En Jetsons fremtid? Vurdering af flyvende bilers rolle i bæredygtig mobilitet

I 1960'ernes animerede sitcom The Jetsons, George Jetson pendler til arbejde i sin flyvende bil i familiestørrelse, som mirakuløst forvandler sig til en dokumentmappe i slutningen af ​​turen.

En ny undersøgelse af de miljømæssige bæredygtighedspåvirkninger af flyvende biler, formelt kendt som elektriske vertikale start- og landingsfly, eller VTOL'er, finder ud af, at de ikke ville være egnede til en kort pendling i Jetsons-stil.

Imidlertid, VTOL'er – der kombinerer bekvemmeligheden ved lodret start og landing som en helikopter med den effektive aerodynamiske flyvning af et fly – kan spille en nicherolle i bæredygtig mobilitet til længere ture, ifølge undersøgelsen, planlagt til udgivelse 9. april i Naturkommunikation . Adskillige virksomheder rundt om i verden er ved at udvikle VTOL-prototyper.

Flyvende biler ville være særligt værdifulde i overbelastede byer, eller på steder, hvor der er geografiske begrænsninger, som en del af en samkørselstaxiservice, ifølge undersøgelsesforfattere fra University of Michigan's Center for Sustainable Systems og fra Ford Motor Co.

"Til mig, det var meget overraskende at se, at VTOL'er var konkurrencedygtige med hensyn til energiforbrug og drivhusgasemissioner i visse scenarier, " sagde Gregory Keoleian, seniorforfatter på undersøgelsen og leder af Center for Bæredygtige Systemer på U-M's Skole for Miljø og Bæredygtighed.

"VTOL'er med fuld belægning kunne overgå jordbaserede biler til ture fra San Francisco til San Jose eller fra Detroit til Cleveland, for eksempel, " han sagde.

U-M-Ford undersøgelsen, den første omfattende bæredygtighedsvurdering af VTOL'er, kigget på energiforbruget, drivhusgasemissioner og tidsbesparelser ved VTOL sammenlignet med jordbaserede personbiler. Selvom VTOL'er producerer nul-emissioner under flyvning, deres batterier kræver elektricitet produceret på kraftværker.

Forskerne fandt ud af, at for ture på 100 kilometer (62 miles), en fuldt lastet VTOL med en pilot og tre passagerer havde lavere drivhusgasemissioner end jordbaserede biler med en gennemsnitlig belægningsprocent på 1,54. Emissioner knyttet til VTOL var 52 procent lavere end benzinbiler og 6 procent lavere end batteridrevne køretøjer.

Akshat Kasliwal, førsteforfatter til undersøgelsen og kandidatstuderende ved U-M Skolen for Miljø og Bæredygtighed, sagde, at resultaterne kan hjælpe med at guide den bæredygtige implementering af et fremvoksende mobilitetssystem forud for dets kommercialisering.

"Med disse VTOL'er, der er mulighed for gensidigt at tilpasse bæredygtighed og business cases, " sagde Kasliwal. "Ikke kun er høj passagerbelægning bedre for emissioner, det favoriserer også økonomien ved flyvende biler. Yderligere, forbrugere kunne tilskyndes til at dele rejser, givet de betydelige tidsbesparelser ved at flyve i forhold til at køre."

I de kommende årtier, den globale transportsektor står over for udfordringen med at imødekomme den voksende efterspørgsel efter bekvem passagermobilitet og samtidig reducere trængsel, forbedre sikkerheden og afbøde klimaændringer.

Elektriske køretøjer og automatiseret kørsel kan bidrage til nogle af disse mål, men er begrænset af trængsel på eksisterende veje. VTOL'er kunne potentielt overvinde nogle af disse begrænsninger ved at muliggøre piloterede taxatjenester eller andre by- og regionale luftrejsetjenester.

Adskillige luftfartsselskaber og nystartede virksomheder - Airbus, Boeing, Joby Aviation og Lilium, for eksempel - og agenturer som NASA har udviklet VTOL-prototyper. En kritisk effektiviseringsfaktor for disse fly er distribueret elektrisk fremdrift, eller DEP, som involverer brug af flere små, elektrisk drevne fremdrivningsmotorer.

U-M og Ford-forskerne brugte offentligt tilgængelige oplysninger fra disse kilder og andre til at skabe en fysikbaseret model, der beregner energiforbrug og drivhusgasemissioner for elektriske VTOL'er.

"Vores model repræsenterer generelle tendenser i VTOL-rummet og bruger parametre fra flere undersøgelser og flydesign til at specificere vægt, løft-til-træk-forhold og batterispecifik energi, " sagde Noah Furbush, studiemedforfatter og kandidatstuderende på Ingeniørhøjskolen U-M.

"Ud over, vi udførte følsomhedsanalyser for at udforske grænserne for disse parametre, sammen med andre faktorer såsom nettets kulstofintensitet og vindhastighed, " sagde Furbush, som også er medlem af U-M fodboldholdet.

Studiet begyndte, mens Kasliwal og Furbush var sommerpraktikanter hos Ford. Arbejdet fortsatte, da eleverne vendte tilbage til Ann Arbor, ved hjælp af en Ford-University of Michigan Alliance-bevilling.

Forskerne analyserede primært energiforbrug og drivhusgasemissioner under de fem faser af VTOL-flyvningen:startsvævning, klatre, krydstogt, nedstigning og landing hover. Disse fly bruger meget energi under start og stigning, men er relativt effektive under krydstogtfasen, kører med 150 mph. Som resultat, VTOL'er er mest energieffektive på lange ture, når krydstogtfasen dominerer de samlede flyvemil.

Men til kortere ture - alt mindre end 35 kilometer (22 miles) - brugte køretøjer med forbrændingsmotor med én person mindre energi og producerede færre drivhusgasemissioner end VTOL'er for én person. Det er en vigtig overvejelse, fordi den gennemsnitlige jordbaserede køretøjspendling kun er omkring 17 kilometer (11 miles).

"Som resultat, de ture, hvor VTOL'er er mere bæredygtige end benzinbiler, udgør kun en lille brøkdel af de samlede årlige køretøjsmil tilbagelagt på jorden, " sagde studie medforfatter Jim Gawron, en kandidatstuderende på U-M School for Environment and Sustainability og Ross School of Business. "Følgelig, VTOL'er vil være begrænset i deres bidrag og rolle i et bæredygtigt mobilitetssystem."

Ikke overraskende, VTOL gennemførte basisturen på 100 kilometer meget hurtigere end jordbaserede køretøjer. En punkt-til-punkt VTOL flyvebane, kombineret med højere hastigheder, resulteret i tidsbesparelser på omkring 80 procent i forhold til jordbaserede køretøjer.

"Elektrificering af fly, generelt, forventes fundamentalt at ændre luftfartsindustrien i den nærmeste fremtid, " sagde Furbush.

Undersøgelsens forfattere bemærker, at mange andre spørgsmål skal behandles for at vurdere levedygtigheden af ​​VTOL'er, inklusive omkostninger, støj og samfunds- og forbrugeraccept.