Quando esattamente gli aerei elettrici prenderanno il volo? Ingegneri pesano

Mentre auto elettriche e camion appaiono sempre più sulle autostrade degli Stati Uniti, solleva la domanda: quando i veicoli elettrici commercialmente validi prenderanno il volo? Vi sono numerosi sforzi ambiziosi per costruire aeroplani elettrici, compresi jet regionali e aerei che possano coprire lunghe distanze. L'elettrificazione sta iniziando a consentire un tipo di viaggio aereo che molti hanno sperato, ma non hanno ancora visto, un'auto volante.

Una sfida chiave nella costruzione di aerei elettrici riguarda la quantità di energia che può essere immagazzinata in una data quantità di peso della fonte di energia a bordo. Anche se le migliori batterie immagazzinano circa 40 volte meno energia per unità di peso rispetto al carburante per jet, una maggiore percentuale della loro energia è disponibile per guidare il movimento. In definitiva, per un dato peso, il carburante per jet contiene circa 14 volte più energia utilizzabile rispetto a una batteria agli ioni di litio allo stato dell'arte.

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Ciò rende le batterie relativamente pesanti per l'aviazione. Le compagnie aeree sono già preoccupate per il peso - imponendo tasse sui bagagli in parte per limitare la quantità di aerei da trasportare. I veicoli stradali possono maneggiare batterie più pesanti, ma ci sono preoccupazioni simili. Il nostro gruppo di ricerca ha analizzato il compromesso peso-energia in camioncini elettrici e rimorchi o semi-camion.

Dai veicoli elettrici ai veicoli volanti

Abbiamo basato la nostra ricerca su una descrizione molto accurata dell'energia richiesta per spostare il veicolo insieme ai dettagli dei processi chimici sottostanti coinvolti nelle batterie agli ioni di litio. Abbiamo scoperto che un semirimorchio elettrico simile a quello di oggi con motore diesel potrebbe essere progettato per viaggiare fino a 500 miglia con una singola carica, pur essendo in grado di trasportare il carico di circa il 93 percento di tutti i viaggi merci.

Le batterie dovranno essere più economiche prima che abbia senso dal punto di vista economico iniziare il processo di conversione della flotta di autotrasporti USA in energia elettrica. Sembra probabile che succederà nei primi anni del 2020.

I veicoli volanti sono un po 'più lontani, perché hanno esigenze di potenza diverse, specialmente durante il decollo e l'atterraggio.

Cos'è un e-VTOL?

A differenza degli aerei passeggeri, i piccoli droni alimentati a batteria che trasportano pacchi personali su brevi distanze, mentre volano sotto i 400 piedi, stanno già entrando in uso. Ma trasportare persone e bagagli richiede 10 volte più energia - o più.

Abbiamo esaminato la quantità di energia necessaria per un piccolo velivolo alimentato a batteria in grado di decollare e atterrare in verticale. Questi sono tipicamente progettati per lanciarsi dritti come elicotteri, passare a una modalità di aereo più efficiente ruotando le eliche o intere ali durante il volo, quindi tornare alla modalità elicottero per l'atterraggio. Potrebbero essere un modo efficiente ed economico per navigare aree urbane trafficate, evitando strade intasate.

Requisiti energetici degli aeromobili e-VTOL

Il nostro gruppo di ricerca ha realizzato un modello computerizzato che calcola la potenza necessaria per un e-VTOL per un singolo passeggero lungo le linee di progetti già in fase di sviluppo. Uno di questi esempi è un e-VTOL che pesa 1.000 chilogrammi, incluso il passeggero.

La parte più lunga del viaggio, in modalità aereo, richiede la minima energia per miglio. Il nostro campione e-VTOL avrebbe bisogno di circa 400-500 watt-ora per miglio, circa la stessa quantità di energia di cui un camioncino elettrico avrebbe bisogno - e circa il doppio del consumo energetico di una berlina elettrica per passeggeri.

