מדוע עדיין אין מטוסים חשמליים? זה יורד לסוללות.

ככל שמכוניות ומשאיות חשמליות מופיעות יותר ויותר בכבישים המהירים בארה"ב, היא מעלה את השאלה: מתי יעלו כלי רכב חשמליים בעלי יכולת מסחרית לשמיים? ישנם מספר מאמצים שאפתניים לבנות מטוסים המונעים באמצעות חשמל, כולל מטוסים ומטוסים אזוריים שיכולים לכסות מרחקים ארוכים יותר. החשמל מתחיל לאפשר סוג של נסיעות אוויריות שרבים קיוו לה, אך טרם ראו - מכונית מעופפת.

אתגר מרכזי בבניית מטוסים חשמליים כרוך בכמות האנרגיה שאפשר לאחסן בכמות מסוימת של משקל של מקור האנרגיה שעל הסיפון. למרות שהסוללות הטובות ביותר מאחסנות פי 40 פחות אנרגיה ליחידת משקל מאשר דלק סילון, חלק גדול יותר מהאנרגיה שלהן זמין בכדי להניע תנועה. בסופו של דבר, עבור משקל נתון, דלק סילון מכיל אנרגיה שמישת פי 14 יותר מאשר סוללת ליתיום-יון עדכנית.

זה הופך את הסוללות לכבדות יחסית לתעופה. חברות התעופה כבר חוששות מהמשקל - הטלת דמי מזוודות בחלקן כדי להגביל את כמות המטוסים שצריך לסחוב. רכבי דרך יכולים להתמודד עם סוללות כבדות יותר, אך ישנם חששות דומים. קבוצת המחקר שערכה ניתוחי משקל באנרגיה במשאיות טנדר חשמליות וטרקטורונים או משאיות למחצה.

תפיסת אמנית זו של עיצוב המטוסים החשמליים הניסויים של נאס"א מציגה 14 מנועים לאורך הכנפיים. (נאס"א)

ממשאיות חשמליות ועד כלי רכב מעופפים

ביססנו את המחקר שלנו על תיאור מדויק מאוד של האנרגיה הנדרשת להנעת הרכב יחד עם פירוט התהליכים הכימיים הבסיסיים הכרוכים בסוללות Li-ion. מצאנו כי משאית חצי-חשמלית הדומה לאלה המונעת בסולר כיום היא יכולה להיות מתוכננת לנסוע עד 500 מיילים בתשלום בודד תוך יכולת לשאת את המטען של כ 93 אחוז מכל נסיעות המטען.

מצברים יצטרכו להיות זולים יותר לפני שיהיה הגיוני בכלכלה להתחיל בתהליך ההסבה של צי ההובלות האמריקני לכוח חשמלי. נראה שזה קורה בראשית שנות העשרים.

כלי רכב מעופפים נמצאים קצת יותר רחוק מכיוון שיש להם צרכי כוח שונים, במיוחד בזמן ההמראה והנחיתה.

מה זה e-VTOL?

בניגוד למטוסי נוסעים, מל"טים קטנים המונעים על סוללות הנושאים חבילות אישיות לאורך מרחקים קצרים, בעודם טסים מתחת ל -400 רגל, כבר נכנסים לשימוש. אך נשיאת אנשים ומזוודות דורשת אנרגיה פי 10 - או יותר.

בדקנו כמה אנרגיה תצטרך מטוס קטן המונע על סוללות המסוגל להמראה ונחיתה אנכית. אלה נועדו בדרך כלל לשגר ישר כמו מסוקים, לעבור למצב מטוס יעיל יותר על ידי סיבוב המדחפים או הכנפיים השלמות שלהם במהלך הטיסה, ואז המעבר חזרה למצב המסוק לצורך הנחיתה. הם יכולים להיות דרך יעילה וכלכלית לנווט באזורים עירוניים עמוסים, ולהימנע מכבישים סתומים.

דרישות אנרגיה של מטוסי e-VTOL

קבוצת המחקר שלנו בנתה מודל מחשב המחושב את הכוח הדרוש לנוסע e-VTOL ליחיד, על פי קווי העיצובים שכבר נמצאים בפיתוח. דוגמא אחת כזו היא e-VTOL שמשקלו 1, 000 קילוגרמים, כולל הנוסע.

החלק הארוך ביותר של הטיול, בהפלגה במצב מטוס, זקוק למינימום אנרגיה לכל מייל. ה- e-VTOL המדגם שלנו יצטרך כ -400 עד 500 וואט למייל, בערך באותה כמות אנרגיה שהטנדר החשמלי היה זקוק לה - וכפול מצריכת האנרגיה של מכונית נוסעים חשמלית.

