Καθώς τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τα φορτηγά εμφανίζονται όλο και περισσότερο στις εθνικές οδούς των ΗΠΑ, θέτει το ερώτημα: Πότε θα φτάσουν στον ουρανό εμπορικά βιώσιμα ηλεκτρικά οχήματα; Υπάρχουν πολλές φιλόδοξες προσπάθειες για την κατασκευή ηλεκτρικών αεροπλάνων, συμπεριλαμβανομένων των περιφερειακών αεριωθούμενων αεροπλάνων και των αεροπλάνων που μπορούν να καλύψουν μεγαλύτερες αποστάσεις. Η ηλεκτροκίνηση αρχίζει να επιτρέπει έναν τύπο αεροπορικού ταξιδιού, τον οποίο πολλοί ελπίζουν, αλλά δεν έχουν ακόμη δει - ένα πετώντας αυτοκίνητο.
Μια βασική πρόκληση για την κατασκευή ηλεκτρικών αεροσκαφών είναι η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα δεδομένο βάρος του πρατηρίου ενέργειας. Παρόλο που οι καλύτερες μπαταρίες αποθηκεύουν περίπου 40 φορές λιγότερη ενέργεια ανά μονάδα βάρους από το καύσιμο αεριωθουμένων, ένα μεγαλύτερο μερίδιο της ενέργειας τους είναι διαθέσιμο για την κίνηση κίνησης. Τελικά, για ένα δεδομένο βάρος, το καύσιμο με αεριωθούμενα πηνία περιέχει περίπου 14 φορές περισσότερη καταναλώσιμη ενέργεια από μια υπερσύγχρονη μπαταρία ιόντων λιθίου.
Αυτό καθιστά τις μπαταρίες σχετικά βαριές για την αεροπορία. Οι αεροπορικές εταιρείες ανησυχούν ήδη για το βάρος - επιβάλλοντας τέλη στις αποσκευές εν μέρει για να περιορίσουν την ποσότητα των αεροσκαφών που πρέπει να μεταφέρουν. Τα οδικά οχήματα μπορούν να χειρίζονται βαρύτερες μπαταρίες, αλλά υπάρχουν παρόμοιες ανησυχίες. Η ερευνητική ομάδα μας έχει αναλύσει το εμπόριο βάρους-ενέργειας σε ηλεκτρικά φορτηγά και ρυμουλκούμενα ή ημι-φορτηγά.
Η ιδέα αυτού του καλλιτέχνη για το πειραματικό σχέδιο ηλεκτρικής αεροπλάνου της NASA δείχνει 14 κινητήρες κατά μήκος των πτερύγων. (NASA) Από τα ηλεκτρικά φορτηγά μέχρι τα οχήματα που πετούν
Βασίσαμε την έρευνά μας σε μια πολύ ακριβή περιγραφή της ενέργειας που απαιτείται για να μετακινήσουμε το όχημα μαζί με λεπτομέρειες για τις υποκείμενες χημικές διεργασίες που εμπλέκονται στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Διαπιστώσαμε ότι ένα ηλεκτρικό ημι-φορτηγό παρόμοιο με το σημερινό πετρελαιοκίνητο θα μπορούσε να σχεδιαστεί για να ταξιδέψει μέχρι και 500 μίλια σε μία μόνο χρέωση, ενώ θα είναι σε θέση να μεταφέρει το φορτίο περίπου 93 τοις εκατό όλων των φορτίων.
Οι μπαταρίες θα πρέπει να φθάσουν φθηνότερα πριν από την οικονομική λογική να ξεκινήσουν τη διαδικασία μετατροπής του αμερικανικού στόλου φορτηγών σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό φαίνεται πιθανό να συμβεί στις αρχές της δεκαετίας του 2020.
Τα οχήματα που πετούν είναι λίγο πιο μακριά, επειδή έχουν διαφορετικές ανάγκες σε ενέργεια, ειδικά κατά την απογείωση και την προσγείωση.
Τι είναι το e-VTOL;
Σε αντίθεση με τα επιβατικά αεροσκάφη, μικρές μπαταρίες που κινούνται με μπαταρίες που μεταφέρουν προσωπικά πακέτα σε μικρές αποστάσεις, ενώ πλέουν κάτω από τα 400 πόδια, έρχονται ήδη σε χρήση. Αλλά η μεταφορά ατόμων και αποσκευών απαιτεί 10 φορές περισσότερη ενέργεια - ή και περισσότερο.
