Aangezien elektrische auto's en vrachtwagens steeds vaker op Amerikaanse snelwegen verschijnen, het roept de vraag op:wanneer zullen commercieel levensvatbare elektrische voertuigen de lucht in gaan? Er zijn een aantal ambitieuze inspanningen om elektrisch aangedreven vliegtuigen te bouwen, inclusief regionale jets en vliegtuigen die langere afstanden kunnen overbruggen. Elektrificatie begint een soort vliegreizen mogelijk te maken waar velen op hadden gehoopt, maar nog niet gezien – een vliegende auto.

Een belangrijke uitdaging bij het bouwen van elektrische vliegtuigen is hoeveel energie kan worden opgeslagen in een bepaalde hoeveelheid gewicht van de energiebron aan boord. Hoewel de beste batterijen ongeveer 40 keer minder energie per gewichtseenheid opslaan dan vliegtuigbrandstof, een groter deel van hun energie is beschikbaar om beweging aan te drijven. uiteindelijk, voor een bepaald gewicht, vliegtuigbrandstof bevat ongeveer 14 keer meer bruikbare energie dan een ultramoderne lithium-ionbatterij.

Dat maakt batterijen relatief zwaar voor de luchtvaart. Luchtvaartmaatschappijen maken zich al zorgen over het gewicht - ze heffen bagage op, deels om te beperken hoeveel vliegtuigen moeten vervoeren. Wegvoertuigen kunnen zwaardere batterijen aan, maar er zijn soortgelijke zorgen. Onze onderzoeksgroep heeft de afweging tussen gewicht en energie in elektrische pick-up trucks en trekker-oplegger of semi-vrachtwagens geanalyseerd.

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-ion-batterijen. We ontdekten dat een elektrische semi-vrachtwagen, vergelijkbaar met de huidige diesel-aangedreven vrachtwagens, kan worden ontworpen om tot 500 mijl te reizen op een enkele lading, terwijl hij in staat is om de lading van ongeveer 93 procent van alle vrachtritten te vervoeren.

Batterijen zullen goedkoper moeten worden voordat het economisch zinvol is om te beginnen met het proces van het omzetten van de Amerikaanse vrachtwagenvloot naar elektrisch vermogen. Dat lijkt waarschijnlijk begin 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, kleine batterij-aangedreven drones die persoonlijke pakketten over korte afstanden vervoeren, tijdens het vliegen onder 400 voet, komen al in gebruik. Maar het vervoeren van mensen en bagage kost 10 keer zoveel energie – of meer.

We hebben gekeken hoeveel energie een klein batterijgevoed vliegtuig nodig heeft dat verticaal kan opstijgen en landen. Deze zijn meestal ontworpen om recht omhoog te lanceren als helikopters, overschakelen naar een efficiëntere vliegtuigmodus door hun propellers of hele vleugels tijdens de vlucht te draaien, ga dan terug naar de helikoptermodus om te landen. Ze kunnen een efficiënte en economische manier zijn om door drukke stedelijke gebieden te navigeren, vermijden van verstopte wegen.

Energiebehoefte van e-VTOL-vliegtuigen

Onze onderzoeksgroep heeft een computermodel gebouwd dat het vermogen berekent dat nodig is voor een e-VTOL voor één passagier, langs de lijnen van ontwerpen die al in ontwikkeling zijn. Een voorbeeld hiervan is een e-VTOL met een gewicht van 1, 000 kilogram, inclusief de passagier.

Het langste deel van de reis, cruisen in vliegtuigmodus, per kilometer de minste energie nodig heeft. Ons voorbeeld e-VTOL zou ongeveer 400 tot 500 wattuur per mijl nodig hebben, ongeveer dezelfde hoeveelheid energie die een elektrische pick-uptruck nodig zou hebben – en ongeveer twee keer het energieverbruik van een elektrische personenberline.