עם זאת, ההמראה והנחיתה דורשים הרבה יותר כוח. לא משנה כמה רחוק נוסע e-VTOL, הניתוח שלנו מנבא את ההמראה והנחיתה בשילוב ידרוש בין 8, 000 ל -10, 000 וואט לנסיעה. זו כמחצית מהאנרגיה הקיימת ברוב המכוניות החשמליות הקומפקטיות, כמו עלה ניסן.

לטיסה שלמה, עם הסוללות הטובות ביותר שקיימות כיום, חישבנו כי e-VTOL לנוסע יחיד המיועד לשאת אדם בגודל של 20 מיילים ומטה, ידרוש בין 800 ל 900 וואט לכל מייל. זה בערך כמחצית מכמות האנרגיה כמשאית משאית, שהיא לא יעילה במיוחד: אם היית צריך לבקר במהירות בחנות בעיירה הסמוכה, לא היית מקפץ לתא הנהג של קרוואן טרקטור מלא. להגיע לשם.

ככל שהסוללות ישתפרו במהלך השנים הקרובות, יתכן שהן יוכלו לארוז כ- 50 אחוז יותר אנרגיה עבור אותו משקל סוללה. זה יעזור להפוך את ה- e-VTOLS לתכנות לטיולים קצרים ובינוניים. עם זאת, יש עוד כמה דברים הדרושים לפני שאנשים באמת יכולים להתחיל להשתמש ב- e-VTOLS באופן קבוע.

החלק את מחוון 'האנרגיה הספציפית' מצד לצד כדי לראות כיצד שיפור סוללות יכול לשנות את צרכי האנרגיה של כלי הרכב. Venkat Viswanathan

זה לא רק אנרגיה

לכלי רכב קרקעיים די בקביעת טווח הנסיעה המועיל - אך לא למטוסים ומסוקים. מעצבי מטוסים צריכים גם לבדוק מקרוב את הכוח - או באיזו מהירות האנרגיה המאוחסנת זמינה. זה חשוב מכיוון שההשתלשלות להמריא במטוס או דחיפה כלפי מטה בכוח הכבידה במסוק דורשת הרבה יותר כוח מאשר לסובב את גלגלי המכונית או המשאית.

לכן, סוללות e-VTOL חייבות להיות מסוגלות לפרוק בקצב מהיר פי 10 מהסוללות בכלי רכב חשמליים. כאשר הסוללות פורקות מהר יותר, הן מתחממות הרבה יותר. בדיוק כמו שמאוורר המחשב הנייד מסתובב במלוא המהירות כשאתה מנסה להזרים תוכנית טלוויזיה תוך כדי משחק ומשחק הורדה של קובץ גדול, כך צריך לארגן את הסוללה של הרכב עוד יותר מהר בכל פעם שתתבקש לייצר יותר כוח.

הסוללות של רכבי הכביש לא מתחממות כמעט בזמן הנהיגה, כך שניתן לקרר אותן באוויר החולף או באמצעות נוזל קירור פשוט. עם זאת, מונית e-VTOL תייצר כמות עצומה של חום בהמראה שייקח זמן רב להתקרר - ובנסיעות קצרות אולי אפילו לא יתקרר לגמרי לפני שיתחמם שוב עם הנחיתה. יחסית לגודל חבילת הסוללה, לאותו מרחק נסיעה, כמות החום הנוצרת על ידי סוללת e-VTOL במהלך ההמראה והנחיתה היא הרבה יותר ממכוניות חשמליות ומשאיות למחצה.

החום הנוסף הזה יקצר את אורך החיים השימושיים של סוללות e-VTOL, וייתכן שיהיה להם רגישים יותר להתלקחות. כדי לשמור על אמינות ובטיחות כאחד, מטוסים חשמליים יזדקקו למערכות קירור ייעודיות - אשר ידרשו יותר אנרגיה ומשקל.

זהו הבדל מכריע בין רכבי כביש חשמליים למטוסים חשמליים: למעצבי משאיות ומכוניות אין צורך לשפר באופן קיצוני את תפוקת הכוח שלהם או את מערכות הקירור שלהם, מכיוון שזה יוסיף עלות מבלי לסייע לביצועים. רק מחקרים מתמחים ימצאו את ההתקדמות החיונית הללו עבור מטוסים חשמליים.

נושא המחקר הבא שלנו ימשיך לחקור דרכים לשיפור דרישות מערכת הסוללה וקירור ה- e-VTOL למערכת קירור בכדי לספק מספיק אנרגיה לטווח שימושי ומספיק כוח להמראה ונחתה - והכל ללא התחממות יתר.

מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.

Venkat Viswanathan, עוזר פרופסור להנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלון

Shashank Sripad, Ph.D. מועמד להנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלון

ויליאם לייף פרדריקס, עוזר מחקר בהנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלון