Nu vliegreizen onder druk komen te staan ​​om de impact op het milieu te verminderen en ons ertoe aanzetten onze vervoerskeuzes te heroverwegen, wetenschappers zoeken naar groenere manieren om de vlucht aan te drijven.

Ondanks de voortschrijdende technologie van elektrische auto's en consumenten langzaam maar zeker op het idee van elektrisch rijden komen, de vooruitzichten van elektrisch vliegen lijken nog ver verwijderd van het sussen van onze flygskam - de Zweedse term voor 'vluchtschaamte'.

Maar elektrisch vliegen zal realiteit worden - het is alleen een kwestie van wanneer.

"De vorige consensus is dat een volledig elektrische langeafstandsvlucht van vliegtuigen ter grootte van een Airbus A350 of Boeing 787 20 of 30 jaar verwijderd is, ", zegt professor Weijia Yuan van de Universiteit van Strathclyde.

"Maar vanwege de dringende noodzaak om de CO2-uitstoot te verminderen, we hebben een aantal dramatische technologieën nodig om onconventionele oplossingen mogelijk te maken om dit proces te versnellen. Het onderzoek dat we nu doen, zal de weg vrijmaken."

Professor Yuan leidt een 15-koppig team van de afdeling Elektronica en Elektrotechniek dat onderzoek doet naar toegepaste supergeleiding in energieopslag, krachtoverbrengingskabels en elektrische voortstuwing voor vliegtuigen.

"Supergeleiding is een cruciale technologie om emissievrije vluchten mogelijk te maken, ’ zegt professor Yuan.

De belangrijkste uitdaging voor elektrisch vliegen is hoe batterijen en elektrische motoren klein en toch krachtig genoeg kunnen worden gemaakt om een ​​vliegtuiglading passagiers en hun bagage de grond te laten verlaten en elke afstand af te leggen voordat de brandstof opraakt.

"Het is momenteel niet haalbaar om conventionele elektrische motoren te gebruiken om een ​​groot passagiersvliegtuig aan te drijven. omdat ze te omvangrijk zijn en onvoldoende vermogensdichtheid hebben, maar supergeleiders zouden de sleutel kunnen zijn.

"Om een ​​vliegtuig ter grootte van een Airbus 320 of Boeing 737 aan te drijven, zou een energie per massa-eenheid van ten minste 40 kiloWatt per kilogram (kW/kg) nodig zijn. Op dit moment zijn de meest conventionele motoren op de markt ongeveer 5kW/kg."

Om meer vermogen uit elektromotoren te halen, moet u de hoeveelheid elektriciteit die een motor kan vervoeren, vergroten.

Lopende zaken

Supergeleiders - zoals de naam al doet vermoeden - zijn materialen die extreem goed zijn in het doorlaten van elektrische stromen met weinig of geen weerstand.

De meeste mensen zijn zich ervan bewust dat sommige materialen elektriciteit beter geleiden dan andere; een koperdraad versus een rubberen handschoen, bijvoorbeeld.

Hoe meer een materiaal bestand is tegen de stroom van elektrische stroom, hoe meer elektrische energie als warmte verloren gaat, licht of geluid. Dit is het geval bij bestaande elektromotoren. Hoe meer weerstand, hoe minder efficiënt het systeem.

Een manier om de weerstand van een materiaal te verminderen, is door het te koelen. Hoe kouder een materiaal wordt, hoe meer geleidend het wordt totdat het een kritieke temperatuur bereikt waarbij alle elektrische weerstand plotseling verdwijnt en het supergeleidend wordt, waardoor de beschikbare hoeveelheid energie toeneemt.

Onderkoeld koper, bijvoorbeeld, gekoeld tot min 200 graden Celsius, kan 1 dragen 000 keer de stroom van koper bij kamertemperatuur.

Een onderkoelde, supergeleidende spoel zou in theorie een elektrische lading voor onbepaalde tijd kunnen vasthouden.

Koude harde feiten

Echter, de noodzaak om supergeleiders extreem koud te houden om hun elektrische weerstand uit te roeien, vormt een uitdaging.

Terwijl sommige onderzoeksgroepen over de hele wereld de zogenaamde supergeleiding bij hoge temperatuur onderzoeken - alles boven min 200 graden Celsius, of vier graden Kelvin - het werk van professor Yuan richt zich op geleiders voor lage temperaturen.

Momenteel, de meest gebruikelijke manier om een ​​geleider te onderkoelen, maakt gebruik van vloeibare stikstof - het meest voorkomende gas in de atmosfeer.

Vloeibaar helium kan ook worden gebruikt, maar het is een veel zeldzamer element, terwijl vloeibare waterstof, een extreem explosief element, vereist een zorgvuldige behandeling.

