Mentre le auto e i camion elettrici appaiono sempre più sulle autostrade statunitensi, si pone la domanda: quando i veicoli elettrici commercialmente fattibili saliranno sui cieli? Ci sono una serie di ambiziosi sforzi per costruire aeroplani elettrici, compresi getti regionali e aerei in grado di coprire distanze più lunghe. L'elettrificazione sta iniziando a consentire un tipo di viaggio aereo che molti speravano, ma non hanno ancora visto: un'auto volante.
Una sfida chiave nella costruzione di aeromobili elettrici riguarda la quantità di energia che può essere immagazzinata in una determinata quantità di peso della fonte di energia a bordo. Sebbene le migliori batterie immagazzinino circa 40 volte meno energia per unità di peso rispetto al carburante per jet, una parte maggiore 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 all'avanguardia.
Ciò rende le batterie relativamente pesanti per l'aviazione. Le compagnie aeree sono già preoccupate per il peso: imporre tasse sui bagagli in parte per limitare la quantità di aerei che devono trasportare. I veicoli stradali possono gestire batterie più pesanti, ma ci sono preoccupazioni simili. Il nostro gruppo di ricerca ha analizzato il compromesso peso-energia in camioncini e camion-rimorchi o semi-camion elettrici.
Il concetto di questo artista del design sperimentale dell'aereo elettrico della NASA mostra 14 motori lungo le ali. (NASA) Dai camion 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 semi-camion elettrico simile a quelli diesel odierni 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 economico iniziare il processo di conversione della flotta di camion americana in energia elettrica. Ciò sembra probabile che accada all'inizio degli anni '20.
I veicoli volanti sono un po 'più lontani, perché hanno esigenze energetiche diverse, specialmente durante il decollo e l'atterraggio.
Che cos'è un e-VTOL?
A differenza degli aerei passeggeri, sono già in uso piccoli droni alimentati a batteria che trasportano pacchi personali su brevi distanze, mentre volano sotto i 400 piedi. Ma trasportare persone e bagagli richiede 10 volte più energia - o più.
Abbiamo esaminato quanta energia avrebbe bisogno un piccolo velivolo a batteria in grado di decollare e atterrare in verticale. Questi sono in genere progettati per lanciarsi dritti come elicotteri, passare a una modalità aereo più efficiente ruotando le loro eliche o intere ali durante il volo, quindi tornare alla modalità elicottero per l'atterraggio. Potrebbero essere un modo efficiente ed economico per navigare nelle aree urbane affollate, evitando strade ostruite.
Requisiti energetici degli aeromobili e-VTOL
Il nostro gruppo di ricerca ha creato un modello di computer che calcola la potenza necessaria per un e-VTOL per singolo passeggero lungo le linee di progetti che sono già in fase di sviluppo. Un esempio è un e-VTOL che pesa 1.000 chilogrammi, incluso il passeggero.
La parte più lunga del viaggio, in crociera in modalità aereo, richiede meno energia per miglio. Il nostro campione e-VTOL avrebbe bisogno di circa 400-500 wattora per miglio, circa la stessa quantità di energia di un camioncino elettrico e circa il doppio del consumo di energia di una berlina elettrica per passeggeri.
Tuttavia, il decollo e l'atterraggio richiedono molta più potenza. 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 disponibili oggi, abbiamo calcolato che un e-VTOL per passeggero singolo progettato per trasportare una persona di 20 miglia o meno richiederebbe da 800 a 900 wattora per miglio. È circa la metà della quantità di energia di un semi-camion, il che non è molto efficiente: se avessi bisogno di fare una rapida visita per fare acquisti in una città vicina, non saliresti nella cabina di un rimorchio a pieno carico per arrivare lì.
Man mano che le batterie miglioreranno nei prossimi anni, potrebbero essere in grado di accumulare circa il 50 percento in più di energia per lo stesso peso della batteria. Ciò contribuirebbe a rendere e-VTOLS più praticabile per i viaggi a corto e medio raggio. Tuttavia, ci sono alcune altre cose necessarie prima che le persone possano davvero iniziare a usare e-VTOLS regolarmente.
Fai scorrere il cursore "energia specifica" da un lato all'altro per vedere come migliorare le batterie può cambiare il fabbisogno energetico dei veicoli. Venkat ViswanathanNon è solo energia
Per i veicoli terrestri, è sufficiente determinare la gamma utile di viaggio, ma non per gli aerei e gli elicotteri. I progettisti di aeromobili devono anche esaminare attentamente la potenza o la velocità con cui l'energia immagazzinata è disponibile. Questo è importante perché salire a bordo per decollare in un jet o spingere verso il basso la gravità in un elicottero richiede molta più potenza del girare le ruote di un'auto o di un camion.
Pertanto, le batterie e-VTOL devono essere in grado di scaricarsi a velocità circa 10 volte più veloci rispetto alle batterie dei veicoli stradali elettrici. Quando le batterie si scaricano più rapidamente, diventano molto più calde. Proprio come la ventola del laptop si porta alla massima velocità quando si tenta di trasmettere in streaming un programma TV mentre si gioca e si scarica un file di grandi dimensioni, una batteria del veicolo deve essere raffreddata ancora più velocemente ogni volta che viene chiesto di produrre più energia.
Le batterie dei veicoli stradali non si scaldano quasi durante la guida, quindi possono essere raffreddate dall'aria che passa o con semplici refrigeranti. Un taxi e-VTOL, tuttavia, genererebbe un'enorme quantità di calore al decollo che richiederebbe molto tempo per raffreddarsi - e in viaggi brevi potrebbe non raffreddarsi completamente prima di riscaldarsi di nuovo all'atterraggio. Rispetto 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.
Quel calore in più accorcerà la vita utile delle batterie e-VTOL e le renderà probabilmente più suscettibili di prendere fuoco. Per preservare l'affidabilità e la sicurezza, gli aeromobili elettrici avranno bisogno di sistemi di raffreddamento specializzati, che richiederebbero più energia e peso.
Questa è una differenza cruciale tra veicoli stradali elettrici e aeromobili elettrici: i progettisti di camion e automobili non hanno bisogno di migliorare radicalmente la loro potenza o i loro sistemi di raffreddamento, perché ciò aggiungerebbe costi senza aiutare le prestazioni. Solo ricerche specializzate troveranno questi progressi fondamentali per gli aerei elettrici.
Il nostro prossimo argomento di ricerca continuerà a esplorare i modi per migliorare i requisiti della batteria e-VTOL e del sistema di raffreddamento per fornire energia sufficiente per l'autonomia utile e potenza sufficiente per il decollo e l'atterraggio, il tutto senza surriscaldamento.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Venkat Viswanathan, assistente professore di ingegneria meccanica, Carnegie Mellon University
Shashank Sripad, Ph.D. Candidato in Ingegneria Meccanica, Carnegie Mellon University
William Leif Fredericks, Assistente di ricerca in ingegneria meccanica, Carnegie Mellon University
