Når elbiler og lastbiler i stigende grad vises på amerikanske motorveje, rejser det spørgsmålet: Hvornår kommer kommercielt levedygtige elektriske køretøjer til himlen? Der er en række ambitiøse bestræbelser på at bygge elektrisk drevne fly, herunder regionale jetfly og fly, der kan dække længere afstande. Elektrificering begynder at aktivere en type flyrejser, som mange har håbet på, men endnu ikke har set - en flyvende bil.
En vigtig udfordring i bygningen af elektriske fly involverer, hvor meget energi der kan opbevares i en given vægtmængde af den indbyggede energikilde. Selvom de bedste batterier opbevarer cirka 40 gange mindre energi pr. Vægtenhed end jetbrændstof, er en større andel af deres energi tilgængelig til at drive bevægelse. I sidste ende indeholder jetbrændstof for en given vægt ca. 14 gange mere anvendelig energi end et avanceret lithium-ion-batteri.
Det gør batterierne relativt tunge til luftfart. Luftfartsselskaber er allerede bekymrede for vægten - idet de pålægger gebyrer delvis at begrænse, hvor meget fly der skal med. Vejkøretøjer kan håndtere tungere batterier, men der er lignende bekymringer. Vores forskningsgruppe har analyseret vægt-energi-ombytning i elektriske pickup-køretøjer og traktor-trailer eller semitruck.
Denne kunstners koncept om NASAs eksperimentelle elektriske flydesign viser 14 motorer langs vingerne. (NASA) Fra elektriske lastbiler til flyvende køretøjer
Vi baserede vores forskning på en meget nøjagtig beskrivelse af den krævede energi til at bevæge køretøjet sammen med detaljer om de underliggende kemiske processer involveret i Li-ion-batterier. Vi fandt, at en elektrisk semi-truck, der ligner nutidens dieseldrevne, kunne være designet til at køre op til 500 miles på en enkelt opladning, mens den var i stand til at transportere lasten på cirka 93 procent af alle godsture.
Batterier bliver nødt til at blive billigere, før det giver økonomisk mening at begynde processen med at konvertere den amerikanske lastbilflåde til elektrisk energi. Det ser ud til at ske i begyndelsen af 2020'erne.
Flyvende køretøjer er lidt længere væk, fordi de har forskellige strømbehov, især under start og landing.
Hvad er en e-VTOL?
I modsætning til passagerfly, kommer små batteridrevne droner, der bærer personlige pakker over korte afstande, mens de flyver under 400 fod, allerede i brug. Men at transportere mennesker og bagage kræver 10 gange så meget energi - eller mere.
Vi kiggede på, hvor meget energi et lille batteridrevet fly, der er i stand til lodret start og landing, ville have brug for. Disse er typisk designet til at starte lige op som helikoptere, skifte til en mere effektiv flytilstand ved at dreje deres propeller eller hele vinger under flyvningen og derefter gå tilbage til helikoptertilstand til landing. De kan være en effektiv og økonomisk måde at navigere travle byområder på og undgå tilstoppede veje.
Energikrav til e-VTOL-fly
Vores forskergruppe har opbygget en computermodel, der beregner den krævede effekt til en enkelt-passager-e-VTOL på linje med design, der allerede er under udvikling. Et sådant eksempel er en e-VTOL, der vejer 1.000 kg, inklusive passageren.
Den længste del af turen, der kører i flytilstand, har brug for mindst energi pr. Mil. Vores prøve e-VTOL ville have brug for ca. 400 til 500 watt timer pr. Mil, omkring den samme mængde energi, som en elektrisk pickup skulle bruge - og cirka det dobbelte af energiforbruget i en elektrisk passager sedan.
Start og landing kræver dog meget mere kraft. Uanset hvor langt en e-VTOL rejser, forudsiger vores analyse start og landing kombineret mellem 8.000 og 10.000 watt timer per tur. Dette er cirka halvdelen af den tilgængelige energi i de fleste kompakte elbiler, ligesom en Nissan Leaf.
For en hel flyvning, med de bedste tilgængelige batterier i dag, beregnet vi, at en e-VTOL med en passager, der er konstrueret til at transportere en person 20 miles eller mindre, ville kræve ca. 800 til 900 watt timer pr. Mil. Det er omkring halvdelen af mængden af energi som en semi-truck, hvilket ikke er meget effektivt: Hvis du havde brug for et hurtigt besøg for at shoppe i en nærliggende by, ville du ikke hoppe ind i førerhuset på en fuldt lastet traktor-trailer til kom derhen.
Efterhånden som batterier forbedres i løbet af de næste par år, kan de muligvis pakke ind cirka 50 procent mere energi til den samme batterivægt. Det ville hjælpe med at gøre e-VTOLS mere levedygtig til korte og mellemstore rejser. Men der er et par flere ting, der kræves, før folk virkelig kan begynde at bruge e-VTOLS regelmæssigt.
Skub skyderen 'specifik energi' side til side for at se, hvordan det at forbedre batterierne kan ændre køretøjers energibehov. Venkat ViswanathanDet er ikke kun energi
For jordkøretøjer er det nok at bestemme, hvor nyttigt det er at rejse - men ikke for fly og helikoptere. Flydesignere er også nødt til at undersøge kraften - eller hvor hurtigt den lagrede energi er tilgængelig. Dette er vigtigt, fordi at rampe op for at starte i en jet eller skubbe ned mod tyngdekraften i en helikopter kræver meget mere kraft end at dreje hjulene på en bil eller lastbil.
Derfor skal e-VTOL-batterier kunne aflades med hastigheder ca. 10 gange hurtigere end batterierne i elektriske vejkøretøjer. Når batterier tømmes hurtigere, bliver de meget varmere. Ligesom din bærbare computer-fan roterer op til fuld hastighed, når du prøver at streame et tv-show, mens du spiller et spil og downloader en stor fil, skal et køretøjs batteripakke køles ned endnu hurtigere, når det bliver bedt om at producere mere strøm.
Vogntogets batterier opvarmes ikke næsten lige så meget under kørsel, så de kan køles af luften, der passerer forbi eller med enkle kølevæsker. En e-VTOL-taxa genererer imidlertid en enorm mængde varme ved start, som det vil tage lang tid at køle ned - og på korte ture måske ikke engang køles helt ned, før den opvarmes igen ved landing. I forhold til batteripakningens størrelse, for den samme kørte afstand, er mængden af varme, der genereres af et e-VTOL-batteri under start og landing langt mere end elbiler og semi-lastbiler.
Den ekstra varme forkorter e-VTOL-batteriernes levetid og muligvis gør dem mere modtagelige for at tage ild. For at bevare både pålidelighed og sikkerhed har elektriske fly brug for specialiserede kølesystemer - hvilket kræver mere energi og vægt.
Dette er en afgørende forskel mellem elektriske vejkøretøjer og elektriske fly: Designere af lastbiler og biler har ikke noget behov for radikalt at forbedre hverken deres effekt eller deres kølesystemer, fordi det ville tilføje omkostninger uden at hjælpe ydelsen. Kun specialiseret forskning finder disse vigtige fremskridt for elektriske fly.
Vores næste forskningsemne vil fortsat undersøge måder at forbedre e-VTOL-batteri- og kølesystemkrav til at give nok energi til nyttigt rækkevidde og nok strøm til start og landing - alt uden overophedning.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Venkat Viswanathan, adjunkt i maskinteknik, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat i maskinteknik, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, forskningsassistent i maskinteknik, Carnegie Mellon University
