Modstand er forgæves:Superledning fører til en alder af elektrisk flyvning

Da flyrejser kommer under pres for at reducere dens miljøpåvirkning og får os til at genoverveje vores transportvalg, forskere leder efter grønnere måder at drive flyvning på.

På trods af elbilteknologi fremskridt og forbrugere langsomt men sikkert kommer til ideen om elektrisk drevet kørsel, udsigterne til elektrisk flyvning synes stadig at være langt fra at overbevise vores flygskam - den svenske betegnelse for 'flyveskam'.

Men elektrisk flyvning bliver en realitet - det er bare et spørgsmål om hvornår.

"Den tidligere konsensus er, at fuldelektrisk langdistanceflyvning med fly på størrelse med en Airbus A350 eller Boeing 787 er 20 eller 30 år væk, "siger professor Weijia Yuan fra University of Strathclyde.

"Men på grund af det presserende behov for at reducere kulstofemissioner, vi har brug for nogle dramatiske teknologier for at muliggøre ukonventionelle løsninger for at fremskynde denne proces. Den forskning, vi laver nu, vil bane vejen. "

Professor Yuan leder et team på 15 personer i Institut for Elektronik og Elektroteknik, der forsker i anvendt superledning i energilagring, kraftoverførselskabler og elektrisk fremdrift til fly.

"Superledning er en kritisk teknologi til at muliggøre nulemissioner, "siger professor Yuan.

Den primære udfordring for elektrisk flyvning er, hvordan man gør batterier og elektriske motorer små, men alligevel kraftfulde nok til at tillade en flybelastning af passagerer og deres bagage at forlade jorden og overhovedet tilbagelægge en afstand, inden den løber tør for brændstof.

"Det er i øjeblikket ikke muligt at bruge konventionelle elektriske motorer til at drive et stort passagerfly, fordi de er for omfangsrige og mangler tilstrækkelig effekttæthed, men superledere kunne holde nøglen.

"For at drive et fly på størrelse med en Airbus 320 eller Boeing 737 elektriske motorer ville det kræve en energi pr. Masseenhed på mindst 40kiloWatt pr. Kilogram (kW/kg). I øjeblikket er de mest konventionelle motorer på markedet, der kan klare sig, omkring 5kW/kg. "

For at få mere strøm fra elektriske motorer skal du øge mængden af ​​elektricitet, som en motor kan bære.

Aktuelle anliggender

Superledere - som navnet antyder - er materialer, der er ekstremt gode til at lade elektriske strømme løbe igennem dem med ringe eller ingen modstand.

De fleste mennesker er klar over, at nogle materialer leder elektricitet bedre end andre; en kobbertråd kontra en gummihandske, for eksempel.

Jo mere et materiale modstår strømmen af ​​elektrisk strøm, jo mere elektrisk energi går tabt som varme, lys eller støj. Dette er tilfældet med eksisterende elektriske motorer. Jo mere modstand, jo mindre effektivt er systemet.

En måde at reducere et materiales modstand på er at afkøle det. Jo koldere et materiale bliver, jo mere ledende det bliver, indtil det a når en kritisk temperatur, hvor al elektrisk modstand pludselig forsvinder, og det bliver superledende - øger mængden af ​​tilgængelig energi.

Superafkølet kobber, for eksempel, afkølet til minus 200 grader, kan bære 1, 000 gange strømmen af ​​kobber ved stuetemperatur.

En superafkølet, superledende spole kunne teoretisk holde en elektrisk ladning på ubestemt tid.

Kolde hårde fakta

Imidlertid, nødvendigheden af ​​at holde superledere ekstremt kolde for at udrydde deres elektriske modstand er en udfordring.

Mens nogle forskningsgrupper rundt om i verden undersøger såkaldt høj temperatur superledningsevne-alt over minus 200 grader celsius, eller fire grader Kelvin - Professor Yuans arbejde fokuserer på ledere ved lave temperaturer.

På nuværende tidspunkt, den mest almindelige måde at afkøle en leder bruger flydende nitrogen - den mest rigelige gas i atmosfæren.

Flydende helium kan også bruges, men det er et meget sjældnere element, mens flydende brint, et ekstremt eksplosivt element, kræver omhyggelig håndtering.