Εξετάσαμε πόση ενέργεια θα χρειαζόταν ένα μικρό αεροσκάφος με μπαταρίες ικανό για κάθετη απογείωση και προσγείωση. Αυτά είναι συνήθως σχεδιασμένα για να εκτοξεύονται κατ 'ευθείαν όπως τα ελικόπτερα, να μετακινούνται σε πιο αποδοτικό τρόπο αεροπλάνου περιστρέφοντας τους έλικες ή ολόκληρα πτερύγια κατά τη διάρκεια της πτήσης, στη συνέχεια μετάβαση πίσω στον τρόπο ελικοπτέρου για προσγείωση. Θα μπορούσαν να είναι ένας αποτελεσματικός και οικονομικός τρόπος για να περιηγηθείτε στις πολυάσχολες αστικές περιοχές, αποφεύγοντας τους φραγμένους δρόμους.
Απαιτήσεις ενέργειας των αεροσκαφών e-VTOL
Η ερευνητική μας ομάδα έχει κατασκευάσει ένα μοντέλο υπολογιστών που υπολογίζει την ισχύ που απαιτείται για ένα e-VTOL ενός επιβάτη σύμφωνα με τα σχέδια που βρίσκονται ήδη υπό ανάπτυξη. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ένα e-VTOL που ζυγίζει 1.000 κιλά, συμπεριλαμβανομένου του επιβάτη.
Το μεγαλύτερο μέρος του ταξιδιού, που ταξιδεύει σε λειτουργία αεροπλάνου, χρειάζεται τη λιγότερη ενέργεια ανά μίλι. Το δείγμα e-VTOL θα χρειαζόταν περίπου 400 έως 500 watt-ώρες ανά μίλι, περίπου την ίδια ποσότητα ενέργειας που θα χρειαζόταν ένα ηλεκτρικό pickup - και περίπου το διπλάσιο της κατανάλωσης ενέργειας ενός ηλεκτρικού επιβατικού sedan.
Ωστόσο, η απογείωση και η προσγείωση απαιτούν πολύ περισσότερη δύναμη. Ανεξάρτητα από το πόσο ταξιδεύει ένα e-VTOL, η ανάλυσή μας προβλέπει ότι η απογείωση και η προσγείωση θα απαιτούν μεταξύ 8.000 και 10.000 watt-ώρες ανά ταξίδι. Αυτό είναι περίπου το ήμισυ της ενέργειας που διατίθεται στα πιο συμπαγή ηλεκτρικά αυτοκίνητα, όπως ένα φύλλο Nissan.
Για μια ολόκληρη πτήση, με τις καλύτερες διαθέσιμες σήμερα μπαταρίες, υπολογίσαμε ότι ένα e-VTOL ενός επιβάτη που σχεδιάστηκε για να μεταφέρει ένα άτομο 20 μίλια ή λιγότερο θα απαιτούσε περίπου 800 έως 900 watt-ώρες ανά μίλι. Αυτό είναι περίπου το ήμισυ της ποσότητας ενέργειας ως ημι-φορτηγό, το οποίο δεν είναι πολύ αποτελεσματικό: Αν χρειαστεί να κάνετε μια γρήγορη επίσκεψη για να ψωνίσετε σε μια κοντινή πόλη, δεν θα hop στο θάλαμο ενός πλήρως φορτωμένο ρυμουλκούμενο-ρυμουλκούμενο πάρτε εκεί.
Καθώς οι μπαταρίες βελτιώνονται τα επόμενα χρόνια, μπορεί να είναι σε θέση να συσκευάσουν περίπου 50% περισσότερη ενέργεια για το ίδιο βάρος μπαταρίας. Αυτό θα βοηθούσε το e-VTOLS να είναι πιο βιώσιμο για ταξίδια μικρής και μεσαίας κλίμακας. Αλλά, υπάρχουν και άλλα πράγματα που χρειάζονται για να μπορέσουν οι άνθρωποι να αρχίσουν να χρησιμοποιούν το e-VTOLS τακτικά.
