Kapag Eksaktong Makakaapekto ba ang mga Planeta ng Elektrisya sa mga Kalangitan? Tinitimbang ng mga Inhinyero

Habang lumalaki ang mga de-koryenteng mga kotse at trak sa mga haywey ng Estados Unidos, pinalaki nito ang tanong: Kailan makukuha ang mga sasakyang maaaring mabuhay ng komersyo sa kalangitan? Mayroong maraming mga ambisyoso na pagsisikap na bumuo ng mga electric-powered na eroplano, kabilang ang mga pampook na jet at eroplano na maaaring masakop ang mas mahabang distansya. Ang electrification ay nagsisimula upang paganahin ang isang uri ng air travel na marami ay umaasa, ngunit hindi pa nakikita - isang lumilipad na kotse.

Ang isang pangunahing hamon sa pagtatayo ng sasakyang panghimpapawid ay nagsasangkot kung magkano ang enerhiya ay maitabi sa isang ibinigay na halaga ng bigat ng on-board source ng enerhiya. Kahit na ang pinakamainam na baterya ay nag-iimbak ng 40 beses na mas kaunting enerhiya sa bawat yunit ng timbang kaysa sa jet fuel, ang isang mas malaking bahagi ng kanilang enerhiya ay magagamit upang himukin ang paggalaw. Sa huli, para sa isang naibigay na timbang, ang jet fuel ay naglalaman ng tungkol sa 14 beses na mas kapaki-pakinabang na enerhiya kaysa sa isang state-of-the-art na lithium-ion na baterya.

Tingnan din ang: Kilalanin ang Plane, Hydrogen, Zero-Emissions Plane na Itakda upang Lumipad sa 2025

Na ginagawang mas mabigat ang mga baterya para sa abyasyon. Ang mga kompanya ng airline ay nag-aalala tungkol sa timbang - kahanga-hanga ang mga bayad sa mga bagahe sa bahagi upang limitahan kung gaano karaming mga eroplano ang dapat dalhin. Ang mga sasakyan sa kalsada ay maaaring humawak ng mas mabibigat na baterya, ngunit may mga katulad na alalahanin. Sinusuri ng aming pangkat sa pananaliksik ang tradeoff ng weight-energy sa mga electric pickup trucks at tractor-trailer o semi-trucks.

Mula sa Electric Trucks sa Flying Vehicles

Base namin ang aming pananaliksik sa isang napaka-tumpak na paglalarawan ng enerhiya na kinakailangan upang ilipat ang sasakyan kasama ang mga detalye ng mga nakapailalim na mga proseso ng kemikal na kasangkot sa Li-ion na mga baterya. Nalaman namin na ang isang electric semi-truck na katulad ng mga diesel na pinapatakbo ng diesel ngayon ay maaaring idinisenyo upang maglakbay nang hanggang 500 milya sa isang solong singil habang nakakapagdala ng karga ng mga 93 porsiyento ng lahat ng mga biyahe ng kargamento.

Ang mga baterya ay kailangan upang makakuha ng mas mura bago ito gumawa ng pang-ekonomiyang kahulugan upang simulan ang proseso ng pag-convert ng US trucking fleet sa electric power. Na tila posibleng mangyari ng maagang 2020s.

Ang mga sasakyang lumilipad ay medyo malayo, dahil mayroon silang iba't ibang pangangailangan ng kuryente, lalo na sa panahon ng pag-alis at paglapag.

Ano ang isang e-VTOL?

Hindi tulad ng mga eroplano ng pasahero, ang mga maliliit na drone na pinapatakbo ng baterya na nagdadala ng mga personal na pakete sa mga malalapit na distansya, habang lumilipad sa ibaba 400 talampakan, ay ginagamit na. Ngunit ang pagdadala ng mga tao at mga bagahe ay nangangailangan ng 10 beses ng mas maraming enerhiya - o higit pa.

Tiningnan namin kung magkano ang enerhiya ng maliit na sasakyang panghimpapawid na pinapatakbo ng baterya na may kakayahang tumagal ng vertical na pagtaas at landing. Ang mga ito ay kadalasang dinisenyo upang ilunsad nang diretso tulad ng helicopters, paglilipat sa isang mas mahusay na mode ng eroplano sa pamamagitan ng pag-ikot ng kanilang mga propeller o buong pakpak habang lumilipad, pagkatapos ay bumalik sa helicopter mode para sa landing. Maaari silang maging isang mahusay at pang-ekonomiyang paraan upang mag-navigate sa abalang mga lunsod na lugar, pag-iwas sa mga baradong kalsada.

Mga Kinakailangan ng Enerhiya ng E-VTOL na Sasakyang Panghimpapawid

Ang aming grupo ng pananaliksik ay nagtayo ng isang modelo ng computer na kinakalkula ang lakas na kinakailangan para sa isang single-passenger e-VTOL kasama ang mga linya ng mga disenyo na nasa ilalim ng pag-unlad. Ang isang halimbawa ay isang e-VTOL na may timbang na 1,000 kilo, kabilang ang pasahero.

Ang pinakamahabang bahagi ng biyahe, pag-cruis sa mode ng eroplano, ay nangangailangan ng pinakamababang enerhiya sa bawat milya. Ang aming sample na e-VTOL ay nangangailangan ng tungkol sa 400 hanggang 500 watt-oras bawat milya, sa paligid ng parehong dami ng enerhiya na kailangan ng isang electric pickup truck - at halos dalawang beses ang pagkonsumo ng enerhiya ng isang electric passenger sedan.

