Vzhledem k tomu, že se na amerických dálnicích stále častěji objevují elektromobily a kamiony, vyvstává otázka: Kdy budou komerčně životaschopná elektrická vozidla na obloze? Existuje řada ambiciózních snah o stavbu letadel s elektrickým pohonem, včetně regionálních trysek a letadel, která mohou pokrýt delší vzdálenosti. Elektrifikace začíná umožňovat takovou leteckou dopravu, na kterou mnozí doufali, ale dosud ji neviděli - létající auto.
Klíčovou výzvou při výrobě elektrických letadel je to, kolik energie lze uložit v daném množství hmotnosti palubního zdroje energie. Ačkoli nejlepší akumulátory ukládají asi 40krát méně energie na jednotku hmotnosti než tryskové palivo, k řízení pohybu je k dispozici větší část jejich energie. Nakonec, pro danou hmotnost, tryskové palivo obsahuje asi 14krát více využitelné energie než nejmodernější lithium-iontová baterie.
Díky tomu jsou baterie pro letectví relativně těžké. Letecké společnosti se již obávají váhy - uvalení poplatků na zavazadla zčásti s cílem omezit, kolik letadel musí nést. Silnější vozidla zvládnou těžší baterie, ale existují podobné obavy. Naše výzkumná skupina analyzovala kompromis mezi hmotností a energií u elektrických pick-upů a přívěsů nebo návěsů.
Koncept tohoto experimentu s elektrickým letadlem NASA ukazuje 14 motorů po křídlech. (NASA) Od elektrických nákladních vozidel po létající vozidla
Náš výzkum jsme založili na velmi přesném popisu energie potřebné k pohybu vozidla spolu s podrobnostmi o základních chemických procesech v Li-iontových bateriích. Zjistili jsme, že elektrický návěs podobný dnešním dieselovým pohonům by mohl být navržen tak, aby dokázal cestovat až 500 mil najednou a přitom mohl přepravovat náklad asi 93 procent všech nákladních výletů.
Baterie bude muset zlevnit, než bude mít ekonomický smysl zahájit proces přeměny americké vozové flotily na elektrickou energii. Zdá se, že k tomu pravděpodobně dojde na počátku 20. let.
Létající vozidla jsou o něco dále, protože mají různé potřeby energie, zejména při vzletu a přistání.
Co je e-VTOL?
Na rozdíl od osobních letadel se již začínají používat malé bezpilotní baterie poháněné bateriemi, které přepravují osobní balíčky na krátké vzdálenosti a létají pod 400 stop. Přeprava lidí a zavazadel však vyžaduje 10krát více energie - nebo více.
Podívali jsme se, kolik energie by malé letadlo poháněné baterií schopné vertikálního vzletu a přistání vyžadovalo. Obvykle jsou navrženy tak, aby se vznesly přímo jako helikoptéry, posunuly se k efektivnějšímu režimu letounu otáčením jejich vrtulí nebo celých křídel během letu, poté se přepnuly zpět do režimu vrtulníku pro přistání. Mohly by být účinným a ekonomickým způsobem navigace v rušných městských oblastech a vyhýbat se ucpaným silnicím.
Energetické požadavky letadel e-VTOL
Naše výzkumná skupina vytvořila počítačový model, který vypočítává sílu potřebnou pro e-VTOL pro jednoho cestujícího podle vzorů, které se již vyvíjejí. Jedním takovým příkladem je e-VTOL, který váží 1 000 kilogramů, včetně cestujícího.
Nejdelší část cesty, cestovní v letadle, potřebuje nejméně energie na kilometr. Náš vzorek e-VTOL by potřeboval asi 400 až 500 watt-hodin na kilometr, přibližně stejné množství energie, jaké by potřeboval elektrický pick-up - a asi dvojnásobek energetické spotřeby elektrického sedanu pro cestující.
