science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Waarom hebben we geen elektrische vliegtuigen?

Onderzoek naar koolstofarme vliegtuigen is aan de gang, maar elektrische langeafstandsvluchten zullen we niet snel zien. Krediet:DENIS BALIBOUSE / ZWEMBAD

Elektrische auto's, treinen, trams en boten bestaan ​​al. Dat leidt logischerwijs tot de vraag:waarom zien we geen grote elektrische vliegtuigen? En zullen we ze binnenkort zien?

Waarom hebben we elektrische auto's en treinen, maar weinig elektrische vliegtuigen? De belangrijkste reden is dat het veel eenvoudiger is om een ​​auto of trein radicaal aan te passen, ook al lijken ze aan de buitenkant erg op traditionele voertuigen op fossiele brandstof.

Landvoertuigen kunnen de extra massa van elektriciteitsopslag of elektrische aandrijfsystemen gemakkelijk aan, maar vliegtuigen zijn veel gevoeliger.

Bijvoorbeeld, het verhogen van de massa van een auto met 35% leidt tot een toename van het energieverbruik van 13-20%. Maar voor een vliegtuig het energieverbruik is recht evenredig met de massa:als de massa met 35% wordt verhoogd, betekent dit dat het 35% meer energie nodig heeft (als alle andere dingen gelijk blijven).

Maar dat is slechts een deel van het verhaal. Vliegtuigen reizen ook veel verder dan grondvoertuigen, wat betekent dat een vlucht veel meer energie kost dan een gemiddelde roadtrip. Vliegtuigen moeten aan boord alle energie opslaan die nodig is om de massa voor elke vlucht te verplaatsen (in tegenstelling tot een trein die is aangesloten op een elektriciteitsnet). Het gebruik van een zware energiebron betekent dus dat er meer energie nodig is voor een vlucht, wat leidt tot extra massa, en zo verder en verder.

Voor een vliegtuig, massa is cruciaal, dat is de reden waarom luchtvaartmaatschappijen hun bagage kieskeurig wegen. Elektrische vliegtuigen hebben batterijen nodig met voldoende energie per kilogram batterij, of de massastraf betekent dat ze gewoon geen lange afstanden kunnen vliegen.

Korteafstandsvliegtuigen

Ondanks dit, elektrische vliegtuigen zijn in aantocht, maar je zult niet snel elektrische 747's zien.

De best beschikbare lithium-ionbatterijpakketten van vandaag leveren ongeveer 200 wattuur (Wh) per kilogram, ongeveer 60 keer minder dan de huidige vliegtuigbrandstof. Dit type batterij kan kleine elektrische luchttaxi's met maximaal vier passagiers aandrijven over een afstand van ongeveer 100 km. Voor langere reizen, er zijn meer energierijke cellen nodig.

Elektrische korteafstandsvliegtuigen die tot 30 personen vervoeren over een afstand van minder dan 800 km, bijvoorbeeld, vereisen specifiek tussen 750 en 2, 000Wh/kg, dat is ongeveer 6-17% van de energie-inhoud van vliegtuigbrandstof op basis van kerosine. Zelfs grotere vliegtuigen hebben steeds lichtere batterijen nodig. Bijvoorbeeld, een vliegtuig met 140 passagiers voor 1, 500 km verbruikt ongeveer 30 kg kerosine per passagier. Met de huidige batterijtechnologie, bijna 1, Per passagier is er 000 kg batterijen nodig.

Een experimentele vliegende taxi, met verticaal opstijgen en landen, werd onthuld in 2019 show in Las Vegas. Hij wordt aangedreven door een hybride-elektrisch systeem. Krediet:bel/omslagafbeeldingen

Om regionale woon-werkvliegtuigen volledig elektrisch te maken, is een vier- tot tienvoudige vermindering van het batterijgewicht vereist. Het historische tempo van verbetering van de batterij-energie op lange termijn ligt rond de 3-4% per jaar, verdubbelt ongeveer elke twee decennia. Op basis van een voortzetting van deze historische trend, de viervoudige verbetering die nodig is voor een volledig elektrisch woon-werkvliegtuig zou mogelijk rond het midden van de eeuw kunnen worden bereikt.

Hoewel dit een ongelooflijk lang wachten lijkt, dit is consistent met de tijdschaal van veranderingen in de luchtvaartindustrie voor zowel de infrastructuur als de levenscyclus van het vliegtuigontwerp. Een nieuw vliegtuig duurt ongeveer 5-10 jaar om te ontwerpen, en zal dan twee tot drie decennia in dienst blijven. Sommige vliegtuigen vliegen nog 50 jaar na hun eerste vlucht.

Hier komen de hybriden

Betekent dit dat langeafstandsvliegen altijd afhankelijk zal zijn van fossiele brandstoffen? Niet noodzakelijk.

Terwijl volledig elektrische grote vliegtuigen een grote, nog uit te vinden verschuiving in energieopslag, er zijn andere manieren om de milieu-impact van vliegen te verminderen.

Hybride-elektrische vliegtuigen combineren brandstoffen met elektrische voortstuwing. Deze klasse van vliegtuigen omvat ontwerpen zonder batterijen, waar het elektrische voortstuwingssysteem dient om de stuwkrachtefficiëntie te verbeteren, vermindering van de benodigde hoeveelheid brandstof.

Hybride-elektrische vliegtuigen met batterijen zijn ook in ontwikkeling, waar de batterijen in specifieke omstandigheden extra stroom kunnen leveren. Batterijen kunnen dan bijvoorbeeld, zorgen voor een schone start en landing om de uitstoot in de buurt van luchthavens te verminderen.

Elektrische vliegtuigen zijn ook niet de enige manier om de directe CO2-voetafdruk van vliegen te verkleinen. Alternatieve brandstoffen, zoals biobrandstoffen en waterstof, worden ook onderzocht.

biobrandstoffen, die brandstoffen zijn die zijn afgeleid van planten of algen, werden voor het eerst gebruikt op een commerciële vlucht in 2008 en verschillende luchtvaartmaatschappijen hebben er proeven mee uitgevoerd. Hoewel niet algemeen aanvaard, er wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar duurzame biobrandstoffen die geen invloed hebben op zoetwaterbronnen of voedselproductie.

Hoewel biobrandstoffen nog steeds CO₂ produceren, ze vereisen geen significante wijzigingen aan bestaande vliegtuigen of luchthaveninfrastructuur. Waterstof, anderzijds, vereist een volledig herontwerp van de tankinfrastructuur van de luchthaven en heeft ook een aanzienlijke impact op het ontwerp van het vliegtuig zelf.

Hoewel waterstof erg licht is - waterstof bevat drie keer meer energie per kilogram dan kerosine - is de dichtheid erg laag, zelfs wanneer opgeslagen als een vloeistof bij -250 . Dit betekent dat brandstof niet langer in de vleugel kan worden opgeslagen, maar moet worden verplaatst naar relatief zware en omvangrijke tanks in de romp. Ondanks deze nadelen, Langeafstandsvluchten op waterstof kunnen tot 12% minder energie verbruiken dan kerosine.

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