Kuna elektriautosid ja veoautosid ilmub USA maanteedel üha enam, tõstatub küsimus: millal äriliselt tasuvad elektrisõidukid taevasse viivad? Elektrimootoriga lennukite, sealhulgas piirkondlike reaktiivlennukite ja lennukite ehitamiseks, mida saab läbida pikema vahemaa tagant, on tehtud mitmeid ambitsioonikaid pingutusi. Elektrifitseerimine on hakanud võimaldama sellist lennureisi, mida paljud on lootnud, kuid pole veel näinud - lendavat autot.
Elektriliste õhusõidukite ehituse peamine väljakutse on see, kui palju energiat on võimalik salvestada pardal oleva energiaallika kaalu korral. Ehkki parimad akud salvestavad massiühiku kohta umbes 40 korda vähem energiat kui reaktiivkütus, on suurem osa nende energiast liikumiseks vajalik. Lõppkokkuvõttes sisaldab reaktiivkütus antud massi korral umbes 14 korda rohkem kasutatavat energiat kui nüüdisaegne liitium-ioon aku.
See muudab akud lennunduse jaoks suhteliselt raskeks. Lennuettevõtted on juba mures kaalu pärast - kehtestades pagasile osaliselt lõivu, et piirata lennukite arvu. Maanteesõidukid saavad hakkama raskemate akudega, kuid samasuguseid probleeme on ka. Meie uurimisrühm on analüüsinud kaalu ja energia vahetamist elektriliste pikap- ja järelhaagiste või poolhaagiste veoautodes.
Selle kunstniku kontseptsioon NASA eksperimentaalsest elektritasandi kujundusest näitab 14 mootorit, mis asuvad mööda tiiba. (NASA) Elektriautodest lendavate sõidukiteni
Meie teadusuuringud põhinesid sõiduki liikumiseks vajaliku energia väga täpsel kirjeldamisel koos liitium-ioonpatareides osalevate keemiliste protsesside üksikasjadega. Leidsime, et tänapäevaste diiselmootoritega sarnaste elektriliste poolhaagiste veokid võiksid olla ette nähtud ühe laadimisega kuni 500 miili läbimiseks, võimaldades samal ajal vedada lasti, mis moodustab umbes 93 protsenti kõigist kaubareisidest.
Patareid peavad odavamaks minema, enne kui USA kaubaveopargi elektrienergiaks muutmise protsess on majanduslikult mõistlik. Tundub, et see juhtub 2020. aastate alguseks.
Lendavad sõidukid asuvad natuke kaugemal, kuna neil on erinev energiavajadus, eriti startimise ja maandumise ajal.
Mis on e-VTOL?
Erinevalt reisilennukitest on juba kasutusele võetud väikesed akutoitega droonid, mis veavad isiklikke pakette lühikese vahemaa tagant, lennates alla 400 jala. Inimeste ja pagasi vedamine nõuab aga kümme korda rohkem energiat - või rohkem.
Vaatasime, kui palju energiat vajaks vertikaalseks õhkutõusmiseks ja maandumiseks võimeline väike akutoitega lennuk. Need on tavaliselt ette nähtud helikopterite otselendudeks tõusmiseks, tõhusamale lennurežiimile lülitumiseks, sõites nende propellereid või terveid tiibu lennu ajal, ja seejärel maandumisel tagasi helikopteri režiimi. Need võiksid olla tõhus ja ökonoomne viis liiklemiseks hõivatud linnapiirkondades, vältides ummistunud teid.
E-VTOL-i lennukite energiavajadused
Meie uurimisrühm on ehitanud arvutimudeli, mis arvutab juba väljatöötamisel olevate disainilahenduste kohaselt ühe reisijaga e-VTOL-i vajaliku võimsuse. Üks selline näide on e-VTOL, mis kaalub koos reisijaga 1000 kilogrammi.
Reisi pikim osa, reisides lennukirežiimis, vajab miili kohta kõige vähem energiat. Meie näidis e-VTOL vajaks umbes 400 kuni 500 vatt-tundi miili kohta, umbes sama palju energiat vajaks elektriline pikap - ja umbes kaks korda suurem kui elektrilise reisija sedaani energiakulu.
