Khi chính xác các máy bay điện sẽ đưa lên bầu trời? Kỹ sư cân

Khi ô tô điện và xe tải xuất hiện ngày càng nhiều trên đường cao tốc Hoa Kỳ, nó đặt ra câu hỏi: Khi nào thì xe điện có thể bán được trên bầu trời? Có một số nỗ lực đầy tham vọng để chế tạo máy bay chạy bằng điện, bao gồm máy bay phản lực khu vực và máy bay có thể bao quát khoảng cách xa hơn. Điện khí hóa đang bắt đầu cho phép một loại hình du lịch hàng không mà nhiều người đã hy vọng, nhưng thiên đường đã thấy - một chiếc ô tô bay.

Một thách thức chính trong việc chế tạo máy bay điện liên quan đến việc có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng trong một trọng lượng nhất định của nguồn năng lượng trên máy bay. Mặc dù pin tốt nhất lưu trữ năng lượng ít hơn khoảng 40 lần trên mỗi đơn vị trọng lượng so với nhiên liệu máy bay, nhưng phần lớn năng lượng của chúng có sẵn để điều khiển chuyển động. Cuối cùng, đối với một trọng lượng nhất định, nhiên liệu máy bay chứa năng lượng có thể sử dụng nhiều hơn khoảng 14 lần so với pin lithium-ion hiện đại.

Xem thêm: Gặp gỡ máy bay chạy bằng điện, hydro, không phát thải vào năm 2025

Điều đó làm cho pin tương đối nặng cho hàng không. Các công ty hàng không đã lo lắng về trọng lượng - áp dụng phí đối với hành lý một phần để hạn chế số lượng máy bay phải mang theo. Phương tiện giao thông đường bộ có thể xử lý pin nặng hơn, nhưng có những lo ngại tương tự. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã phân tích sự đánh đổi năng lượng trọng lượng trong xe bán tải điện và xe đầu kéo hoặc xe bán tải.

Từ xe tải điện đến phương tiện bay

Chúng tôi dựa trên nghiên cứu của chúng tôi dựa trên một mô tả rất chính xác về năng lượng cần thiết để di chuyển chiếc xe cùng với các chi tiết về các quá trình hóa học cơ bản liên quan đến pin Li-ion. Chúng tôi thấy rằng một điện bán xe tải tương tự như những người chạy bằng diesel hiện nay có thể được thiết kế để di chuyển lên đến 500 dặm trên một lần sạc trong khi có khả năng chở hàng của khoảng 93 phần trăm của tất cả các chuyến đi chở hàng.

Pin sẽ cần phải rẻ hơn trước khi nó có ý nghĩa kinh tế để bắt đầu quá trình chuyển đổi đội tàu vận tải của Mỹ sang năng lượng điện. Điều đó dường như có thể xảy ra vào đầu những năm 2020.

Các phương tiện bay cách xa hơn một chút, bởi vì chúng có nhu cầu năng lượng khác nhau, đặc biệt là trong quá trình cất cánh và hạ cánh.

E-VTOL là gì?

Không giống như máy bay chở khách, máy bay không người lái chạy bằng pin nhỏ mang theo các gói cá nhân trong khoảng cách ngắn, trong khi bay dưới 400 feet, đã được sử dụng. Nhưng mang theo người và hành lý đòi hỏi gấp 10 lần năng lượng - hoặc hơn.

Chúng tôi đã xem xét một máy bay nhỏ chạy bằng pin có khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng cần bao nhiêu năng lượng. Chúng thường được thiết kế để phóng thẳng lên như máy bay trực thăng, chuyển sang chế độ máy bay hiệu quả hơn bằng cách xoay cánh quạt hoặc toàn bộ cánh trong suốt chuyến bay, sau đó chuyển về chế độ máy bay trực thăng để hạ cánh. Chúng có thể là một cách hiệu quả và kinh tế để điều hướng các khu vực đô thị bận rộn, tránh những con đường bị tắc.

Yêu cầu năng lượng của máy bay e-VTOL

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã xây dựng một mô hình máy tính tính toán công suất cần thiết cho một e-VTOL hành khách đơn dọc theo các dòng thiết kế đang được phát triển. Một ví dụ như vậy là một e-VTOL nặng 1.000 kg, bao gồm cả hành khách.

Phần dài nhất của chuyến đi, bay trong chế độ máy bay, cần ít năng lượng nhất trên mỗi dặm. Mẫu e-VTOL của chúng tôi sẽ cần khoảng 400 đến 500 watt mỗi giờ, xung quanh cùng một mức năng lượng mà một chiếc xe bán tải điện sẽ cần - và khoảng gấp đôi mức tiêu thụ năng lượng của một chiếc xe chở khách bằng điện.

Tuy nhiên, cất cánh và hạ cánh đòi hỏi nhiều sức mạnh hơn. Bất kể chuyến đi của e-VTOL đi được bao xa, phân tích của chúng tôi dự đoán việc cất cánh và hạ cánh kết hợp sẽ cần từ 8.000 đến 10.000 watt mỗi giờ. Đây là khoảng một nửa năng lượng có sẵn trong hầu hết các xe điện nhỏ gọn, như một chiếc Nissan Leaf.

Cho một chuyến bay toàn bộ, với pin tốt nhất hiện nay, chúng tôi tính toán rằng một đơn hành khách e-VTOL thiết kế để chở một người 20 dặm hoặc ít hơn sẽ cần khoảng 800-900 watt-giờ mỗi dặm. Đó là khoảng một nửa năng lượng như một chiếc xe tải bán tải, không hiệu quả lắm: Nếu bạn cần nhanh chóng đến cửa hàng ở một thị trấn gần đó, bạn sẽ không nhảy vào xe taxi của một xe đầu kéo đầy tải để đến đó.

Khi pin được cải thiện trong vài năm tới, chúng có thể có khả năng đóng gói thêm khoảng 50% năng lượng cho cùng một trọng lượng pin. Điều đó sẽ giúp làm cho e-VTOLS trở nên khả thi hơn cho các chuyến đi ngắn và trung bình. Nhưng, có một vài điều cần thiết nữa trước khi mọi người thực sự có thể bắt đầu sử dụng e-VTOLS thường xuyên.

Nó không chỉ là năng lượng

Đối với phương tiện mặt đất, xác định phạm vi di chuyển hữu ích là đủ - nhưng không phải cho máy bay và trực thăng. Các nhà thiết kế máy bay cũng cần kiểm tra chặt chẽ sức mạnh - hoặc năng lượng dự trữ có sẵn nhanh như thế nào. Điều này rất quan trọng vì việc tăng tốc để cất cánh trong một máy bay phản lực hoặc đẩy xuống trọng lực trong một máy bay trực thăng tốn nhiều năng lượng hơn so với việc quay các bánh xe ô tô hoặc xe tải.

Do đó, pin e-VTOL phải có khả năng xả với tốc độ nhanh hơn khoảng 10 lần so với pin trong xe điện. Khi pin xả nhanh hơn, chúng sẽ nóng hơn rất nhiều. Giống như quạt máy tính xách tay của bạn tăng tốc tối đa khi bạn cố truyền phát chương trình TV trong khi chơi trò chơi và tải xuống một tệp lớn, một bộ pin xe cần được làm mát thậm chí nhanh hơn bất cứ khi nào nó được yêu cầu sản xuất nhiều năng lượng hơn.

Phương tiện giao thông đường bộ Pin pin don don nóng lên gần như khi lái xe, vì vậy chúng có thể được làm mát bằng không khí đi qua hoặc với các chất làm mát đơn giản. Tuy nhiên, một chiếc taxi điện tử sẽ tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ khi cất cánh, sẽ mất nhiều thời gian để làm mát - và trong các chuyến đi ngắn có thể thậm chí không hạ nhiệt hoàn toàn trước khi nóng lên trở lại khi hạ cánh. Liên quan đến kích thước bộ pin, trong cùng quãng đường di chuyển, lượng nhiệt được tạo ra bởi pin e-VTOL khi cất cánh và hạ cánh nhiều hơn so với ô tô điện và xe bán tải.

Xem thêm: Giám đốc điều hành Tesla Elon Musk Chi tiết ý tưởng cho máy bay điện trên Joe Rogan Podcast

Nhiệt tăng thêm đó sẽ rút ngắn thời gian sử dụng pin e-VTOL, và có thể khiến chúng dễ bị bắt lửa hơn. Để bảo vệ cả độ tin cậy và an toàn, máy bay điện sẽ cần các hệ thống làm mát chuyên dụng - đòi hỏi nhiều năng lượng và trọng lượng hơn.

Đây là một sự khác biệt quan trọng giữa xe điện và máy bay điện: Nhà thiết kế xe tải và xe hơi donith có nhu cầu cải thiện triệt để sản lượng điện hoặc hệ thống làm mát của chúng, bởi vì điều đó sẽ tăng thêm chi phí mà không giúp hiệu suất. Chỉ có nghiên cứu chuyên ngành mới tìm thấy những tiến bộ quan trọng cho máy bay điện.

Chủ đề nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các cách để cải thiện các yêu cầu về pin và hệ thống làm mát e-VTOL để cung cấp đủ năng lượng cho phạm vi hữu ích và đủ năng lượng để cất cánh và hạ cánh - tất cả mà không quá nóng.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Venkat Viswanathan, Shashank Sripad và William Leif Fredericks. Đọc văn bản gôc ở đây.