Wanneer precies zullen elektrische vliegtuigen naar de hemel gaan? Ingenieurs wegen in

Omdat elektrische auto's en vrachtwagens steeds vaker op Amerikaanse snelwegen verschijnen, stelt dit de vraag: wanneer komen commercieel levensvatbare elektrische voertuigen de lucht in? Er zijn een aantal ambitieuze inspanningen om elektrische vliegtuigen te bouwen, inclusief regionale vliegtuigen en vliegtuigen die langere afstanden kunnen overbruggen. Elektrificatie begint een soort vliegreizen mogelijk te maken waar velen op hoopten, maar nog niet hebben gezien - een vliegende auto.

Een belangrijke uitdaging bij het bouwen van elektrische vliegtuigen houdt in hoeveel energie kan worden opgeslagen in een gegeven hoeveelheid gewicht van de energiebron aan boord. Hoewel de beste batterijen ongeveer 40 keer minder energie per gewichtseenheid opslaan dan vliegtuigbrandstof, is een groter deel van hun energie beschikbaar om beweging te stimuleren. Uiteindelijk bevat een straalbrandstof voor een gegeven gewicht ongeveer 14 keer meer bruikbare energie dan een geavanceerde lithium-ionbatterij.

Zie ook: Maak kennis met het Electric, Hydrogen, Zero-Emissions Plane Set om tegen 2025 te vliegen

Dat maakt batterijen relatief zwaar voor de luchtvaart. Luchtvaartmaatschappijen maken zich nu al zorgen over het gewicht van bagage, deels vanwege het beperken van het aantal vliegtuigen dat moet worden vervoerd. Wegvoertuigen kunnen zwaardere accu's aan, maar er zijn vergelijkbare zorgen. Onze onderzoeksgroep heeft de afweging van gewichtsenergie in elektrische pick-up trucks en een trekker-oplegger of semi-vrachtwagens geanalyseerd.

Van elektrische trucks tot vliegende voertuigen

We hebben ons onderzoek gebaseerd op een zeer nauwkeurige beschrijving van de energie die nodig is om het voertuig te verplaatsen, en details van de onderliggende chemische processen die betrokken zijn bij Li-ion-batterijen. We hebben vastgesteld dat een elektrische semi-vrachtwagen die lijkt op de huidige door diesel aangedreven semi-vrachtwagen kan worden ontworpen om met een enkele lading tot 500 mijl te rijden, terwijl hij de lading van ongeveer 93 procent van alle vrachtreizen kan vervoeren.

Batterijen moeten goedkoper worden voordat het economisch zinvol is om het proces van de conversie van de Amerikaanse truckvloot naar elektriciteit te starten. Dat lijkt waarschijnlijk in de vroege 2020s te gebeuren.

Vliegende voertuigen zijn iets verder weg, omdat ze verschillende krachtbehoeften hebben, vooral tijdens het opstijgen en landen.

Wat is een e-VTOL?

In tegenstelling tot passagiersvliegtuigen, worden kleine drones op batterijen, die persoonlijke pakketten over korte afstanden vervoeren, terwijl ze onder de 400 voet vliegen, al in gebruik genomen. Maar het meenemen van mensen en bagage vereist 10 keer zoveel energie - of meer.

We hebben gekeken hoeveel energie een klein door een batterij aangedreven vliegtuig nodig heeft om verticaal op te stijgen en landen. Deze zijn meestal ontworpen om recht omhoog te lanceren zoals helikopters, naar een efficiëntere vliegtuigmodus te schakelen door hun propellers of hele vleugels tijdens de vlucht te draaien en vervolgens terug te keren naar de helikoptermodus om te landen. Ze kunnen een efficiënte en economische manier zijn om door drukke stedelijke gebieden te navigeren en verstopte wegen te vermijden.

Energievereisten van e-VTOL-vliegtuigen

Onze onderzoeksgroep heeft een computermodel gebouwd dat de benodigde energie berekent voor een e-VTOL voor één passagier, in de trant van ontwerpen die al in ontwikkeling zijn. Een voorbeeld hiervan is een e-VTOL die 1.000 kilogram weegt, inclusief de passagier.

Het langste deel van de reis, cruisen in vliegtuigmodus, heeft de minste energie per mijl nodig. Ons monster e-VTOL zou ongeveer 400 tot 500 watt-uur per mijl nodig hebben, ongeveer dezelfde hoeveelheid energie die een elektrische pickup-truck nodig zou hebben - en ongeveer het dubbele energieverbruik van een elektrische passagierssedan.