Õhkutõusmine ja maandumine nõuab aga palju rohkem jõudu. Sõltumata sellest, kui kaugele e-VTOL sõidab, prognoosib meie analüüs, et õhkutõusmine ja maandumine kokku nõuavad 8000–10 000 vatt-tundi reisi kohta. See on umbes pool energiast, mis on saadaval enamikes kompaktsetes elektriautodes, nagu Nissan Leaf.
Kogu lennu jaoks koos parimate täna saadaolevate akudega arvutasime, et ühe reisijaga e-VTOL, mis on mõeldud inimese veoks 20 miili või vähem, nõuab umbes 800–900 vatt-tundi miili kohta. See tähendab poolveokist energiat, mis pole eriti efektiivne: kui teil oleks vaja kiiresti külastada lähedal asuvas linnas kauplust, ei hüppaksite täislaaditud traktori-haagise kabiini, et sinna saama.
Kuna patareisid parendatakse järgmise paari aasta jooksul, võivad nad sama aku kaalu korral olla võimelised pakkima umbes 50 protsenti rohkem energiat. See aitaks muuta e-VTOLS-i elujõuliseks lühi- ja keskmaareisidel. Kuid selleks, et inimesed saaksid e-VTOLS-e regulaarselt kasutama hakata, on vaja veel mõnda asja.
Libistage „spetsiifilise energia” liugurit küljele, et näha, kuidas akude paremaks muutmine võib muuta sõiduki energiavajadust. Venkat ViswanathanSee pole ainult energia
Maismaasõidukite jaoks piisab kasuliku liikumisulatuse määramisest - kuid mitte lennukite ja helikopterite jaoks. Õhusõidukite disainerid peavad ka põhjalikult uurima võimsust - või kui kiiresti on salvestatud energia kättesaadav. See on oluline, kuna reaktiivlennukisse tõusmine või kopteris raskusjõu vastu surumine võtab palju rohkem energiat kui auto või veoauto rataste pööramine.
Seetõttu peavad e-VTOL akud saama tühjeneda umbes kümme korda kiiremini kui elektriliste maanteesõidukite akud. Kui akud kiiremini tühjenevad, muutuvad need palju kuumaks. Nii nagu teie sülearvuti ventilaator pöörleb täiskiirusel, kui proovite telesaadet voogesituse ajal mängu mängida ja suurt faili alla laadida, tuleb sõiduki aku veelgi kiiremini maha jahutada, kui seda palutakse toota rohkem.
Maanteesõidukite akud ei kuumene sõidu ajal peaaegu nii palju, et neid saab jahutada mööduva õhu või lihtsate jahutusvedelikega. E-VTOL-takso aga tekitaks õhkutõusmisel tohutul hulgal soojust, mille jahtumine võtab kaua aega - ja lühikestel reisidel ei pruugi see enne jahutamist veel täielikult maha jahtuda. Võrreldes aku suurusega, on sama läbitud vahemaa jooksul e-VTOL aku stardi ja maandumise ajal palju rohkem soojust kui elektriautodel ja poolhaagistel.
See lisakuumus lühendab e-VTOL-akude kasutusiga ja võib-olla muudab need tulekahju vastuvõtlikumaks. Nii töökindluse kui ka ohutuse säilitamiseks vajavad elektrilennukid spetsiaalseid jahutussüsteeme - mis vajaksid rohkem energiat ja kaalu.
See on oluline erinevus elektriliste maanteesõidukite ja elektriliste õhusõidukite vahel: veoautode ja sõiduautode disaineritel pole vajadust oma võimsust ega jahutussüsteeme radikaalselt parendada, sest see suurendaks kulusid, aidates samal ajal jõudlust parandada. Ainult spetsialiseeritud teadusuuringud leiavad need olulised edusammud elektrilennukite osas.
Järgmine uurimisteema jätkab e-VTOL aku ja jahutussüsteemi nõuete täiustamise võimaluste uurimist, et pakkuda piisavalt energiat kasuliku ulatuse jaoks ning piisavalt energiat õhkutõusuks ja maandumiseks - seda kõike ilma ülekuumenemiseta.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Venkat Viswanathan, Carnegie Melloni ülikooli masinaehituse abiprofessor
Shashank Sripad, Ph.D. Carnegie Melloni ülikooli masinaehituse kandidaat
William Leif Fredericks, Carnegie Melloni ülikooli masinaehituse teadusassistent