Gayunpaman, ang pag-alis at pag-landing nangangailangan ng higit na kapangyarihan. Anuman ang layo ng isang paglalakbay sa e-VTOL, hinuhulaan ng pag-aaral ang pag-aalis ng landas at landing ay nangangailangan ng pagitan ng 8,000 at 10,000 wat-oras bawat biyahe. Ito ay tungkol sa kalahati ng enerhiya na magagamit sa pinaka-compact electric cars, tulad ng isang Nissan Leaf.

Para sa isang buong flight, gamit ang pinakamahusay na mga baterya na magagamit ngayon, kinakalkula namin na ang isang single-pasahero e-VTOL na dinisenyo upang dalhin ang isang tao na 20 mil o mas mababa ay nangangailangan ng tungkol sa 800 sa 900 wat-oras bawat milya. Iyon ay tungkol sa kalahati ng halaga ng enerhiya bilang isang semi-trak, na kung saan ay hindi masyadong mahusay: Kung kailangan mo upang gumawa ng isang mabilis na pagbisita upang mamili sa isang kalapit na bayan, hindi mo na hop sa cab ng isang ganap na-load traktor-trailer sa makarating doon.

Habang nagpapabuti ang mga baterya sa susunod na mga taon, maaari silang mag-pack nang halos 50 porsiyento na mas maraming enerhiya para sa parehong timbang ng baterya. Iyon ay makakatulong na gawing mas mabubuhay ang e-VTOLS para sa mga short- at medium-range na mga biyahe. Ngunit, may ilang higit pang mga bagay na kailangan bago ang mga tao ay maaaring magsimula nang regular gamit ang e-VTOLS.

Hindi Ito Lamang ang Enerhiya

Para sa mga sasakyan sa lupa, ang pagtukoy ng kapaki-pakinabang na hanay ng paglalakbay ay sapat - ngunit hindi para sa mga eroplano at helicopter. Kailangan din ng mga designer ng eroplano na malapit na suriin ang kapangyarihan - o kung gaano kabilis ang naka-imbak na enerhiya ay magagamit. Mahalaga ito dahil ang mabilis na pagtaas sa jet o pagtulak sa gravity sa isang helicopter ay tumatagal ng higit na lakas kaysa pag-on ng mga gulong ng isang kotse o trak.

Samakatuwid, ang mga baterya ng e-VTOL ay dapat ma-discharge sa mga rate ng humigit-kumulang 10 beses na mas mabilis kaysa sa mga baterya sa mga sasakyang de-kuryenteng kalsada. Kapag mas mabilis na naglalabas ang mga baterya, nakakakuha ang mga ito ng mas mainit. Tulad ng iyong laptop fan ay kumakain hanggang sa puspusang bilis kapag sinubukan mong mag-stream ng isang palabas sa TV habang nagpe-play ng isang laro at nagda-download ng isang malaking file, ang isang pack ng baterya ng sasakyan ay kailangang mas cool na kahit kailan tuwing hihilingin ito upang makagawa ng mas maraming kapangyarihan.

Ang mga baterya ng mga sasakyan sa kalsada ay hindi napainit halos habang nagmamaneho, kaya't maaari itong mapalamig sa pamamagitan ng hangin na dumaraan o may mga simpleng mga coolant. Ang isang e-VTOL na taxi, gayunpaman, ay bubuo ng isang malaking halaga ng init sa pagtaas ng eruplano na aabutin ng mahabang panahon upang palamig - at sa mga maikling biyahe ay hindi maaaring maging ganap na mag-cool down bago pagpainit muli sa landing. Kamag-anak sa laki ng baterya pack, para sa parehong layo manlalakbay, ang halaga ng init na nalikha sa pamamagitan ng isang e-VTOL baterya sa panahon ng pag-alis at landing ay malayo higit sa electric cars at semi-trucks.

Tingnan din ang: Tesla CEO Elon Musk Mga Detalye Ideya para sa Electric Plane sa Joe Rogan Podcast

Ang dagdag na init ay paikliin ang mga kapaki-pakinabang na buhay ng mga baterya ng e-VTOL, at posibleng gawing mas madaling kapitan sa sunog. Upang mapangalagaan ang pagiging maaasahan at kaligtasan, ang mga sasakyang de-kuryenteng kailangan ng dalubhasang mga sistema ng paglamig - na nangangailangan ng mas maraming enerhiya at timbang.

Ito ay isang napakahalagang pagkakaiba sa pagitan ng mga sasakyang de koryente at mga sasakyang de-kuryenteng electric: Ang mga taga-disenyo ng mga trak at kotse ay walang pangangailangan na radikal na mapabuti ang alinman sa kanilang kapangyarihan output o ang kanilang mga cooling system, dahil ito ay magdagdag ng gastos nang walang pagtulong sa pagganap. Ang espesyal na pagsasaliksik lamang ang makakahanap ng mahahalagang paglago para sa electric aircraft.

Ang aming susunod na paksa sa pananaliksik ay patuloy na galugarin ang mga paraan upang mapabuti ang baterya ng e-VTOL at paglamig ng mga kinakailangan ng system upang magbigay ng sapat na enerhiya para sa kapaki-pakinabang na saklaw at sapat na kapangyarihan para sa pagtaas ng eruplano at paglapag - lahat nang walang overheating.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa The Conversation ni Venkat Viswanathan, Shashank Sripad, at William Leif Fredericks. Basahin ang orihinal na artikulo dito.