Кога точно електрическите самолети ще излязат в небето? Инженерите се претеглят

Тъй като електрическите автомобили и камионите се появяват все по-често на магистрали в САЩ, това повдига въпроса: кога комерсиално жизнените електрически превозни средства ще излязат на небето? Има редица амбициозни усилия за изграждане на самолети с електрическо задвижване, включително регионални самолети и самолети, които могат да покриват по-дълги разстояния. Електрификацията започва да дава възможност за пътуване с въздух, за което много хора се надяват, но все още не са видели - летяща кола.

Ключово предизвикателство в изграждането на електрически въздухоплавателни средства е колко енергия може да се съхранява в определено количество тегло на бордовия източник на енергия. Въпреки че най-добрите батерии съхраняват около 40 пъти по-малко енергия за единица тегло от реактивното гориво, по-голяма част от тяхната енергия е на разположение за движение. В крайна сметка, за дадено тегло, реактивното гориво съдържа около 14 пъти по-използваема енергия, отколкото най-съвременната литиево-йонна батерия.

Вижте също: Запознайте се с електрическия, водородния, нулево-емисионния самолет, настроен да лети до 2025 година

Това прави батериите относително тежки за авиацията. Авиокомпаниите вече са обезпокоени от тежестта - налагането на такси върху багажа отчасти за ограничаване на това колко самолети трябва да носят. Пътните превозни средства могат да се справят с по-тежки батерии, но има и подобни опасения. Нашата изследователска група е анализирала компромиса по отношение на теглото и енергията в електрически камиони и трактори-полуремаркета.

От електрически камиони до летящи превозни средства

Ние базирахме нашите изследвания върху много точно описание на енергията, необходима за преместване на превозното средство, заедно с подробности за основните химически процеси, свързани с литиево-йонните батерии. Установихме, че електрическият полу-камион, подобен на днешните дизелови двигатели, може да бъде проектиран да пътува до 500 мили с едно зареждане, като в същото време може да превозва товара от около 93% от всички пътувания с товар.

Батериите ще трябва да станат по-евтини, преди да е икономически изгодно да се започне процесът на превръщане на американския автопарк в електричество. Това вероятно ще се случи в началото на 2020-те години.

Летящите превозни средства са малко по-далеч, защото имат различни енергийни нужди, особено по време на излитане и кацане.

Какво е e-VTOL?

За разлика от пътническите самолети, малките безпилотни батерии, които носят лични пакети на къси разстояния, докато летят под 400 фута, вече влизат в употреба. Но носенето на хора и багаж изисква 10 пъти повече енергия - или повече.

Разгледахме колко енергия ще е нужна на самолет, захранван с батерии, с възможност за вертикално излитане и кацане. Те обикновено са проектирани да се изстрелват направо като хеликоптери, да преминат към по-ефективен самолетен режим чрез въртене на техните витла или цели крила по време на полет, след което да преминат обратно към хеликоптерния режим за кацане. Те биха могли да бъдат ефективен и икономичен начин за навигиране на оживени градски райони, като се избягват задръстените пътища.

Енергийни изисквания за самолети e-VTOL

Нашата изследователска група е изградила компютърен модел, който изчислява мощността, необходима за е-VTOL с един пътник по линиите на проекти, които вече са в процес на разработка. Един такъв пример е e-VTOL, който тежи 1000 килограма, включително пътника.

Най-дългата част от пътуването, която се движи в режим на самолет, се нуждае от най-малко енергия на миля. Нашата извадка e-VTOL ще се нуждае от около 400 до 500 ват-часа на миля, около същото количество енергия, от което би се нуждаела електрическа пикап - и около два пъти по-голяма консумация на енергия от електрически пътнически седан.

Излитането и кацането обаче изискват много повече енергия. Независимо от това колко далеч пътува e-VTOL, нашият анализ прогнозира, че излитането и кацането ще изискват между 8 000 и 10 000 вата часа на пътуване. Това е около половината от енергията, налична в повечето компактни електрически автомобили, като Nissan Leaf.

За целия полет, с най-добрите батерии, налични днес, изчислихме, че е-VTOL с един пътник, предназначен да превозва човек на 20 мили или по-малко, ще изисква около 800 до 900 ват-часа на миля. Това е около половината от количеството енергия като полу-камион, което не е много ефикасно: ако трябваше бързо да посетите магазина в близкия град, няма да се качите в кабината на напълно натоварен трактор-ремарке до стигам там.

Тъй като батериите се подобряват през следващите няколко години, те могат да опаковат с около 50% повече енергия за една и съща тежест на батерията. Това би помогнало e-VTOLS да стане по-жизнеспособна за краткосрочни и средносрочни пътувания. Но има още няколко неща, необходими на хората, за да започнат редовно да използват e-VTOLS.

Това не е просто енергия

За наземните превозни средства е достатъчно да се определи полезният обхват на пътуването, но не и за самолети и хеликоптери. Дизайнерите на въздухоплавателни средства също трябва да проучат внимателно мощността - или колко бързо е налична съхраняваната енергия. Това е важно, защото увеличаването на скоростта до излитане в самолет или притискане срещу гравитацията в хеликоптер отнема много повече енергия, отколкото завъртането на колелата на кола или камион.

Ето защо, акумулаторите e-VTOL трябва да могат да се изхвърлят на около 10 пъти по-бързо от батериите в електрическите пътни превозни средства. Когато батериите се изтощават по-бързо, те стават много по-горещи. Точно както вентилаторът на лаптопа се завърта до пълна скорост, когато се опитате да излъчите телевизионно предаване, докато играете игра и сваляте голям файл, акумулаторният пакет на превозното средство трябва да се охлажда още по-бързо, когато се иска да произвежда повече енергия.

Батериите на пътните превозни средства не се нагряват почти толкова, колкото по време на шофиране, така че могат да бъдат охлаждани от въздуха, който минава покрай или от прости охлаждащи течности. Таксите e-VTOL, обаче, ще генерират огромно количество топлина при излитане, което ще отнеме много време, за да се охлади - и при кратки пътувания може дори да не се охлади напълно, преди отново да се загрее при кацане. В сравнение с размера на батерията, за същото изминато разстояние, количеството топлина, генерирана от батерията e-VTOL по време на излитане и кацане, е много повече от електрическите автомобили и полу-камионите.

Вижте също: Главен изпълнителен директор на Tesla Елон Муск Детайли Идея за електрически самолет на Джо Роган Подкаст

Тази допълнителна топлина ще съкрати полезния живот на батериите на e-VTOL и вероятно ще ги направи по-податливи на пожар. За да се запазят както надеждността, така и безопасността, електрическите въздухоплавателни средства ще се нуждаят от специализирани охладителни системи, които изискват повече енергия и тегло.

Това е решаваща разлика между електрическите пътни превозни средства и електрическите въздухоплавателни средства. Само специализирани изследвания ще открият тези жизненоважни постижения за електрически самолети.

Следващата ни изследователска тема ще продължи да изследва начините за подобряване на изискванията за батерията и охладителната система на e-VTOL, за да се осигури достатъчно енергия за полезен диапазон и достатъчно мощност за излитане и кацане - всичко това без прегряване.

Тази статия първоначално е била публикувана на разговор от Венкат Вишванатан, Шашанк Шрипад и Уилям Лейф Фредерикс. Прочетете оригиналната статия тук.