakke omkring 50 procent mere energi til den samme batterivægt. Det ville bidrage til at gøre e-VTOLS mere levedygtige for korte og mellemlange ture. Men, der er et par ting mere, der skal til, før folk virkelig kan begynde at bruge e-VTOLS regelmæssigt.

Det er ikke kun energi

Til landkøretøjer, det er nok at bestemme den brugbare rækkevidde - men ikke for fly og helikoptere. Flydesignere skal også nøje undersøge strømmen - eller hvor hurtigt den lagrede energi er tilgængelig. Dette er vigtigt, fordi rampe op for at lette i et jetfly eller skubbe ned mod tyngdekraften i en helikopter kræver meget mere kraft end at dreje hjulene på en bil eller lastbil.

Derfor, e-VTOL-batterier skal kunne aflades med hastigheder, der er cirka 10 gange hurtigere end batterierne i elektriske vejkøretøjer. Når batterier aflades hurtigere, de bliver meget varmere. Ligesom din bærbare ventilator kører op i fuld hastighed, når du prøver at streame et tv-program, mens du spiller et spil og downloader en stor fil, en bilbatteripakke skal køles endnu hurtigere ned, når den bliver bedt om at producere mere strøm.

Vejkøretøjers batterier opvarmes ikke nær så meget under kørsel, så de kan afkøles af luften, der passerer forbi eller med simple kølemidler. En e-VTOL taxa, imidlertid, ville generere en enorm mængde varme ved start, der ville tage lang tid at køle af – og på korte ture måske ikke engang køle helt ned, før den varmes op igen ved landing. I forhold til batteripakkens størrelse, for samme tilbagelagte afstand, mængden af ​​varme, der genereres af et e-VTOL-batteri under start og landing, er langt mere end elbiler og semi-lastbiler.

Den ekstra varme vil forkorte e-VTOL-batteriernes levetid, og muligvis gøre dem mere modtagelige for at antænde. For at bevare både pålidelighed og sikkerhed, elektriske fly vil have brug for specialiserede kølesystemer - som ville kræve mere energi og vægt.

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

Vores næste forskningsemne vil fortsætte med at udforske måder at forbedre e-VTOL-batteri- og kølesystemkravene for at give nok energi til brugbar rækkevidde og nok strøm til start og landing – alt sammen uden overophedning.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.