Echter, opstijgen en landen vereist veel meer kracht. Ongeacht hoe ver een e-VTOL reist, onze analyse voorspelt dat opstijgen en landen gecombineerd tussen 8, 000 en 10, 000 wattuur per rit. Dit is ongeveer de helft van de energie die beschikbaar is in de meeste compacte elektrische auto's, als een Nissan Leaf.

Voor een hele vlucht, met de beste batterijen die vandaag beschikbaar zijn, we hebben berekend dat een e-VTOL voor één passagier die is ontworpen om een ​​persoon van 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-vrachtwagen, wat niet erg efficiënt is:als u snel een bezoek moet brengen om in een nabijgelegen stad te winkelen, je zou niet in de cabine van een volgeladen trekker-oplegger springen om daar te komen.

Naarmate de batterijen de komende jaren verbeteren, ze kunnen mogelijk ongeveer 50 procent meer energie inpakken voor hetzelfde batterijgewicht. Dat zou helpen om e-VTOLS meer levensvatbaar te maken voor ritten op korte en middellange afstand. Maar, er zijn nog een paar dingen nodig voordat mensen echt regelmatig e-VTOLS kunnen gaan gebruiken.

Het is niet alleen energie

Voor grondvoertuigen, het bepalen van het bruikbare reisbereik is voldoende - maar niet voor vliegtuigen en helikopters. Vliegtuigontwerpers moeten ook goed kijken naar het vermogen – of hoe snel de opgeslagen energie beschikbaar is. Dit is belangrijk omdat opvoeren om op te stijgen in een straaljager of tegen de zwaartekracht in te duwen in een helikopter veel meer kracht kost dan het draaien van de wielen van een auto of vrachtwagen.

Daarom, e-VTOL-batterijen moeten ongeveer 10 keer sneller ontladen dan de batterijen in elektrische wegvoertuigen. Als batterijen sneller leeg raken, ze worden veel heter. Net zoals je laptopventilator op volle snelheid draait wanneer je een tv-programma probeert te streamen terwijl je een game speelt en een groot bestand downloadt, een voertuigaccu moet nog sneller worden afgekoeld wanneer er om meer vermogen wordt gevraagd.

Accu's van wegvoertuigen worden niet zo warm tijdens het rijden, zodat ze kunnen worden gekoeld door de passerende lucht of met eenvoudige koelvloeistoffen. Een e-VTOL-taxi, echter, zou bij het opstijgen een enorme hoeveelheid warmte genereren die lang zou duren om af te koelen - en op korte reizen misschien niet eens volledig afkoelen voordat het weer opwarmt bij de landing. In verhouding tot de grootte van het batterijpakket, voor dezelfde afgelegde afstand, de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd door een e-VTOL-batterij tijdens het opstijgen en landen is veel meer dan elektrische auto's en semi-vrachtwagens.

Die extra warmte zal de levensduur van e-VTOL-batterijen verkorten, en maken ze mogelijk vatbaarder voor vlam. Om zowel de betrouwbaarheid als de veiligheid te behouden, elektrische vliegtuigen zullen gespecialiseerde koelsystemen nodig hebben - wat meer energie en gewicht zou vergen.

Dit is een cruciaal verschil tussen elektrische wegvoertuigen en elektrische vliegtuigen:ontwerpers van vrachtwagens en auto's hoeven hun vermogen of hun koelsystemen niet radicaal te verbeteren, omdat dat de kosten zou verhogen zonder de prestaties te verbeteren. Alleen gespecialiseerd onderzoek zal deze essentiële vooruitgang voor elektrische vliegtuigen vinden.

Ons volgende onderzoeksonderwerp zal doorgaan met het onderzoeken van manieren om de e-VTOL-batterij- en koelsysteemvereisten te verbeteren om voldoende energie te leveren voor een bruikbaar bereik en voldoende vermogen voor opstijgen en landen - allemaal zonder oververhitting.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.