Σύρετε το ρυθμιστικό 'συγκεκριμένης ενέργειας' στην πλευρά για να δείτε πώς η βελτίωση των μπαταριών μπορεί να αλλάξει τις ενεργειακές ανάγκες των οχημάτων. Venkat ViswanathanΔεν είναι μόνο ενέργεια
Για τα οχήματα εδάφους, ο καθορισμός του ωφέλιμου εύρους διαδρομής είναι αρκετός - αλλά όχι για τα αεροπλάνα και τα ελικόπτερα. Οι σχεδιαστές αεροσκαφών πρέπει επίσης να εξετάσουν προσεκτικά την ισχύ - ή πόσο γρήγορα είναι διαθέσιμη η αποθηκευμένη ενέργεια. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή η ανάκαμψη για να απογειωθεί με ένα τζετ ή να σπρώξει κάτω από τη βαρύτητα σε ένα ελικόπτερο παίρνει πολύ περισσότερη δύναμη απ 'ότι στρέφει τους τροχούς ενός αυτοκινήτου ή ενός φορτηγού.
Επομένως, οι μπαταρίες e-VTOL πρέπει να μπορούν να αποφορτίζονται με ρυθμούς περίπου 10 φορές πιο γρήγορους από τις μπαταρίες σε ηλεκτρικά οδικά οχήματα. Όταν οι μπαταρίες εκφορτίζονται πιο γρήγορα, παίρνουν πολύ θερμότερο. Ακριβώς όπως ο ανεμιστήρας του φορητού υπολογιστή σας γυρίζει μέχρι την πλήρη ταχύτητα όταν προσπαθείτε να προβάλλετε μια τηλεοπτική εκπομπή ενώ παίζετε ένα παιχνίδι και κάνετε λήψη ενός μεγάλου αρχείου, μια μπαταρία αυτοκινήτου πρέπει να δροσιστεί ακόμα πιο γρήγορα όποτε ζητηθεί να παράγει περισσότερη ενέργεια.
Οι μπαταρίες των οδικών οχημάτων δεν θερμαίνονται σχεδόν όσο κινούνται κατά την οδήγηση, έτσι ώστε να μπορούν να ψύχονται από τον αέρα που διέρχεται από ή με απλά ψυκτικά μέσα. Ένα ταξί e-VTOL, ωστόσο, θα δημιουργούσε τεράστια ποσότητα θερμότητας κατά την απογείωση, που θα χρειαζόταν πολύ χρόνο για να δροσιστεί - και σε σύντομα ταξίδια δεν θα μπορούσε ακόμη να κρυώσει πλήρως πριν θερμανθεί πάλι κατά την προσγείωση. Σε σχέση με το μέγεθος της μπαταρίας, για την ίδια διανυόμενη απόσταση, η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από μια μπαταρία e-VTOL κατά την απογείωση και την προσγείωση είναι πολύ περισσότερο από τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τα ημι-φορτηγά.
Αυτή η επιπλέον θερμότητα θα μειώσει την ωφέλιμη ζωή των μπαταριών του e-VTOL και ενδεχομένως θα τους καταστήσει πιο ευαίσθητους στη σύλληψη φωτιάς. Για να διατηρηθεί η αξιοπιστία και η ασφάλεια, τα ηλεκτρικά αεροσκάφη θα χρειαστούν εξειδικευμένα συστήματα ψύξης - τα οποία απαιτούν περισσότερη ενέργεια και βάρος.
Αυτή είναι μια κρίσιμη διαφορά μεταξύ των ηλεκτρικών οχημάτων και των ηλεκτρικών αεροσκαφών: οι κατασκευαστές φορτηγών και αυτοκινήτων δεν χρειάζονται να βελτιώσουν ριζικά είτε την ισχύ εξόδου τους είτε τα συστήματα ψύξης τους, διότι αυτό θα προσέφερε κόστος χωρίς να βοηθήσει στην απόδοση. Μόνο εξειδικευμένη έρευνα θα βρει αυτές τις ζωτικές προόδους για τα ηλεκτρικά αεροσκάφη.
Το επόμενο ερευνητικό μας θέμα θα συνεχίσει να διερευνά τρόπους βελτίωσης των απαιτήσεων του συστήματος μπαταριών και του συστήματος ψύξης e-VTOL, ώστε να παρέχει αρκετή ενέργεια για χρήσιμο εύρος και αρκετή ισχύ για απογείωση και προσγείωση - όλα χωρίς υπερθέρμανση.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Venkat Viswanathan, Επίκουρος Καθηγητής Μηχανολογίας, Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Υποψήφιος Μηχανολόγος Μηχανικός, Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, Βοηθός Ερευνών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon
