Како се електрични аутомобили и камиони све чешће појављују на америчким ауто путевима, поставља се питање: Када ће комерцијално одржива електрична возила отићи на небо? Постоје бројни амбициозни напори да се направе авиони на електрични погон, укључујући регионалне млазне авионе и авионе који могу да пређу веће удаљености. Електрификација почиње да омогућава врсту авионског путовања каквом се многи надају, али још нису видели - летећи аутомобил.
Кључни изазов у изградњи електричних летјелица укључује колико енергије се може похранити у одређеној количини енергије у возилу. Иако најбоље батерије чувају око 40 пута мање енергије по јединици тежине од млазног горива, већи удио њихове енергије доступан је за покретање покрета. Коначно, за дату тежину, млазно гориво садржи око 14 пута више употребљиве енергије од врхунске литијум-јонске батерије.
Због тога су батерије релативно тешке за ваздухопловство. Авиокомпаније су већ забринуте због тежине - наметањем накнада пртљагу, дијелом како би ограничили колико авиона мора да превози. Друмска возила могу поднијети теже батерије, али постоје сличне проблеме. Наша истраживачка група анализирала је тежину и енергију трговине електричним теретним камионима и тегљачима или полуприколицама.
Овај уметнички концепт НАСА-иног експерименталног дизајна електричних авиона показује 14 мотора дуж крила. (НАСА) Од електричних камиона до летећих возила
Наше истраживање засновали смо на врло тачном опису енергије потребне за кретање возила, као и на детаље основних хемијских процеса који учествују у Ли-ион батеријама. Открили смо да је електрични полуприколица слична данашњим дизел-моторима могла бити дизајнирана да пређе до 500 миља са једним пуњењем, а истовремено може да превезе терет око 93 одсто свих теретних путовања.
Батерије ће морати појефтинити пре него што то има економског смисла започети процес претварања америчке транспортне флоте у електричну енергију. Чини се да ће се то догодити почетком 2020-их.
Летећа возила су мало даље, јер имају различите потребе за напајањем, посебно током полетања и слетања.
Шта је е-ВТОЛ?
За разлику од путничких авиона, мали дронови на батерије који носе личне пакете на кратким раздаљинама, док лете испод 400 стопа, већ долазе у употребу. Али за ношење људи и пртљага потребно је 10 пута више енергије - или више.
Погледали смо колико енергије ће требати малој летјелици с батеријом која може вертикално полијетање и слијетање. Типично су дизајнирани да се покрену равно попут хеликоптера, пребаце на ефикаснији режим авиона ротирањем својих пропелера или целих крила током лета, а затим преласком натраг у режим хеликоптера за слетање. Они би могли бити ефикасан и економичан начин за кретање по ужурбаним градским областима, избегавајући зачепљене путеве.
Енергетске потребе за авионима е-ВТОЛ
Наша истраживачка група изградила је рачунарски модел који израчунава потребну снагу за е-ВТОЛ за једног путника по линијама дизајна који су већ у фази израде. Један такав пример је е-ВТОЛ који тежи 1.000 килограма, укључујући путнички.
Најдужи део путовања, крстарење авионским режимом, треба најмање енергије по километру. Наш узорак е-ВТОЛ би требао око 400 до 500 вати-сата по километру, отприлике исту количину енергије која би требала електричном камиону - и отприлике двоструко треба потрошити електричну путничку лимузину.
Међутим, за полијетање и слијетање потребно је много више снаге. Без обзира колико далеко е-ВТОЛ путује, наша анализа предвиђа да би за полетање и слетање заједно требало између 8.000 и 10.000 ват-сати по путовању. То је отприлике половина енергије доступне у већини компактних електричних аутомобила, као што је Ниссан Леаф.
За цео лет, са најбољим расположивим батеријама данас, израчунали смо да би за е-ВТОЛ за једног путника који је дизајниран да превози особу 20 миља или мање било потребно око 800 до 900 ват-сати по миљи. То је отприлике половина енергије као полуприколица, што није баш ефикасно: Ако бисте требали да посјетите продавницу у оближњем граду, не бисте ушли у кабину потпуно натоварене тракторске приколице да бисте стићи тамо.
Како се батерије побољшавају у наредних неколико година, можда ће моћи да укупе око 50 процената више енергије за исту тежину батерије. То би помогло да се е-ВТОЛС учини одрживијим за путовања кратког и средњег домета. Али, потребно је још неколико ствари пре него што људи заиста могу редовно да користе е-ВТОЛС.
Померите клизач „специфичне енергије“ у страну да видите како побољшавање батерија може променити енергетске потребе возила. Венкат ВисванатханТо није само енергија
За копнена возила довољно је одређивање корисног домета путовања - али не за авионе и хеликоптере. Дизајнери авиона такође требају пажљиво испитати снагу - или колико брзо је складиштена енергија доступна. Ово је важно јер дизање авиона у хеликоптер или гурање према гравитацији захтева много више снаге од окретања точкова аутомобила или камиона.
Због тога се е-ВТОЛ батерије морају моћи испразнити брзином отприлике 10 пута брже од батерија у електричним цестовним возилима. Када се батерије испразне брже, постају много топлије. Као што се вентилатор вашег лаптопа врти пуном брзином када покушавате да емитујете ТВ емисију док играте игру и преузимате велику датотеку, акумулатор возила треба да се охлади још брже кад год се од њега затражи да произведе више снаге.
Батерије путних возила се не загревају готово током вожње, па их може хладити ваздухом који пролази поред или помоћу једноставних расхладних средстава. Такси е-ВТОЛ, међутим, произвео би огромну количину топлоте при полијетању, за коју би требало дуго времена да се охлади - а на кратким путовањима се можда чак ни потпуно не би охладило прије него што се загријавање поново при слијетању. У односу на величину батерије, за исту пређену удаљеност, количина топлоте коју ствара е-ВТОЛ батерија за време полетања и слетања је далеко већа од електричних аутомобила и полуприколице.
Та додатна топлота скратит ће корисни вијек е-ВТОЛ батерија и вјеројатно их учинити подложнијима ватри. Да би сачували поузданост и сигурност, електричним авионима ће бити потребни специјализовани системи за хлађење - који би захтевали више енергије и тежине.
Ово је суштинска разлика између електричних цестовних и електричних авиона: Дизајнери камиона и аутомобила немају потребу да радикално побољшају своју снагу или расхладне системе, јер би то повећало трошкове без побољшања перформанси. Само ће специјализована истраживања пронаћи ове виталне помаке за електричне авионе.
Наша следећа истраживачка тема наставиће да истражује начине побољшања е-ВТОЛ захтева батерије и расхладног система како би се обезбедило довољно енергије за корисни домет и довољно снаге за полијетање и слетање - и све то без прегревања.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Венкат Висванатхан, доцент машинског инжењерства на Универзитету Царнегие Меллон
Др Схасханк Срипад Кандидат машинског инжењерства на Универзитету Царнегие Меллон
Виллиам Леиф Фредерицкс, асистент за машину, Универзитет Царнегие Меллон