Vzlet a přistání však vyžadují mnohem více energie. Bez ohledu na to, jak daleko e-VTOL cestuje, naše analýza předpovídá společně vzlet a přistání, bude vyžadovat 8 000 až 10 000 watt-hodin na cestu. To je asi polovina energie dostupné v nejkompaktnějších elektrických automobilech, jako je Nissan Leaf.
Pro celý let, s nejlepšími dostupnými bateriemi dnes, jsme vypočítali, že e-VTOL pro jednoho cestujícího navržený k přepravě osoby 20 mil nebo méně by vyžadoval asi 800 až 900 watt-hodin na kilometr. To je asi poloviční množství energie jako návěs, což není příliš efektivní: Pokud byste potřebovali provést rychlou návštěvu obchodu v nedalekém městě, nemuseli byste skočit do kabiny plně naloženého přívěsu, aby dostat se tam.
Jak se baterie během příštích několika let zlepšují, mohou být schopny sbalit přibližně o 50 procent více energie při stejné hmotnosti baterie. To by pomohlo učinit e-VTOLS životaschopnějším pro krátké a střední cesty. Než však lidé začnou e-VTOLS pravidelně používat, je potřeba ještě pár věcí.
Posunutím posuvníku „měrná energie“ ze strany na stranu zjistíte, jak vylepšování baterií může změnit energetické potřeby vozidel. Venkat ViswanathanNení to jen energie
U pozemních vozidel postačuje stanovení užitečného rozsahu jízdy - ale ne pro letadla a vrtulníky. Konstruktéři letadel musí také pečlivě prozkoumat sílu - nebo jak rychle je uložená energie dostupná. To je důležité, protože stoupání vzhůru vzletem nebo tlačení dolů proti gravitaci ve vrtulníku vyžaduje mnohem více energie než otáčení kol automobilu nebo kamionu.
Baterie e-VTOL proto musí být schopny vybíjet se zhruba 10krát rychleji než baterie v elektrických silničních vozidlech. Když se baterie vybíjejí rychleji, jsou mnohem teplejší. Stejně jako se váš fanoušek notebooku otáčí až na plnou rychlost, když se při hraní hry a stahování velkého souboru streamujete televizní pořad, je třeba baterii vozidla ochladit ještě rychleji, kdykoli je to žádoucí, aby se vytvořila větší energie.
Baterie silničních vozidel se během jízdy téměř nezahřívají, takže je lze ochladit vzduchem procházejícím jednoduchými chladicími kapalinami. Taxi e-VTOL by však při vzletu generovalo obrovské množství tepla, které by trvalo dlouho, než se ochladilo - a na krátkých cestách se nemusí úplně ochladit, než se znovu zahřeje při přistání. Ve vztahu k velikosti bateriové sady je množství tepla generované baterií e-VTOL během vzletu a přistání mnohem větší než u elektrických automobilů a návěsů.
Toto mimořádné teplo zkrátí životnost baterií e-VTOL a možná je učiní citlivějšími na vznícení. Pro zachování spolehlivosti a bezpečnosti budou elektrická letadla potřebovat specializované chladicí systémy - což by vyžadovalo více energie a hmotnosti.
To je zásadní rozdíl mezi elektrickými silničními vozidly a elektrickými letadly: Návrháři nákladních vozidel a automobilů nemusí radikálně zlepšovat svůj výkon ani chladicí systémy, protože by to vedlo ke zvýšení nákladů bez zvýšení výkonu. Tyto zásadní pokroky u elektrických letadel nalezne pouze specializovaný výzkum.
Naše další výzkumné téma bude pokračovat v hledání způsobů, jak zlepšit požadavky na baterie a chladicí systémy e-VTOL, aby poskytovaly dostatek energie pro užitečný dosah a dostatek energie pro vzlet a přistání - to vše bez přehřátí.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Venkat Viswanathan, docent strojního inženýrství, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidát na strojírenství, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, výzkumný asistent ve strojírenství, Carnegie Mellon University
