211service.com
En gång ett skämt, batteridrivna flygplan närmar sig verklighet
Förra månaden Siemens och EADS demonstrerade ett nytt gas-elektriskt fordon som kan bära två personer och deras bagage 900 kilometer – ungefär avståndet från New York till Detroit – mellan tankning och laddning. Prototypen var inte en bil, utan ett litet tvåsitsigt flygplan.
Flygande hybrid: Detta tvåsitsiga el-gasflygplan kan vara det första av många att ta sig till skyarna.
Hybridplanet liknar Chevrolet Volt genom att den förlitar sig på en elmotor och använder en gasmotor som backup. Flygplanet matchar prestandan hos vissa privata flygplan som redan finns på marknaden, men det har två distinkta fördelar: det är anmärkningsvärt tyst och använder cirka 25 procent mindre bränsle.
Framgången förebådar vad som sannolikt kommer att bli en stor förändring mot hybridframdrivning i flygplan. Flera stora företag föreställer sig en framtid där flygplan åtminstone delvis förlitar sig på elektrisk framdrivning. Även om tekniken kommer att tillämpas på små flygplan till en början, kan den så småningom bidra till att minska buller och utsläpp från flygplan.
Inom detta decennium kommer vi säkerligen att se hybridelektriska flygplan komma in på marknaden, säger Frank Anton , som leder hybridflygplanssatsningarna på Siemens. Fyra-sits hybridflygplan är sannolikt inom den tidsramen, säger han, men även 19 sittplatser är möjliga innan decenniet är ute. Anton förutspår att vi så småningom kommer att se 100-passagerarhybridflygplan som använder hälften så mycket bränsle som dagens flygplan.
Boeing tar detta ett steg längre med ett koncept för hybridflygplan i storleken 737, som har plats för fler än 150 passagerare, även om det är osannolikt att dessa kommer att tas i bruk före 2030. EADS, Airbus moderbolag, har också utvecklat en konceptuell design för passagerarflygplan som flyger uteslutande på el, även om räckvidden för dessa flygplan skulle vara begränsad.
Motorhuvud: Det nya planet är det första som har en hybriddrivlina.
För några år sedan var tanken på att flyga ett flygplan på batterier ett skämt, säger man Marty Bradley , en principutredare för avancerade flygplanskoncept vid Boeing Research and Technology. Medan batterier och elmotorer är effektiva och tysta, tenderar batterier att vara stora och tunga och lagrar mycket mindre energi än flytande bränslen.
Två saker har förändrats. Mängden energi som batterier kan lagra förbättras stadigt, och detta ser troligt ut att fortsätta eftersom de utvecklas för användning i bärbar elektronik och elfordon, säger Bradley. Samtidigt blir tekniken som behövs för att integrera batterier och elmotorer med konventionella motorer mindre, lättare och effektivare. Siemens demonstrerade en tidigare version av sitt hybridflygplan 2011, men det var för tungt för att vara praktiskt. För det nya planet minskade Siemens vikten på elmotorn, kraftelektroniken och växlarna med 100 kilo för att få upp last- och passagerarkapaciteten till samma nivå som småplan av samma storlek.
I flygplan förbättrar en elektrisk hybriddesign effektiviteten huvudsakligen genom att göra det möjligt att använda en relativt liten gasdriven motor som är utformad för att köras mest effektivt i marschhastigheter. Batteriet och elmotorn ger den extra kraft som behövs för start och uppstigning. Batterierna gör det också möjligt att återvinna energi under nedstigning ungefär på samma sätt som hybridbilar fångar energi under bromsning (propellrar snurrar en generator). Och när batterierna förbättras kommer de att ge mer och mer av energin ombord.
Elmotorer ger andra fördelar. De kan monteras på ovanliga ställen på ett flygplan, vilket kan användas för att förbättra aerodynamiken. De kan också styras: vinklas uppåt, till exempel under start för att snabbare få upp ett plan från marken. Under flygning kunde motorn riktas åt vänster eller höger för att styra planet, vilket eliminerar behovet av ett roder. Dessa designförändringar, tillsammans med effektiviteten hos hybridframdrivningen, kan bidra till att minska bränsleförbrukningen med hälften, säger han (se 'Hybrid Wing' använder hälften av bränslet från ett standardflygplan ).
Hur snabb elektrisk framdrivning antas beror mest på batteriernas utveckling. EADS:s elektriska flygplansplaner kräver ett batteri som kan lagra 1 000 wattimmar per kilogram, vilket är ungefär fem gånger mer energi än ett typiskt litiumjonbatteri. Nya batterikemier som litium-luft och litium-svavel skulle kunna ge mer kapacitet, men några stora utmaningar kvarstår (se Nanostrukturer ökar batteriets livslängd femfaldigt och längre än litiumjon: ARPA-E satsar på Novel Energy Storage ). Bradley förväntar sig att helt elektriska flygplan kommer att begränsas till 1 600 kilometer till efter 2050.
För större flygplan kan elektrisk framdrivning användas för att hjälpa till att snurra de stora turbofläktarna på framsidan av en jetmotor. Den första tillämpningen av elektrisk framdrivning för stora plan kommer att vara för taxining, vilket gör att flygplan kan spara bränsle på marken, säger han.
Så under de kommande åren kommer hybridteknologi att vara begränsad till små flygplan. En kortsiktig fördel med tekniken är att små flygplatser (som ofta ligger nära bostadsområden) blir tystare, säger Jean Koster , en professor i flygteknik vid University of Colorado i Boulder som har grundat ett företag för att kommersialisera en mer kompakt växellåda för att kombinera gas och elkraft. Hybridkonstruktioner kan också sätta stopp för en av de sista lagringarna av bränsle som innehåller bly: små flygplan med motorer med hög kompression kräver fortfarande blytillsatser. Faktum är att batteriökningen skulle kunna göra det möjligt att använda samma gasdrivna motorer som används i hybridbilar.