Тъй като електрическите автомобили и камионите се появяват все по-често по американските магистрали, това повдига въпроса: Кога търговските жизнеспособни електромобили ще излязат в небето? Има редица амбициозни усилия за изграждане на самолети с електрическо захранване, включително регионални реактивни самолети и самолети, които могат да покрият по-големи разстояния. Електрификацията започва, за да даде възможност за пътуване със самолет, на което мнозина са се надявали, но все още не са виждали - летяща кола.
Ключово предизвикателство за изграждането на електрически въздухоплавателни средства включва колко енергия може да се съхранява в дадено количество тегло на бордовия енергиен източник. Въпреки че най-добрите батерии съхраняват около 40 пъти по-малко енергия за единица тегло от реактивното гориво, по-голям дял от тяхната енергия е на разположение за движение на движение. В крайна сметка, за дадено тегло, реактивното гориво съдържа около 14 пъти повече използваема енергия от най-съвременната литиево-йонна батерия.
Това прави батериите сравнително тежки за авиацията. Авиокомпаниите вече се притесняват от теглото - налагането на такси на багажа отчасти, за да ограничи колко самолети трябва да превозва. Пътните превозни средства могат да се справят с по-тежки батерии, но има подобни проблеми. Нашата изследователска група анализира теглото и енергията на търговията с електрически пикапи и ремаркета или полуремаркета.
Концепцията на този художник за експерименталния дизайн на електрически самолет на НАСА показва 14 мотора по крилата. (НАСА) От електрически камиони до летящи превозни средства
Основахме своите изследвания на много точно описание на енергията, необходима за движение на превозното средство, заедно с подробности за основните химически процеси, участващи в литиево-йонните батерии. Установихме, че електрически полуремаркета, подобни на днешните дизелови, могат да бъдат проектирани да изминават до 500 мили с едно зареждане, като същевременно могат да превозват товара на около 93 процента от всички товарни пътувания.
Батериите ще трябва да станат по-евтини, преди да има икономически смисъл да започнете процеса на преобразуване на автопарка на САЩ в електрическа енергия. Това вероятно ще се случи в началото на 2020-те.
Летящите превозни средства са малко по-далеч, защото имат различни нужди от мощност, особено по време на излитане и кацане.
Какво е e-VTOL?
За разлика от пътническите самолети, малките дронове, захранвани от 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 се нуждае от малък самолет с батерия, способен на вертикално излитане и кацане. Обикновено те са проектирани да изстрелват направо като хеликоптери, да преминават към по-ефективен самолетен режим чрез завъртане на витлата или цели крила по време на полет, след което преминават обратно към хеликоптерния режим за кацане. Те биха могли да бъдат ефективен и икономичен начин за придвижване по натоварените градски зони, като се избягват задръстени пътища.
Енергийни изисквания на самолетите e-VTOL
Нашата изследователска група е създала компютърен модел, който изчислява мощността, необходима за e-VTOL за един пътник, в съответствие с проектите, които вече са в процес на разработка. Един такъв пример е e-VTOL, който тежи 1000 килограма, включително пътника.
Най-дългата част от пътуването, пътуваща в самолетен режим, се нуждае от най-малко енергия на километър. Нашият образец e-VTOL ще се нуждае от около 400 до 500 вата часа на километър, приблизително същото количество енергия, което би трябвало електрически пикап - и около два пъти по-голяма консумация на енергия от електрически пътнически седан.
Излитането и кацането обаче изискват много повече енергия. Независимо колко далеч пътува e-VTOL, анализът ни предвижда, че заедно излитането и кацането ще изискват между 8 000 и 10 000 вата часа на пътуване. Това е около половината енергия, налична в повечето компактни електрически автомобили, като Nissan Leaf.
За цял полет, с най-добрите налични батерии днес, изчислихме, че e-VTOL за един пътник, проектиран да превозва човек 20 мили или по-малко, ще изисква около 800 до 900 вата часа на километър. Това е около половината от количеството енергия като полуремарке, което не е много ефективно: Ако трябва да посетите бързо, за да пазарувате в близък град, няма да скочите в кабината на напълно натоварен трактор-ремарке, за да стигам там.
Тъй като батериите се подобряват през следващите няколко години, те може да са в състояние да натрупат около 50 процента повече енергия за същото тегло на батерията. Това би помогнало да се направи e-VTOLS по-жизнеспособен за пътувания на къси и средни разстояния. Но има още няколко неща, преди хората да могат да започнат редовно да използват e-VTOLS.
Плъзнете плъзгача „специфична енергия“ отстрани, за да видите как подобряването на батериите може да промени енергийните нужди на автомобилите. Венкат ВишванатанТова не е само енергия
За наземните превозни средства определянето на полезния обхват на пътуване е достатъчно - но не и за самолети и хеликоптери. Дизайнерите на въздухоплавателни средства също трябва внимателно да проучат мощността - или колко бързо е налична запаметената енергия. Това е важно, тъй като издигането до излитане с джет или натискане срещу гравитация в хеликоптер отнема много повече енергия, отколкото завъртането на колелата на автомобил или камион.
Следователно, батериите e-VTOL трябва да могат да се разреждат със скорост около 10 пъти по-бърза от батериите в електрическите пътни превозни средства. Когато батериите се разреждат по-бързо, те стават много по-горещи. Точно както вентилаторът на вашия лаптоп се върти до пълна скорост, когато се опитвате да предавате телевизионно предаване, докато играете игра и изтегляте голям файл, пакетът акумулатор на автомобила трябва да се охлажда още по-бързо, когато бъде поискан да произвежда повече енергия.
Батериите на пътните превозни средства не се нагряват почти толкова, докато шофират, така че могат да се охлаждат от въздуха, преминаващ покрай или с прости охлаждащи течности. Експлоатацията на e-VTOL обаче ще генерира огромно количество топлина при излитане, което ще отнеме дълго време за охлаждане - а при кратки пътувания може дори да не изстине напълно, преди да се загрее отново при кацане. В сравнение с размера на батерията, за същото изминато разстояние количеството топлина, генерирано от e-VTOL батерия по време на излитане и кацане, е много повече от електрическите автомобили и полуремаркета.
Тази допълнителна топлина ще съкрати полезния живот на e-VTOL батериите и вероятно ще ги направи по-податливи на пожар. За да запазят както надеждността, така и безопасността, електрическите самолети ще се нуждаят от специализирани системи за охлаждане - които биха изисквали повече енергия и тегло.
Това е съществена разлика между електрическите пътни превозни средства и електрическите въздухоплавателни средства: Дизайнерите на камиони и автомобили нямат нужда да подобряват радикално нито мощността си, нито охлаждащите си системи, защото това би увеличило разходите, без да допринесе за ефективността. Само специализирани изследвания ще намерят тези жизненоважни постижения за електрическите самолети.
Следващата ни тема за изследване ще продължи да изследва начините за подобряване на изискванията за батерията и охлаждащата система за e-VTOL, за да се осигури достатъчно енергия за полезен обхват и достатъчно енергия за излитане и кацане - всичко това без прегряване.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Венкат Вишванатан, асистент по машиностроене, университет Карнеги Мелън
Шашанк Шрипад, д-р. Кандидат по машиностроене, университет Карнеги Мелън
Уилям Лейф Фредерикс, асистент в областта на машиностроенето, университет Карнеги Мелън
