Kada elektros lėktuvai pateks į dangų? Inžinieriai pasveria

Kadangi elektriniai automobiliai ir sunkvežimiai vis dažniau rodomi JAV greitkeliuose, kyla klausimas: Kada komercinės perspektyvios elektrinės transporto priemonės pasieks dangų? Yra nemažai ambicingų pastangų statyti elektra varomus lėktuvus, įskaitant regioninius purkštukus ir lėktuvus, galinčius apimti ilgesnius atstumus. Elektrifikacija pradeda veikti tam tikros rūšies oro kelionėms, kurių daugelis tikėjosi, bet dar nematė - skraidantis automobilis.

Pagrindinis iššūkis kuriant elektrinius orlaivius apima, kiek energijos gali būti laikoma tam tikrame transporto priemonės energijos šaltinio svorio kiekyje. Nors geriausi akumuliatoriai sunaudoja apie 40 kartų mažiau energijos, nei reaktyviniai degalai, didesnė jų energijos dalis yra skirta judėti. Galiausiai dėl tam tikro svorio reaktyvinis kuras turi apie 14 kartų naudingesnę energiją nei naujausia ličio jonų baterija.

Taip pat žiūrėkite: „Susipažinkite su elektra, vandeniliu, nulinės emisijos plokštuma“, kuri iki 2025 m

Dėl to baterijos yra gana sunkios aviacijai. Oro linijų bendrovės jau nerimauja dėl svorio - iš dalies taiko mokesčius už bagažą, kad apribotų, kiek lėktuvų reikia vežti. Kelių transporto priemonės gali tvarkyti sunkesnes baterijas, tačiau yra panašių problemų. Mūsų tyrimo grupė išanalizavo svorinės energijos kompromisą elektriniuose sunkvežimiuose ir vilkikų ar puspriekabių automobiliuose.

Nuo elektrinių sunkvežimių iki skraidančių transporto priemonių

Savo tyrimus pagrindėme labai tiksliai aprašytu energijos kiekiu, reikalingu transporto priemonei judėti, taip pat apie pagrindinius cheminius procesus, susijusius su Li-ion baterijomis. Mes nustatėme, kad elektrinis puspriekabė, panaši į šiandienos dyzelinius variklius, galėtų būti suprojektuota keliauti iki 500 mylių viename įkrovime, tuo pačiu metu galėdama vežti apie 93 proc. Visų krovinių.

Baterijoms reikės pigiau, kol bus ekonomiškai prasminga pradėti transporto priemonių parko konvertavimą į elektros energiją. Atrodo, kad taip atsitiks iki 2020 m. Pradžios.

Skraidantys automobiliai yra šiek tiek toliau, nes jie turi skirtingus energijos poreikius, ypač kilimo ir tūpimo metu.

Kas yra e-VTOL?

Skirtingai nuo keleivių lėktuvų, nedideli akumuliatoriai varomi dronai, turintys asmeninius paketus trumpais atstumais, skrendantys žemiau 400 pėdų, jau pradeda naudoti. Tačiau žmonių ir bagažo vežimui reikia 10 kartų daugiau energijos.

Mes apžiūrėjome, kiek energijos reikės mažų baterijų varomų orlaivių, galinčių pakilti vertikaliai ir nusileisti. Paprastai jie yra suprojektuoti taip, kad juos būtų galima paleisti tiesiai kaip sraigtasparniai, perkelti į efektyvesnį lėktuvo režimą, sukdami jų sraigtus arba visą sparną skrydžio metu, tada pereiti atgal į sraigtasparnio režimą nusileidimui. Jie galėtų būti veiksmingas ir ekonomiškas būdas judėti judriose miesto vietose, vengiant užsikimšusių kelių.

E-VTOL orlaivių energijos reikalavimai

Mūsų tyrimo grupė sukūrė kompiuterinį modelį, kuris apskaičiuoja galingumą, reikalingą vieno keleivio e-VTOL projektui, kuris jau yra kuriamas. Vienas iš tokių pavyzdžių yra e-VTOL, kuris sveria 1000 kilogramų, įskaitant keleivį.

Ilgiausia kelionės dalis, lėktuvo skrydžio režimu, turi mažiausiai energijos per kilometrą. Mūsų mėginiui „e-VTOL“ reikės apie 400–500 vatų valandų per mylią, apie tą patį energijos kiekį, kuriam reikia elektrinio pikapo, ir apie dvigubai daugiau elektros energijos suvartojamo keleivinio sedano.

