Koska sähkö- ja kuorma-autoja esiintyy yhä enemmän Yhdysvaltojen valtateillä, herättää kysymys: Milloin kaupallisesti kannattavat sähköautot kulkevat taivaalle? Sähkökäyttöisten lentokoneiden, mukaan lukien alueelliset suihkukoneet ja lentokoneet, jotka voivat kattaa pidempiä matkoja, rakentamiseksi on tehty useita kunnianhimoisia pyrkimyksiä. Sähköistys alkaa mahdollistaa sellaista lentomatkaa, jota monet ovat toivoneet, mutta eivät ole vielä nähneet - lentävä auto.
Keskeinen haaste sähkölentokoneiden rakentamisessa on se, kuinka paljon energiaa voidaan varastoida tietyn määrän aluksella olevaa energialähdettä kohti. Vaikka parhaat akut varastoivat noin 40 kertaa vähemmän energiaa painoyksikköä kohti kuin lentopetroli, suurempi osa niiden energiasta on käytettävissä liikkeen ajamiseen. Viime kädessä tietylle painolle suihkukonepolttoaine sisältää noin 14 kertaa enemmän käyttökelpoista energiaa kuin huipputekniikan mukainen litium-ioniakku.
Tämä tekee paristoista suhteellisen raskaita ilmailulle. Lentoyhtiöt ovat jo huolestuneita painosta - veloittaen matkalaukkuille maksuja osittain rajoittaakseen, kuinka paljon lentokoneita on kuljetettava. Maantieajoneuvot voivat käsitellä raskaampia akkuja, mutta samanlaisia huolenaiheita on. Tutkimusryhmämme on analysoinut painoenergian vaihtoa sähköisissä noukinkuljetusautoissa ja traktoriperävaunuissa tai puoliperävaunuissa.
Tämän taiteilijan käsitys NASA: n kokeellisesta sähkötasosuunnittelusta näyttää 14 moottoria siipillä. (NASA) Sähkökuorma-autoista lentäviin ajoneuvoihin
Perustimme tutkimuksemme erittäin tarkkaan kuvaukseen ajoneuvon siirtämiseen tarvittavasta energiasta sekä yksityiskohdista kemiallisista prosesseista, jotka liittyvät Li-ion-akkuihin. Havaitsimme, että sähköinen puoliperävaunu, joka on samanlainen kuin nykypäivän dieselmoottorilla varustetut, voitaisiin suunnitella kulkemaan 500 mailia yhdellä latauksella pystyttäessä kuljettamaan rahtia noin 93 prosenttia kaikista rahtimatkoista.
Paristojen on oltava halvempia, ennen kuin on taloudellista järkeä aloittaa prosessi muuttaa Yhdysvaltojen kuljetuskalusto sähköksi. Se näyttää todennäköisesti tapahtuvan 2020-luvun alkupuolella.
Lentävät ajoneuvot ovat hiukan kauempana, koska niillä on erilaiset voiman tarpeet, etenkin nousun ja laskun aikana.
Mikä on e-VTOL?
Toisin kuin matkustajakoneita, pienet akkukäyttöiset droonit, jotka kuljettavat henkilökohtaisia paketteja lyhyillä matkoilla, lentävät alle 400 metrin päässä, ovat jo käytössä. Mutta ihmisten ja matkalaukkujen kuljettaminen vaatii 10 kertaa niin paljon energiaa - tai enemmän.
Tarkastelimme kuinka paljon energiaa tarvitsisi pieni akkukäyttöinen lentokone, joka pystyy lentoonlähtöön ja laskuun. Ne on yleensä suunniteltu laskeutumaan suoraan helikopterien tavoin, siirtymään tehokkaampaan lentokonetilaan kiertämällä potkureitaan tai kokonaisia siipiä lennon aikana ja siirtymään sitten takaisin helikopteritilaan laskeutumista varten. Ne voivat olla tehokas ja taloudellinen tapa navigoida kiireisillä kaupunkialueilla välttämällä tukkeutuneita teitä.
E-VTOL-lentokoneiden energiavaatimukset
Tutkimusryhmämme on rakentanut tietokonemallin, joka laskee yhden matkustajan e-VTOL: n tarvittavan tehon jo kehitteillä olevien mallien mukaisesti. Yksi sellainen esimerkki on e-VTOL, joka painaa 1000 kiloa, mukaan lukien matkustaja.
Matkan pisin osa, risteily lentokonetilassa, tarvitsee vähiten energiaa mailia kohti. E-VTOL-näytteemme tarvitsisi noin 400–500 wattituntia mailia kohti, suunnilleen saman määrän energiaa kuin sähköinen noukinkuljetusauto tarvitsisi - ja noin kaksi kertaa sähkökäyttöisen matkustajasedanin energiankulutus.
