Apabila kereta dan lori elektrik semakin muncul di lebuh raya Amerika Syarikat, ia menimbulkan persoalan: Bilakah kenderaan elektrik yang boleh dijual secara komersil ke langit? Terdapat beberapa usaha bercita-cita tinggi untuk membina kapal terbang berkuasa elektrik, termasuk jet dan pesawat serantau yang boleh meliputi jarak lebih jauh. Electrification mula membolehkan jenis perjalanan udara yang banyak diharap, tetapi masih belum dapat dilihat - sebuah kereta terbang.
Cabaran utama dalam membina pesawat elektrik melibatkan berapa banyak tenaga boleh disimpan dalam jumlah berat berat sumber tenaga on-board. Walaupun bateri terbaik menyimpan kira-kira 40 kali kurang tenaga per unit berat daripada bahan bakar jet, bahagian tenaga yang lebih besar tersedia untuk memacu gerakan. Akhirnya, untuk berat badan tertentu, bahan bakar jet mengandungi kira-kira 14 kali lebih banyak tenaga boleh digunakan daripada bateri lithium-ion yang canggih.
Itu menjadikan bateri agak berat untuk penerbangan. Syarikat-syarikat penerbangan sudah bimbang tentang berat badan - mengenakan yuran pada bagasi sebahagiannya untuk menghadkan sejauh mana kapal terbang perlu dibawa. Kenderaan jalan raya boleh mengendalikan bateri yang lebih berat, tetapi ada kebimbangan yang sama. Kumpulan penyelidikan kami telah menganalisa tradeoff tenaga berat di trak pikap elektrik dan traktor treler atau separa trak.
Konsep artis ini mengenai reka bentuk kapal terbang elektrik eksperimen NASA menunjukkan 14 motors di sepanjang sayap. (NASA) Dari trak elektrik ke kenderaan terbang
Kami berasaskan penyelidikan kami mengenai penerangan yang sangat tepat tentang tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan kenderaan bersama-sama dengan butiran mengenai proses kimia yang terlibat dalam bateri Li-ion. Kami mendapati bahawa trak separa elektrik yang serupa dengan mesin diesel hari ini boleh direka untuk perjalanan sehingga 500 batu pada satu caj sementara dapat membawa kargo kira-kira 93 peratus dari semua perjalanan fret.
Bateri perlu lebih murah sebelum ia membuat rasa ekonomi untuk memulakan proses penukaran armada trak Amerika Syarikat ke kuasa elektrik. Itu nampaknya akan berlaku pada awal tahun 2020an.
Kenderaan terbang agak jauh, kerana mereka mempunyai keperluan kuasa yang berbeza, terutamanya semasa berlepas dan mendarat.
Apakah e-VTOL?
Tidak seperti pesawat penumpang, pesawat kecil yang menggunakan bateri yang membawa pakej peribadi dalam jarak pendek, ketika terbang di bawah 400 kaki, sudah digunakan. Tetapi membawa orang dan bagasi memerlukan 10 kali lebih banyak tenaga - atau lebih.
Kami melihat berapa banyak tenaga pesawat kecil berkuasa bateri yang mampu menembusi dan mendatar menegak yang diperlukan. Ini biasanya direka untuk melancarkan lurus seperti helikopter, beralih ke mod kapal terbang yang lebih cekap dengan berputar kipas atau seluruh sayap semasa penerbangan, kemudian beralih kembali ke mod helikopter untuk pendaratan. Mereka boleh menjadi cara yang efisien dan ekonomi untuk menavigasi kawasan bandar yang sibuk, mengelakkan jalan tersumbat.
Keperluan tenaga pesawat e-VTOL
Kumpulan penyelidikan kami telah membina model komputer yang mengira kuasa yang diperlukan untuk satu e-VTOL penumpang di sepanjang garis reka bentuk yang sedang dalam pembangunan. Salah satu contohnya adalah e-VTOL yang beratnya 1, 000 kilogram, termasuk penumpang.
Bahagian terpanjang dalam perjalanan, berlayar dalam mod pesawat, memerlukan tenaga paling kurang setiap batu. Sampel e-VTOL kami memerlukan kira-kira 400 hingga 500 jam watt setiap batu, sekitar jumlah yang sama tenaga trak pikap elektrik diperlukan - dan kira-kira dua kali penggunaan tenaga sebuah penumpang elektrik.
