När kommer exakt det elektriska planet att ta sig till skidorna? Ingenjörer väger in

När elbilar och lastbilar uppträder alltmer på amerikanska motorvägar, ställer det upp frågan: När kommer kommersiellt bärbara elektriska fordon att ta sig till skynet? Det finns ett antal ambitiösa ansträngningar för att bygga eldrivna flygplan, inklusive regionala jets och plan som kan täcka längre avstånd. Elektrifiering börjar med att möjliggöra en typ av flygresor som många har hoppats på, men har inte sett ännu - en flygbil.

En viktig utmaning när det gäller att bygga elektriska flygplan involverar hur mycket energi som kan lagras i en viss mängd av den inbyggda energikällan. Även om de bästa batterierna lagrar cirka 40 gånger mindre energi per vikt än jetbränsle, är en större del av sin energi tillgänglig för att köra rörelse. I slutändan innehåller jetbränsle för en viss vikt cirka 14 gånger mer användbar energi än ett toppmodernt litiumjonbatteri.

Se även: Träffa den elektriska, väte-, noll-utsläppsplanen som ska flyga år 2025

Det gör batterier relativt tunga för luftfart. Flygbolagen är redan oroliga över vikten, vilket innebär att avgifter på bagage är delvis för att begränsa hur mycket flygplan som ska bära. Vägfordon kan hantera tyngre batterier, men det finns liknande bekymmer. Vår forskningsgrupp har analyserat viktenergianvändningen i elbil och traktor-trailer eller semitrailer.

Från elektriska lastbilar till flygfordon

Vi grundade vår forskning på en mycket noggrann beskrivning av den energi som krävs för att flytta fordonet tillsammans med detaljer om de underliggande kemiska processerna som är involverade i Li-ion-batterier. Vi fann att en elektrisk halvbil som liknar dagens dieseldrivna kan konstrueras för att resa upp till 500 miles på en enda laddning samtidigt som den kan bära lasten på cirka 93 procent av alla fraktresor.

Batterier kommer att behöva bli billigare innan det ger ekonomisk mening att börja processen att konvertera den amerikanska lastbilflottan till elkraft. Det verkar troligen hända i början av 2020-talet.

Flyga fordon är lite längre bort, eftersom de har olika energibehov, särskilt vid start och landning.

Vad är en e-VTOL?

Till skillnad från passagerarplaner används små batteridriven droner som bär personliga paket över korta sträckor, medan de flyger under 400 fot, redan i bruk. Men transporterar personer och bagage kräver 10 gånger så mycket energi - eller mer.

Vi tittade på hur mycket energi ett litet batteridriven flygplan som skulle kunna vertikala start och landning behöva. Dessa är typiskt utformade för att starta rakt upp som helikoptrar, växla till ett mer effektivt flygplanläge genom att rotera sina propellrar eller hela vingar under flygningen och sedan övergå tillbaka till helikopterläge för landning. De kan vara ett effektivt och ekonomiskt sätt att navigera upptagna stadsområden, för att undvika täppt vägar.

Energikrav för e-VTOL-flygplan

Vår forskningsgrupp har byggt en datormodell som beräknar den effekt som behövs för en passagerare e-VTOL i linje med design som redan är under utveckling. Ett sådant exempel är en e-VTOL som väger 1000 kg, inklusive passageraren.

Den längsta delen av resan, kryssning i flygläge, behöver minst energi per mil. Vårt e-VTOL-prov skulle behöva ungefär 400 till 500 wattimmar per mil, ungefär samma mängd energi som en elbil skulle behöva - och ungefär dubbelt så mycket som en elektrisk passagerarsanvändares energiförbrukning.

Men start och landning kräver mycket mer kraft. Oavsett hur långt en e-VTOL färdas, förutsätter vår analys att start och landning kombineras kräver mellan 8 000 och 10 000 wattimmar per resa. Det här är ungefär hälften av den energi som finns i de flesta kompakta elbilar, som en Nissan Leaf.

För ett helt flyg, med de bästa batterierna som finns tillgängliga idag, beräknades det att en en-passagerare e-VTOL avsedd att bära en person 20 miles eller mindre skulle kräva 800-900 watt-timmar per mil. Det är ungefär hälften av energin som en halvbil, som inte är mycket effektiv: Om du behöver göra ett snabbt besök för att handla i en närliggande stad, skulle du inte hoppa in i hytten på en fullastad traktorvagn till ta dig dit.

När batterierna förbättras under de närmaste åren kan de kunna packa in ungefär 50 procent mer energi för samma batterivikt. Det skulle hjälpa till att göra e-VTOLS mer livskraftiga för kort- och medelstora resor. Men det behövs några fler saker innan folk verkligen kan börja använda e-VTOLS regelbundet.

Det är inte bara energi

För markfordon är det tillräckligt med att bestämma användningsområdet för resan, men inte för flygplan och helikoptrar. Flygplandesigners behöver också noggrant undersöka kraften - eller hur snabbt den lagrade energin är tillgänglig. Detta är viktigt för att rampa upp för att ta av sig i en jet eller skjuta ner mot gravitationen i en helikopter tar mycket mer energi än att vrida bilens bilar.

Därför måste e-VTOL-batterier kunna ladda ut med hastigheter som är ungefär 10 gånger snabbare än batterierna i elfordon. När batterierna släpper ut snabbare blir de mycket varmare. Precis som din laptop-fläkt snurrar upp till full hastighet när du försöker strömma en TV-serie medan du spelar ett spel och laddar ner en stor fil, måste ett fordonets batteripack kylas ner ännu snabbare när det blir ombedd att producera mer ström.

Vagnarnas batterier värmer inte upp nästan lika mycket under körning, så de kan kylas av luften som passerar eller med enkla kylmedel. En e-VTOL-taxi skulle emellertid generera en enorm mängd värme vid start, vilket skulle ta lång tid att svalna - och vid korta turer kanske inte ens helt nedkylning innan uppvärmning igen vid landning. I förhållande till batteripaketets storlek, för samma avstånd som reste, är mängden värme som genereras av ett e-VTOL-batteri vid start och landning mycket mer än elbilar och semitrailer.

Se även: Tesla VD Elon Musk Detaljerad idé för elektrisk plan på Joe Rogan Podcast

Den extra värmen kommer att förkorta e-VTOL-batteriernas livslängd och möjligen göra dem mer mottagliga för att fånga eld. För att bevara både tillförlitlighet och säkerhet, behöver elektriska flygplan specialiserade kylsystem - vilket skulle kräva mer energi och vikt.

Det här är en avgörande skillnad mellan elfordon och elektriska flygplan: Designare av lastbilar och bilar behöver inte radikalt förbättra sina kraftuttag eller sina kylsystem, eftersom det skulle öka kostnaderna utan att hjälpa prestanda. Endast specialiserad forskning kommer att hitta dessa viktiga framsteg för elektriska flygplan.

Vårt nästa forskningsämne fortsätter att undersöka sätt att förbättra e-VTOL-batteri- och kylsystemkraven för att ge tillräckligt med energi för användbar intervall och tillräckligt med ström för start och landning - allt utan överhettning.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Venkat Viswanathan, Shashank Sripad och William Leif Fredericks. Läs den ursprungliga artikeln här.