Tačiau kilimas ir nusileidimas reikalauja daug daugiau galios. Nepriklausomai nuo to, kiek e-VTOL keliauja, mūsų analizė prognozuoja kilimo ir tūpimo kombinaciją, kurioms reikės nuo 8000 iki 10 000 vatų valandų per kelionę. Tai yra maždaug pusė energijos, gaunamos daugelyje kompaktiškų elektrinių automobilių, pvz., „Nissan Leaf“.

Visam skrydžiui su geriausiomis šiandien turimomis baterijomis apskaičiavome, kad vieno keleivio e-VTOL, skirtas asmeniui, kurio atstumas yra 20 mylių ar mažiau, reikės apie 800–900 vatų valandų per mylią. Tai maždaug pusė energijos, kaip puspriekabė, o tai nėra labai veiksminga: jei jums reikia greitai apsilankyti parduotuvėje netoliese esančiame mieste, jūs negalite apžiūrėti į visiškai pakrauto traktoriaus priekabos kabiną iki nusigauti ten.

Kadangi baterijos pagerės per ateinančius kelerius metus, jos gali pakuoti apie 50 procentų daugiau energijos tam pačiam akumuliatoriaus svoriui. Tai padėtų padaryti „e-VTOLS“ perspektyvesnes trumpalaikėms ir vidutinio nuotolio kelionėms. Tačiau yra dar keletas dalykų, kurių reikia, kad žmonės iš tikrųjų galėtų pradėti naudotis e-VTOLS reguliariai.

Tai ne tik energija

Antžeminių transporto priemonių atveju pakanka nustatyti naudingą kelionės diapazoną, bet ne lėktuvams ir sraigtasparniams. Orlaivių projektuotojai taip pat turi atidžiai išnagrinėti elektros energiją - arba kaip greitai saugoma energija. Tai yra svarbu, nes sraigtasparnio pakilimas iki kilimo į orą arba stūmimas žemyn nuo gravitacijos užima daug didesnę galią nei automobilio ar sunkvežimio ratų pasukimas.

Todėl „e-VTOL“ baterijos turi būti pajėgios iškrauti maždaug 10 kartų greičiau nei elektrinių kelių transporto priemonių baterijos. Kai baterijos išsikrauna greičiau, jos gauna daug daugiau karščio. Kaip ir jūsų nešiojamojo kompiuterio ventiliatorius sukasi iki visiško greičio, kai bandote transliuoti TV laidą, kai žaidžiate ir atsisiunčiate didelį failą, transporto priemonės akumuliatoriaus paketą reikia atvėsti dar greičiau, kai paprašoma gaminti daugiau energijos.

Kelių transporto priemonių baterijos vairuojasi beveik tiek pat, kad jas būtų galima aušinti oru, einančiu per paprastus aušinimo skysčius. Tačiau „e-VTOL“ taksi pertrauka sukeltų didžiulį šilumos kiekį, kuris užtruks ilgai, kad būtų atvėsintas, o trumpais kelionėmis netgi iki galo neužšąla. Palyginti su akumuliatoriaus dydžiu, tuo pačiu nuvažiuotu atstumu e-VTOL baterijos kilimo ir tūpimo metu susidariusios šilumos kiekis yra daug daugiau nei elektriniai automobiliai ir puspriekabės.

Taip pat žiūrėkite: „Tesla“ generalinis direktorius Elonas Muskus Išsamiau apie elektros lėktuvą „Joe Rogan Podcast“

Tai, kad papildoma šiluma sutrumpins e-VTOL baterijų naudingo tarnavimo laiką ir gali padaryti juos jautresnius gaisrui. Siekiant išlaikyti patikimumą ir saugumą, elektriniams orlaiviams reikės specializuotų aušinimo sistemų, kurioms reikia daugiau energijos ir svorio.

Tai yra esminis skirtumas tarp elektrinių kelių transporto priemonių ir elektrinių orlaivių: sunkvežimių ir automobilių dizaineriai neturi jokio poreikio radikaliai pagerinti savo galios arba jų aušinimo sistemų, nes tai padidintų išlaidas, nepadėsdama našumo. Tik specializuoti moksliniai tyrimai padės rasti šiuos svarbius elektros lėktuvų pasiekimus.

Mūsų kita mokslinių tyrimų tema ir toliau tirs būdus, kaip pagerinti e-VTOL akumuliatorių ir aušinimo sistemos reikalavimus, kad būtų suteikta pakankamai energijos naudingam diapazonui ir pakankamai galios kilimui ir tūpimui - viskas be perkaitimo.

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas Venkat Viswanathan, Shashank Sripad ir William Leif Fredericks pokalbyje. Skaitykite originalų straipsnį čia.