Walau bagaimanapun, berlepas dan pendaratan memerlukan lebih banyak kuasa. Terlepas dari sejauh mana perjalanan e-VTOL, analisis kami meramalkan pengangkut berlepas dan pendaratan gabungan memerlukan antara jam 8.000 dan 10.000 watt per perjalanan. Ini adalah kira-kira separuh tenaga yang terdapat dalam kereta elektrik yang paling padat, seperti Nissan Leaf.
Untuk penerbangan keseluruhan, dengan bateri terbaik yang ada pada hari ini, kami mengira bahawa e-VTOL tunggal penumpang yang direka untuk membawa seseorang 20 batu atau kurang memerlukan 800 hingga 900 jam watt setiap batu. Itulah kira-kira separuh jumlah tenaga sebagai trak semi, yang tidak begitu berkesan: Jika anda perlu membuat lawatan cepat ke kedai di bandar berdekatan, anda tidak akan melompat ke dalam taksi traktor traktor yang dimuat sepenuhnya ke pergi ke sana.
Memandangkan bateri bertambah baik dalam beberapa tahun akan datang, mereka mungkin dapat membungkus lebih kurang 50 peratus tenaga untuk berat bateri yang sama. Itu akan membantu membuat e-VTOLS lebih maju untuk perjalanan pendek dan sederhana. Tetapi, ada beberapa perkara yang diperlukan sebelum orang benar-benar dapat menggunakan e-VTOLS secara teratur.
Luncurkan bahagian slider 'tenaga tertentu' ke sisi untuk melihat bagaimana membuat bateri lebih baik dapat mengubah keperluan tenaga kenderaan. Venkat ViswanathanIa bukan hanya tenaga
Bagi kenderaan bawah tanah, menentukan jarak perjalanan yang berguna adalah cukup - tetapi bukan untuk pesawat dan helikopter. Pereka pesawat juga perlu memeriksa dengan teliti kuasa - atau berapa cepat tenaga tersimpan. Ini penting kerana ramping untuk berlepas dalam jet atau menolak ke atas graviti dalam helikopter mengambil lebih banyak kuasa berbanding memutarkan roda kereta atau trak.
Oleh itu, bateri e-VTOL mesti dapat melepaskan pada kadar kira-kira 10 kali lebih cepat daripada bateri dalam kenderaan jalan raya elektrik. Apabila bateri dibuang lebih cepat, mereka akan menjadi lebih panas. Sama seperti peminat komputer riba anda berputar sehingga kelajuan penuh apabila anda cuba menyiarkan rancangan TV semasa bermain permainan dan memuat turun fail besar, pek bateri kenderaan perlu disejukkan lebih cepat setiap kali ia diminta untuk menghasilkan lebih banyak kuasa.
Bateri kenderaan jalan raya tidak memanaskan hampir semasa memandu, supaya ia dapat disejukkan oleh udara yang lewat atau dengan penyejuk mudah. Walau bagaimanapun, teksi e-VTOL akan menjana sejumlah besar haba di lepas landas yang memerlukan masa yang lama untuk menyejukkan diri - dan dalam perjalanan singkat mungkin tidak akan menyejukkan sepenuhnya sebelum memanaskan lagi pendaratan. Berkenaan dengan saiz pek bateri, untuk jarak yang sama mengembara, jumlah haba yang dihasilkan oleh bateri e-VTOL semasa berlepas dan pendaratan jauh lebih banyak daripada kereta elektrik dan separa trak.
Haba tambahan itu akan memendekkan hayat berguna bateri e-VTOL, dan mungkin membuat mereka lebih mudah terdedah kepada menangkap api. Untuk memelihara kebolehpercayaan dan keselamatan, pesawat elektrik memerlukan sistem penyejukan khusus - yang memerlukan lebih banyak tenaga dan berat.
Ini adalah perbezaan penting antara kenderaan jalan raya elektrik dan pesawat elektrik: Pereka trak dan kereta tidak mempunyai keperluan untuk secara radikal meningkatkan sama ada output kuasa mereka atau sistem penyejukan mereka, kerana itu akan menambah kos tanpa membantu prestasi. Hanya penyelidikan khusus yang akan mencari kemajuan penting untuk pesawat elektrik.
Topik penyelidikan kami akan terus meneroka cara untuk meningkatkan bateri e-VTOL dan keperluan sistem penyejukan untuk menyediakan tenaga yang cukup untuk julat berguna dan kuasa yang cukup untuk berlepas dan mendarat - semuanya tanpa terlalu panas.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Venkat Viswanathan, Penolong Profesor Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Calon dalam Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, Penolong Penyelidik Kejuruteraan Mekanikal, Universiti Carnegie Mellon