Het laatste, echter, kan worden gebruikt voor waterstofbrandstofcellen en zou de voorkeursbron kunnen zijn voor de luchtvaartindustrie.

Professor Yuan zegt:"Het kan zijn dat elektrisch aangedreven vliegtuigen waterstof aan boord zullen hebben om zowel als brandstof als als koelmiddel te gebruiken. Maar met waterstof is er een grote veiligheidsuitdaging die moet worden aangepakt.

"Ons werk is gericht op het proberen de efficiëntie van elektromotoren te verbeteren door de vereiste koeling te minimaliseren door middel van nieuwe configuraties van de motorspoel, gemaakt met zeldzame aardmetalen zoals yttrium barium koperoxiden, en vervolgens geavanceerde analysetools te gebruiken om het ontwerpproces te begeleiden."

Veel van het onderzoek vindt plaats in het recent geopende state-of-the-art Applied Superconductivity Laboratory binnen het Technology &Innovation Centre (TIC).

Het team werkt samen met industriële partners, waaronder Airbus, Rolls-Royce en Epoch Wires met financiering van de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innoveren VK, de Britse Raad, en de Royal Academy of Engineering, die ook twee Engineering-onderzoeksbeurzen financierde voor de academische leiders van het nieuwe laboratorium, professor Weijia Yuan en Dr. Min Zhang. Professor Yuan was van 2013 tot 2018 research fellow van de Royal Academy of Engineering.

Hij voegt eraan toe:"Een van de unieke aspecten die we bij Strathclyde hebben, is een sterke afdeling Elektronica en Elektrotechniek, gecombineerd met de productiecapaciteit van het Advanced Forming Research Center en faciliteiten zoals het Power Networks Demonstration Centre. Het is een unieke combinatie."

Hybride voortstuwing

Hoewel een volledig elektrische vlucht van het soort dat honderden vakantiegangers naar warmere oorden zal brengen misschien nog een paar decennia verwijderd is, Professor Yuan is optimistisch over de technologie.

"Er zijn nog steeds manieren om straalmotoren te verbeteren zonder volledig elektrisch te gaan. bijvoorbeeld door hybride voortstuwing waarbij je verbranding als energiebron gebruikt maar elektromotoren voor de voortstuwing. Dat zou u een efficiëntiebesparing van ongeveer 10-20% opleveren, " hij zegt.

"Vlucht is slechts een van de vele toepassingen die baat kunnen hebben bij supergeleiding:andere omvatten de energiesystemen die we in onze huizen en in de industrie gebruiken, kabels voor het transport van stroom van offshore windparken die een Europees supernetwerk zouden kunnen vergemakkelijken waar elektriciteit over grote afstanden kan worden getransporteerd met weinig energieverlies."

Professor Yuan en Dr. Min Zhang zijn betrokken bij een nieuw vierjarig, door Horizon 2020 gefinancierd project van € 10,4 miljoen met de naam IMOTHEP – Investigation and Maturation of Technologies for Hybrid Electric Propulsion.

Het project, geleid door ONERA, het Franse lucht- en ruimtevaartlaboratorium en bestaande uit 33 belangrijke luchtvaartindustrie- en onderzoekspartners, zal elektrische technologieën voor hybride elektrische vliegtuigen onderzoeken, naast het ontwerp van geavanceerde vliegtuigconfiguraties en innovatieve voortstuwingsarchitecturen.

Professor Yuan en Dr. Zhang zullen zich concentreren op cryogene vermogenselektronica en supergeleidende stroomverdeling.

Het uiteindelijke doel van het project is om het potentieel van hybride elektrische voortstuwing te beoordelen voor het verminderen van de emissies van de commerciële luchtvaart en uiteindelijk om een ​​technologische roadmap op te stellen voor de ontwikkeling ervan.

Nadat hij in 2018 bij Strathclyde kwam van de Universiteit van Bath, waar hij zijn eerste positie behaalde na het behalen van zijn Ph.D. in Cambridge, Professor Yuan is optimistisch en wil zijn onderzoek naar een hoger niveau tillen.

Hij zegt:"Ik hoop dat we ons onderzoek in de komende vijf tot tien jaar kunnen zien toepassen en met succes een spin-out bedrijf kunnen opzetten om het te commercialiseren.

"Als je kijkt naar de materialen waarmee we werken, meestal zeldzame-aarde koperoxiden, werden pas in 1986 ontdekt, het duurt nog even voordat we ze kunnen toepassen op alledaagse functies, " zegt prof Yuan.

"Maar Strathclyde is toonaangevend in het VK op dit gebied, zowel qua onderzoeksvolume als qua omvang van het team."