Det sidste, imidlertid, kan bruges til brintbrændselsceller og kunne være den valgbare strømkilde til luftfartsindustrien.

Professor Yuan siger:"Det kan være, at elektrisk fremdrevne fly vil transportere brint til brug både som brændstof og som kølevæske. Men med brint er der en stor sikkerhedsudfordring, der skal løses.

"Vores arbejde er fokuseret på at forsøge at forbedre effektiviteten af ​​elektriske motorer ved at minimere den køling, der kræves gennem nye konfigurationer af motorens spole, fremstillet med sjældne jordartsmetaller såsom yttrium barium kobberoxider, og derefter bruge avancerede analyseværktøjer til at guide designprocessen. "

Meget af forskningen finder sted i det nyligt åbnede state-of-the-art Applied Superconductivity Laboratory inden for Technology &Innovation Center (TIC).

Teamet arbejder med branchepartnere, herunder Airbus, Rolls-Royce og Epoch Wires med finansiering fra Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innovere Storbritannien, Det britiske råd, og Royal Academy of Engineering, der også finansierede to ingeniørforskningsstipendier til det nye laboratoriums akademiske leder professor Weijia Yuan og Dr. Min Zhang. Professor Yuan var forsker ved Royal Academy of Engineering mellem 2013 og 2018.

Han tilføjer:"Et af de unikke aspekter, vi har hos Strathclyde, er en stærk elektronisk og elektroteknisk afdeling kombineret med produktionskapaciteten på Advanced Forming Research Center og faciliteter som Power Networks Demonstration Center. Det er en unik kombination."

Hybrid fremdrift

Selvom fuldelektrisk flyvning af den slags, der vil tage hundredvis af feriegæster til varmere klimaer, måske er et par årtier væk endnu, Professor Yuan er optimistisk over for teknologien.

"Der er stadig måder at forbedre jetmotorer på uden at gå helt elektrisk, for eksempel gennem hybrid fremdrift, hvor du bruger forbrænding som energikilde, men elektriske motorer til fremdrift. Det ville give dig en effektivitetsbesparelse i området 10-20%, " han siger.

"Flyvning er blot en af ​​mange applikationer, der kan drage fordel af superledning:andre omfatter de energisystemer, vi bruger i vores hjem og industri, kabler til overførsel af strøm fra havmølleparker, som kunne lette et europæisk supernet, hvor elektricitet kan sendes over store afstande med lidt energitab. "

Professor Yuan og Dr. Min Zhang er involveret i et nyt fireårigt projekt på 10,4 millioner €, der er finansieret af Horizon 2020, kaldet IMOTHEP — Investigation and Modning of Technologies for Hybrid Electric Propulsion.

Projektet, ledet af ONERA, det franske rumfartslaboratorium og består af 33 centrale luftfartsindustri og forskningspartnere, vil undersøge elektriske teknologier til elektriske hybridfly sammen med avanceret flykonfigurationsdesign og innovative fremdriftsarkitekturer.

Professor Yuan og Dr. Zhang vil fokusere på kryogen kraftelektronik og superledende strømfordeling.

Projektets endelige mål er at vurdere potentialet ved hybrid elektrisk fremdrift til at reducere emissionerne fra kommerciel luftfart og til sidst at opbygge et teknologisk køreplan for dets udvikling.

Efter at have tiltrådt Strathclyde i 2018 fra University of Bath, hvor han fik sin første stilling efter afslutningen af ​​sin ph.d. i Cambridge, Professor Yuan er optimistisk og ivrig efter at tage sin forskning til det næste niveau.

Han siger:"Jeg håber at kunne se vores forskning blive anvendt i de næste fem til ti år og med succes oprette en spin-out virksomhed til kommercialisering af den.

"Når du overvejer de materialer, vi arbejder med, for det meste sjældne jordartskobberoxider, blev først opdaget i 1986, det vil tage noget mere tid, før vi kan anvende dem på hverdagens funktioner, "siger prof Yuan.

"Men Strathclyde er førende i Storbritannien på dette område, både hvad angår forskningsvolumen og teamets størrelse. "