Lähtö ja lasku vaativat kuitenkin paljon enemmän voimaa. Riippumatta siitä, kuinka pitkälle e-VTOL kulkee, analyysimme ennustaa, että lentoonlähtö ja lasku yhdessä vaativat 8 000–10 000 wattituntia matkaa kohti. Tämä on noin puolet pienimmistä sähköautoista saatavissa olevasta energiasta, kuten Nissan Leaf.
Koko lentoa varten parhailla saatavilla olevilla akkuilla lasimme, että yhden matkustajan e-VTOL, joka on suunniteltu kuljettamaan henkilöä 20 mailia tai vähemmän, vaatisi noin 800–900 wattituntia mailia kohti. Se on noin puolet energiasta puoliperävaununa, mikä ei ole kovin tehokasta: Jos tarvitsisit käydä nopeasti lähikaupungin ostoksilla, et hyppää täyteen kuorma-auton perävaunun ohjaamoon mene sinne.
Paristojen parantuessa seuraavien vuosien aikana ne saattavat pystyä pakatamaan noin 50 prosenttia enemmän energiaa samassa akun painossa. Se auttaisi e-VTOLSia toteuttamaan lyhyen ja keskipitkän matkan matkoja. Mutta tarvitaan vielä muutamia asioita, ennen kuin ihmiset voivat todella alkaa käyttää e-VTOLSia säännöllisesti.
Liu'uta 'erityisen energian' liukusäädintä sivulta toiselle nähdäksesi kuinka paristojen parantaminen voi muuttaa ajoneuvojen energiantarpeita. Venkat ViswanathanSe ei ole vain energiaa
Maa-ajoneuvoille hyödyllisen ajoalueen määrittäminen riittää - mutta ei lentokoneille ja helikoptereille. Ilma-alusten suunnittelijoiden on myös tutkittava tarkkaan voimaa - tai kuinka nopeasti varastoitu energia on käytettävissä. Tämä on tärkeää, koska nouseminen ylös noustakseen suihkulla tai työntäminen alas painovoimaa vasten helikopterissa vie paljon enemmän voimaa kuin auton tai kuorma-auton pyörien kääntäminen.
Siksi e-VTOL-akkujen on pystyttävä purkautumaan noin kymmenen kertaa nopeammin kuin sähköisten maantieajoneuvojen akut. Kun akut purkautuvat nopeammin, ne kuumenevat paljon. Aivan kuten kannettavan tietokoneen tuuletin pyörii täydellä nopeudella, kun yrität suoratoistaa televisio-ohjelmaa pelatessasi peliä ja lataamalla suurta tiedostoa, ajoneuvon akku on jäähdytettävä vielä nopeammin aina, kun sitä pyydetään tuottamaan enemmän virtaa.
Maantieajoneuvojen akut eivät kuumene melkein yhtä paljon ajon aikana, joten ne voidaan jäähdyttää ohi kulkevalla ilmalla tai yksinkertaisilla jäähdytysnesteillä. E-VTOL-taksi kuitenkin tuottaa valtavan määrän lämpöä lentoonlähdössä, jonka jäähtyminen vie kauan - ja lyhyillä matkoilla ei välttämättä edes jäähty kokonaan ennen kuin se lämpenee uudelleen laskeutumisen yhteydessä. Suhteessa akkukokoon, samalla ajetulla matkalla e-VTOL-akun lähtöä ja laskua tuottava lämpö on paljon enemmän kuin sähköautot ja puoliperävaunut.
Lisälämpö lyhentää e-VTOL-paristojen käyttöikää ja mahdollisesti tekee niistä alttiimpia palamaan. Sekä luotettavuuden että turvallisuuden säilyttämiseksi sähkölentokoneet tarvitsevat erikoistuneita jäähdytysjärjestelmiä - jotka vaatisivat enemmän energiaa ja painoa.
Tämä on ratkaiseva ero sähköisten maantieajoneuvojen ja sähkökoneiden välillä: Kuorma-autojen ja henkilöautojen suunnittelijoilla ei ole tarvetta parantaa radikaalisti joko tehoaan tai jäähdytysjärjestelmäänsä, koska se lisäisi kustannuksia auttamatta suorituskykyä. Vain erikoistunut tutkimus löytää nämä elintärkeät edut sähkölentokoneissa.
Seuraavassa tutkimusaiheessamme tutkitaan edelleen tapoja parantaa e-VTOL-akkujen ja jäähdytysjärjestelmien vaatimuksia, jotta saataisiin tarpeeksi energiaa hyödylliselle alueelle ja tarpeeksi virtaa nousuun ja laskeutumiseen - kaikki ilman ylikuumenemista.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Venkat Viswanathan, koneenrakennuksen apulaisprofessori, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Konetekniikan kandidaatti, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, koneavustekniikan tutkimusassistentti, Carnegie Mellon University