Tuttavia, decollo e atterraggio richiedono molta più energia. Indipendentemente dalla distanza percorsa da un e-VTOL, la nostra analisi prevede che il decollo e l'atterraggio combinati richiederanno tra 8.000 e 10.000 wattora per viaggio. Questa è circa la metà dell'energia disponibile nella maggior parte delle auto elettriche compatte, come una Nissan Leaf.

Per un intero volo, con le migliori batterie oggi disponibili, abbiamo calcolato che un E-VTOL a un solo passeggero progettato per trasportare una persona di 20 miglia o meno richiederebbe da 800 a 900 wattora per miglio. Si tratta di circa la metà della quantità di energia di un semirimorchio, che non è molto efficiente: se avessi bisogno di fare una rapida visita per fare acquisti in una città vicina, non salteresti nella cabina di un trattore-rimorchio a pieno carico per arrivare lì.

Con il miglioramento delle batterie nel corso dei prossimi anni, potrebbero essere in grado di fornire circa il 50 percento di energia in più per lo stesso peso della batteria. Ciò contribuirebbe a rendere e-VTOLS più fattibile per viaggi a corto e medio raggio. Ma ci sono ancora alcune cose necessarie prima che le persone possano iniziare a usare regolarmente e-VTOLS.

Non è solo energia

Per i veicoli terrestri, è sufficiente determinare l'autonomia utile del viaggio, ma non per gli aerei e gli elicotteri. I progettisti di aeromobili hanno anche bisogno di esaminare da vicino la potenza - o quanto velocemente l'energia immagazzinata è disponibile. Questo è importante perché salire su un aereo in decollo o premere contro la forza di gravità in un elicottero richiede molta più energia che girare le ruote di un'automobile o di un camion.

Pertanto, le batterie e-VTOL devono essere in grado di scaricarsi a velocità all'incirca 10 volte più veloci rispetto alle batterie dei veicoli elettrici stradali. Quando le batterie si scaricano più velocemente, diventano molto più calde. Proprio come la ventola del laptop gira a tutta velocità quando si tenta di riprodurre un programma TV in streaming mentre si gioca e si scarica un file di grandi dimensioni, è necessario raffreddare la batteria del veicolo ancora più velocemente ogni volta che viene richiesto di produrre più energia.

Le batterie dei veicoli stradali non si scaldano quasi tanto durante la guida, quindi possono essere raffreddate dall'aria che passa o da semplici refrigeranti. Un taxi e-VTOL, tuttavia, genererebbe un'enorme quantità di calore al decollo che richiederebbe molto tempo per raffreddarsi, e in caso di brevi viaggi potrebbe non essersi completamente raffreddato prima di riscaldarsi nuovamente durante l'atterraggio. Relativamente alle dimensioni del pacco batteria, per la stessa distanza percorsa, la quantità di calore generata da una batteria e-VTOL durante il decollo e l'atterraggio è molto più che auto elettriche e semi-camion.

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Quel calore extra accorcerà le vite utili di e-VTOL, e forse le renderà più suscettibili a prendere fuoco. Per preservare affidabilità e sicurezza, gli aerei elettrici necessitano di sistemi di raffreddamento specializzati, che richiederebbero più energia e peso.

Questa è una differenza cruciale tra i veicoli elettrici da strada e gli aerei elettrici: i progettisti di camion e automobili non hanno alcun bisogno di migliorare radicalmente né la loro potenza o i loro sistemi di raffreddamento, perché ciò aggiungerebbe un costo senza aiutare le prestazioni. Solo le ricerche specializzate troveranno questi importanti progressi per gli aerei elettrici.

Il nostro prossimo argomento di ricerca continuerà a esplorare i modi per migliorare la batteria e-VTOL ei requisiti del sistema di raffreddamento per fornire energia sufficiente per un intervallo utile e una potenza sufficiente per il decollo e l'atterraggio, il tutto senza surriscaldamento.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Venkat Viswanathan, Shashank Sripad e William Leif Fredericks. Leggi l'articolo originale qui.