Echter, opstijgen en landen vereisen veel meer kracht. Ongeacht in hoeverre een e-VTOL reist, onze analyse voorspelt dat het opstijgen en landen samen tussen 8.000 en 10.000 wattuur per reis nodig zal hebben. Dit is ongeveer de helft van de beschikbare energie in de meeste compacte elektrische auto's, zoals een Nissan Leaf.

Voor een hele vlucht, met de beste batterijen die vandaag beschikbaar zijn, hebben we berekend dat een e-VTOL voor één passagier die is ontworpen om een ​​persoon van 20 mijl of minder te vervoeren, ongeveer 800 tot 900 watt-uur per mijl nodig heeft. Dat is ongeveer de helft van de hoeveelheid energie als een semi-vrachtwagen, wat niet erg efficiënt is: als je snel een bezoek zou brengen aan een winkel in een nabijgelegen stad, zou je niet in de cabine van een volledig beladen tractor-trailer springen om daar komen.

Naarmate batterijen de komende jaren beter worden, kunnen ze misschien ongeveer 50 procent meer energie inpakken voor hetzelfde batterijgewicht. Dat zou ertoe bijdragen dat e-VTOLS levensvatbaarder wordt voor korte en middellange afstanden. Maar er zijn nog een paar dingen die nodig zijn voordat mensen e-VTOLS echt kunnen gaan gebruiken.

Het is niet alleen energie

Voor voertuigen op de grond is het bepalen van het nuttige reisbereik voldoende - maar niet voor vliegtuigen en helikopters. Vliegtuigontwerpers moeten ook goed kijken naar de kracht - of hoe snel de opgeslagen energie beschikbaar is. Dit is belangrijk omdat opstijgen om in een straalvliegtuig op te stijgen of tegen de zwaartekracht in een helikopter in te duwen, veel meer kracht vereist dan het draaien aan de wielen van een auto of vrachtwagen.

Daarom moeten e-VTOL-batterijen ongeveer 10 keer sneller kunnen ontladen dan accu's in elektrische voertuigen. Wanneer batterijen sneller ontladen, worden ze een stuk heter. Net zoals je laptopventilator op volle snelheid draait wanneer je een tv-programma probeert te streamen tijdens het spelen van een game en het downloaden van een groot bestand, moet een accu van een voertuig nog sneller worden afgekoeld wanneer wordt gevraagd om meer vermogen te produceren.

Accu's van wegvoertuigen verwarmen tijdens het rijden niet zo veel, dus ze kunnen worden gekoeld door de passerende lucht of door eenvoudige koelvloeistoffen. Een e-VTOL-taxi zou echter tijdens het opstijgen een enorme hoeveelheid warmte genereren die veel tijd zou kosten om af te koelen - en op korte ritten zelfs niet helemaal af te koelen voordat het weer opwarmt bij het landen. Ten opzichte van de grootte van het batterijpakket, voor dezelfde afgelegde afstand, is de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd door een e-VTOL-batterij tijdens het opstijgen en landen veel meer dan elektrische auto's en semi-vrachtwagens.

Zie ook: Tesla CEO Elon Musk Details Idee voor elektrisch vliegtuig op Joe Rogan Podcast

Die extra warmte verkort de nuttige levensduur van e-VTOL-batterijen en maakt ze mogelijk vatbaarder voor vuurgevaar. Om zowel betrouwbaarheid als veiligheid te behouden, hebben elektrische vliegtuigen gespecialiseerde koelsystemen nodig - waarvoor meer energie en gewicht nodig is.

Dit is een cruciaal verschil tussen elektrische wegvoertuigen en elektrische vliegtuigen: ontwerpers van vrachtwagens en auto's hoeven hun vermogen of hun koelsystemen niet radicaal te verbeteren, omdat dat kosten zou opleveren zonder de prestaties te verminderen. Alleen gespecialiseerd onderzoek zal deze vitale vooruitgang voor elektrische vliegtuigen vinden.

Ons volgende onderzoeksthema zal blijven zoeken naar manieren om de batterij- en koelsysteemvereisten van e-VTOL te verbeteren om voldoende energie te leveren voor een nuttig bereik en voldoende vermogen voor het opstijgen en landen - allemaal zonder oververhitting.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation van Venkat Viswanathan, Shashank Sripad en William Leif Fredericks. Lees hier het originele artikel.