Grøn luftfart tager vinger med elektriske flydesign

Med den overordnede hurtige vækst af flyrejser er flydesign modent til dekarbonisering, men udbredt elektrisk flyvning kræver bedre batterier og lette systemer.

Efterhånden som luftfartsindustrien kommer ud af virkningen af ​​COVID-19-pandemien, da passagertallet faldt, stiger antallet af flyvninger igen. Industrien er ved at komme sig til præ-pandemiske niveauer for flypassagerrejser, med nogle estimater, der forudsiger en vækst på over 40 % i 2050.

Generelt set, når der ses bort fra kriser, har flypassagerernes rejser en tendens til at fordobles hvert 15. år, og luftfartssektoren viser sig også at være en af ​​de hurtigst voksende kilder til drivhusgasemissioner (GHG). Det tegner sig i øjeblikket for 2% af de globale drivhusgasemissioner, men dette forventes potentielt at tredobles i 2050 fra 2015-niveauerne på dens eksisterende bane.

Da den europæiske grønne aftale kræver klimaneutralitet i 2050, er der behov for en grøn nulstilling for at forbedre luftfartens bæredygtighed. Følg linket for at lære mere om de foranstaltninger, som EU slår til lyd for for at reducere emissioner fra luftfarten.

Luftfarten bliver mere effektiv med motorforbedringer, men dekarbonisering kræver alternativer til nutidens fossilt brændstof-hungrende fly.

Hybrid-elektriske og fuldelektriske fremdriftssystemer tilbyder ét svar. Sådanne drivlinjer vinder allerede indpas på jorden, og det globale salg af elbiler fordobledes sidste år til 6,6 mio.

Der er adskillige projekter i gang, hvor luftfarten kan følge trop, men de står over for mange udfordringer, ikke mindst den store vægt af batterier.

Alligevel er det af "overordnet betydning" at finde miljøvenlige alternativer, der samtidig er højtydende og rentable, siger Fabio Russo, leder af forskning og udvikling hos flyproducenten Tecnam i Capua, Italien.

Skalerbarhed

Russo ledede H3PS-projektet (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), som undersøgte potentialet i hybrid-elektriske systemer i såkaldte "general aviation" (GA) fly.

Denne kategori, der dækker mere end 400.000 civile fly rundt om i verden, omfatter private fly, forretningsjetfly, helikoptere og mere, men ikke kommercielle fly.

Da fly, der har tendens til at være relativt små, betragter H3PS-initiativet dem som et første skridt i retning af at udvikle elektriske fremdriftssystemer til bredere flyvninger.

"Vi har brug for miljømæssige løsninger i dag, og H3PS-projektet blev udført for at bevise en effektiv, lavvægts og skalerbar løsning," sagde Russo.

"Skalerbar betyder, at du kan flytte dette koncept fra et firesædet fly op til et 11-sædet eller i sidste ende et fly med flere sæder."

Hybrid drivlinje

Projektet involverede også Rolls-Royce og motorproducenten Rotax. Et af dets mål var at flyve et firesædet fly drevet af det, der er kendt som en "parallel hybrid drivlinje" - der kombinerer både en traditionel forbrændingsmotor og en elektrisk motor.

Hybridfremdriftssystemet kan give et kraft-"boost" til flyet under flyvefaser såsom start og stigning, siger Russo. Med en hybrid kan man for eksempel bruge en brændstofmotor med lavere effekt end normalt og udfylde hullet for at flyet kan lette og klatre med en elmotor.

"Du kan derfor få adgang til en brændstofmotor med lavere forbrug," sagde Russo.

Denne tilgang muliggør en reduceret motorstørrelse og vægt, hvilket gør det muligt at inkludere batteriet til den elektriske motor uden at tilføje væsentlig vægt til systemet.

I slutningen af ​​sidste år lykkedes det for projektet at tage til skyerne med sine Tecnam P2010 H3PS-fly. Som den første firesædede til at gøre dette ved hjælp af et parallelt hybridsystem fremhævede H3PS præstationen som "en vigtig milepæl på luftfartsindustriens rejse mod dekarbonisering og F&U om alternative drivlinjer."

Batteriøkonomi

Ikke desto mindre understregede Russo, at projektet handlede om at demonstrere gennemførligheden af ​​sådanne fly i stedet for at skabe et produkt til markedet. Der er et stykke vej at gå for at gøre dem til virkelighed i bred skala, sagde han.

"Der er stadig en del grænser med hensyn til økonomi bag udviklingen af ​​denne slags motorer og fly," sagde Russo.

En vigtig begrænsende faktor er, hvordan batterierne forringes, når de cykler gennem genopladninger. Det betyder, at der er høje omkostninger ved at blive ved med at udskifte dem på tidsskalaer, som Russo i øjeblikket anslår kan være så lidt som et par måneder.

Han mener, at forbedringer hviler på et reelt drive, bakket op af støtte fra batterifremstillingsindustrien, for at booste batteriteknologien, samtidig med at omkostningerne til forsendelse og nedlukning reduceres og den cirkulære økonomi forbedres.

"En lokal økonomi for batteriproduktion er afgørende," sagde Russo. "Dette vil også betyde, at CO₂ gemmes ikke kun under drift, men i god tid før og efter batteriets brug i et fly."

Han tilføjede, at for flykomponenter som helhed er fokus påkrævet på den fulde end-to-end livscyklus og påvirkning af produkter.

Levende hybrider

Russo mener, at sådanne hybridfly kan blive mere økonomisk levedygtige omkring 2030, med potentiale til at spare betydeligt på emissioner i visse flyvefaser.

En test, som hans team udførte, indikerede en potentiel reduktion på 50 % i kulstofemissioner under start og indledende stigning og 20 % under hele den tre timer lange rejse, antydet af den lavere mængde brændstof, der blev brugt.

"Ved slutningen af ​​flyvningen, da vi målte det brændstof, vi forbrugte, var forskellen bemærkelsesværdig," sagde Russo.

Andre projekter undersøger, hvordan man kan optimere forskellige komponenter til fremtidige elektriske fremdriftsflyvningssystemer for at gøre dem så lette som muligt, samt sikre og effektive.

Elektromagnetisk interferens

For eksempel har EASIER-projektet designet systemer til at begrænse elektromagnetisk interferens (EMI) mellem komponenter, der kan påvirke et flys funktion.

Holdet undersøger også termiske metoder til bedre at sprede varme genereret af elektriske komponenter. That is all while trying to ensure the aircraft remain lightweight, taking the size and weight of current batteries into account.

Dr. Ignacio Castro, a senior principal engineer at Collins Aerospace, based in Cork, Ireland, is the coordinator for EASIER. He said the project has been looking into EMI filtering and wiring options with lower volume and weight for electrical powertrains in aircraft, plus "two-phase" cooling systems and methods to improve rates of heat transfer to an aircraft's exterior.

He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.

"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."

Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.

Trade-offs

There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.

He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.

"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.

Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.

Right direction

Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."

Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.

That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."

There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Udforsk yderligere

Sustainable electric aircraft