Aangezien elektrische auto's en vrachtwagens steeds vaker op Amerikaanse snelwegen verschijnen, roept dit de vraag op: wanneer zullen commercieel levensvatbare elektrische voertuigen het luchtruim in gaan? Er zijn een aantal ambitieuze inspanningen om elektrisch aangedreven vliegtuigen te bouwen, waaronder regionale vliegtuigen en vliegtuigen die langere afstanden kunnen afleggen. Elektrificatie begint een soort vliegreizen mogelijk te maken waar velen op hadden gehoopt, maar nog niet hebben gezien - een vliegende auto.
Een belangrijke uitdaging bij het bouwen van elektrische vliegtuigen is hoeveel energie kan worden opgeslagen in een bepaalde hoeveelheid gewicht aan boord van de energiebron. 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 jetbrandstof voor een bepaald gewicht ongeveer 14 keer meer bruikbare energie dan een geavanceerde lithium-ionbatterij.
Dat maakt batterijen relatief zwaar voor de luchtvaart. Luchtvaartmaatschappijen maken zich al zorgen over het gewicht en brengen bagage gedeeltelijk in rekening om het aantal vliegtuigen te beperken. Wegvoertuigen kunnen zwaardere accu's aan, maar er zijn vergelijkbare zorgen. Onze onderzoeksgroep heeft de wisselwerking tussen gewicht en energie in elektrische pick-up trucks en trekker-opleggers of semi-vrachtwagens geanalyseerd.
Het concept van deze kunstenaar van het experimentele elektrische vliegtuigontwerp van NASA toont 14 motoren langs de vleugels. (NASA) Van elektrische vrachtwagens tot vliegende voertuigen
We hebben ons onderzoek gebaseerd op een zeer nauwkeurige beschrijving van de energie die nodig is om het voertuig te verplaatsen, samen met details van de onderliggende chemische processen die betrokken zijn bij Li-ionbatterijen. We hebben geconstateerd dat een elektrische semi-truck vergelijkbaar met de dieselmotor van vandaag kan worden ontworpen om tot 500 mijl te rijden met een enkele lading, terwijl hij in staat is om de lading van ongeveer 93 procent van alle vrachtreizen te vervoeren.
Batterijen moeten goedkoper worden voordat het economisch zinvol is om te beginnen met het omzetten van de Amerikaanse vrachtwagenvloot naar elektriciteit. Dat lijkt waarschijnlijk tegen het begin van de jaren 2020 te gebeuren.
Vliegende voertuigen zijn wat verder weg, omdat ze verschillende stroombehoeften 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 400 voet vliegen, al in gebruik genomen. Maar mensen en bagage vervoeren kost 10 keer zoveel energie - of meer.
We hebben gekeken hoeveel energie een klein vliegtuig op batterijen dat in staat is verticaal op te stijgen en te landen nodig zou hebben. Deze zijn meestal ontworpen om recht omhoog te gaan zoals helikopters, over te schakelen naar een efficiëntere vliegtuigmodus door tijdens de vlucht hun propellers of hele vleugels te draaien en vervolgens terug te schakelen naar de helikoptermodus voor landing. Ze kunnen een efficiënte en economische manier zijn om door drukke stedelijke gebieden te navigeren en verstopte wegen te vermijden.
Energiebehoeften van e-VTOL-vliegtuigen
Onze onderzoeksgroep heeft een computermodel gebouwd dat het benodigde vermogen voor een e-VTOL voor één passagier berekent volgens de 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, varen in vliegtuigmodus, heeft de minste energie per mijl nodig. Ons voorbeeld e-VTOL zou ongeveer 400 tot 500 wattuur per mijl nodig hebben, ongeveer dezelfde hoeveelheid energie die een elektrische pick-up truck nodig zou hebben - en ongeveer twee keer het energieverbruik van een elektrische sedan.
Start en landing vereisen echter veel meer kracht. Ongeacht hoe ver een e-VTOL reist, onze analyse voorspelt dat opstijgen en landen gecombineerd tussen de 8.000 en 10.000 wattuur per reis vereisen. Dit is ongeveer de helft van de energie die beschikbaar is 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, ontworpen om een persoon 20 mijl of minder te vervoeren, ongeveer 800 tot 900 wattuur per mijl nodig heeft. Dat is ongeveer de helft van de hoeveelheid energie als een semi-truck, wat niet erg efficiënt is: als je snel naar een winkel in een nabijgelegen stad moest gaan, zou je niet in de cabine van een volledig geladen trekker-oplegger springen om daar komen.
Naarmate de batterijen de komende jaren verbeteren, kunnen ze mogelijk ongeveer 50 procent meer energie inpakken voor hetzelfde batterijgewicht. Dat zou e-VTOLS levensvatbaarder maken voor reizen op korte en middellange afstand. Maar er zijn nog een paar dingen nodig voordat mensen echt regelmatig e-VTOLS kunnen gaan gebruiken.
Schuif de schuifregelaar 'specifieke energie' heen en weer om te zien hoe het verbeteren van batterijen de energiebehoeften van voertuigen kan veranderen. Venkat ViswanathanHet is niet alleen energie
Voor grondvoertuigen is het bepalen van het nuttige rijbereik voldoende - maar niet voor vliegtuigen en helikopters. Vliegtuigontwerpers moeten ook de kracht nauwkeurig onderzoeken - of hoe snel de opgeslagen energie beschikbaar is. Dit is belangrijk omdat oplopen om in een jet op te stijgen of tegen de zwaartekracht in een helikopter duwen veel meer kracht kost dan het draaien van de wielen van een auto of vrachtwagen.
Daarom moeten e-VTOL-batterijen ongeveer 10 keer sneller kunnen ontladen dan de batterijen in elektrische wegvoertuigen. Wanneer batterijen sneller leeg raken, 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 voertuigaccu nog sneller worden afgekoeld wanneer wordt gevraagd om meer vermogen te produceren.
De accu's van wegvoertuigen worden tijdens het rijden bijna niet zo warm, dus ze kunnen worden gekoeld door de lucht die voorbijgaat of met eenvoudige koelvloeistoffen. Een e-VTOL-taxi zou echter een enorme hoeveelheid warmte genereren bij het opstijgen die lang zou duren om af te koelen - en op korte ritten kan het zelfs niet volledig afkoelen voordat hij weer opwarmt bij de landing. Ten opzichte van de grootte van de batterij, is voor dezelfde afgelegde afstand 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.
Die extra warmte verkort de levensduur van e-VTOL-batterijen en maakt ze mogelijk vatbaarder voor brand. Om zowel betrouwbaarheid als veiligheid te behouden, hebben elektrische vliegtuigen gespecialiseerde koelsystemen nodig - die meer energie en gewicht vereisen.
Dit is een cruciaal verschil tussen elektrische wegvoertuigen en elektrische vliegtuigen: ontwerpers van vrachtwagens en auto's hoeven hun vermogen of koelsystemen niet radicaal te verbeteren, want dat zou kosten toevoegen zonder de prestaties te verbeteren. Alleen gespecialiseerd onderzoek zal deze essentiële vooruitgang voor elektrische vliegtuigen aantreffen.
Ons volgende onderzoeksthema zal blijven zoeken naar manieren om de batterij- en koelsysteemvereisten voor e-VTOL te verbeteren om voldoende energie te leveren voor een nuttig bereik en voldoende vermogen voor opstijgen en landen - allemaal zonder oververhitting.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Venkat Viswanathan, universitair docent werktuigbouwkunde, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidaat in Werktuigbouwkunde, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, onderzoeksassistent in werktuigbouwkunde, Carnegie Mellon University
