211service.com
Ett kraftfullt nytt batteri kan ge oss elektriska flygplan som inte förorenar
Ett tillverkningsknep med magnetfält producerar ett batteri som kan laddas ur tillräckligt snabbt för att få ett flygplan från marken. 30 oktober 2018
Simon Simard
Ljust färgade molekylära modeller kantar två väggar av Yet-Ming Chiangs kontor vid MIT. Chiang, materialvetenskapsprofessor och seriebatterientreprenör, har tillbringat en stor del av sin karriär med att studera hur lite olika arrangemang av dessa pinnar och sfärer ger radikalt olika resultat vid energilagring.
Men han och hans kollega, Venkat Viswanathan , tar ett annat tillvägagångssätt för att nå sitt nästa mål, och ändrar inte batteriernas sammansättning utan anpassningen av föreningarna i dem. Genom att applicera magnetiska krafter för att räta ut den slingrande väg som litiumjoner navigerar genom elektroderna, tror forskarna, att de avsevärt skulle kunna öka hastigheten med vilken enheten laddar ur elektricitet.
Det kraftskottet kan öppna upp för en användning som länge har undgått batterier: att möta de enorma kraven från ett passagerarflygplan vid uppstigningen. Om det fungerar som man hoppats skulle det möjliggöra regionala pendlingsflyg som inte förbränner bränsle eller ger direkta klimatutsläpp.
Viswanathan, biträdande professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon, initierade och leder forskningsprojektet. Han och Chiang samarbetar nu med 24M, litiumjonbatteritillverkaren Chiang som grundades 2010, och Zunum Aero, en startup för flygplan baserad i Bothell, Washington, för att utveckla och testa prototypbatterier speciellt designade för behoven hos ett avancerat hybridplan.
Venkat Viswanathan, biträdande professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon. Med tillstånd av Carnegie Mellon University
Höga insatser
Att eliminera utsläpp av växthusgaser från flygplan är en av de svåraste utmaningarna i klimatpusslet. Flygresor står för cirka 2 % av de globala koldioxidutsläppen och är en av de snabbast växande källorna till föroreningar av växthusgaser.
Men det finns inga rena alternativ idag för mer än en liten bit flygresor, eftersom batterierna som driver elbilar fortfarande är för dyra, tunga och annars dåligt lämpade för flyg.
Mer än ett dussin företag, inklusive Uber, Airbus och Boeing, undersöker redan potentialen att elektrifiera små flygplan, vilket skapar motsvarigheten till flygande taxibilar som kan ta sig runt 100 miles (161 kilometer) på en laddning. Förhoppningen är att dessa en- eller tvåpassagerarfordon – i de flesta fall tänkta som autonoma vertikala start- och landningsflygplan – skulle kunna förkorta pendlingarna, minska trafikstockningarna och minska utsläppen från fordon. Men dessa skulle till stor del ersätta bilturer för de rika, inte ersätta flygresor.
Viswanathan och Chiang siktar högre. Den ursprungliga planen är att utveckla ett batteri som kan driva ett 12-personers plan med 400 miles (644 kilometer) räckvidd – tillräckligt för att göra resor från, säg, San Francisco till Los Angeles, eller New York till Washington. I en andra fas hoppas de kunna möjliggöra ett elektriskt plan som kan transportera 50 personer samma sträcka.
Sådana plan skulle fortfarande vara utrustade med en förbränningsmotor och transportera bränsle. Men bränslet skulle till stor del finnas ombord för att uppnå US Federal Aviation Administrations reservkrav för säkerhet, som instruerar flygplan att bära tillräckligt för att landa på en flygplats 200 miles (322 kilometer) från den avsedda destinationen. På en normal flygning ska flygplanen inte behöva tappa i det bränslet.
Simon Simard
Luftburet
Attraktionen av projektet till en startup som Zunum är uppenbar: ju bättre batterier blir på att möta flygplanens behov, desto större marknad kan hybrid- eller elplan potentiellt adressera.
Förra året, företaget meddelat planerar att leverera en linje av hybrid till elektriska flygplan med plats för 12 passagerare 2022.
Vid lanseringen avser företaget att erbjuda ett hybridplan med en gasturbin och två batteripaket som kan flyga runt 700 miles (1 127 kilometer), samt en helelektrisk version med tre batteripaket och en räckvidd på mindre än 200 miles . (Till skillnad från planen som Viswanathan och Chiang har i åtanke, skulle hybridmodellen dra mycket på bränslet ombord.) Men avgörande är att planet i sig förväntas ha en öppen arkitektur som gör det möjligt för ägare att byta ut dessa moduler över tiden, vilket möjliggör dem för att uppgradera till bättre batterier som utvecklas i framtiden eller övergå från hybriddrift till helelektrisk drift.
Zunum har säkrat kapital från Boeing, JetBlue och staten Washingtons Clean Energy Fund. JetSuite, ett Dallas-baserat charterflygbolag, har gått med på att köpa upp till 100 av planen. Andra startups, inklusive Eviation Aircraft och Wright Electric, arbetar också med att utveckla små elektriska plan för pendlingsflygningar.
Det här klippet visar vad som händer när magnetiska krafter appliceras på magnetiska mikrostavar blandade med elektrodmaterial. Med tillstånd av MIT-forskaren Jonathan Sander
Plan används sällan för regionala resor, vilket motsvarar mindre än 1 % av resorna under 500 miles, enligt US Bureau of Transportation Statistics . Flygbolag har hållit sig undan kortare flygningar till stor del eftersom det mesta av bränslet förbränns under start, vilket innebär att längre rutter är mycket mer ekonomiska. Och med tanke på de höga kostnaderna och besvären med att flyga, väljer konsumenter till stor del bilar, tåg eller bussar istället för detta reseutbud.
Zunums vd Ashish Kumar, tidigare chef för Microsoft och Google, tror att hybridplan kan ändra dessa vanor – till stor del genom att sänka bränslekostnaderna och i sin tur biljettpriserna. I de flesta delar av världen kan du fördubbla dina inrikesflygmil när folk går av motorvägen och in i snabbare flygplan, säger han.
Simon Simard
När batterierna förbättras kan hybrid- och elektriska flygplan också skära ner på en mycket större andel av flygtransporterna. Till 2035, förväntar Kumar, kommer hybridplan att kunna nå avstånd så stora som 1 500 miles (2 414 kilometer), då flygresor representerar 82 % av resor, enligt BTS.
Ett girigt batteri
Under ett möte på Chiangs kontor i början av september, underströk Viswanathan utmaningarna med att elektrifiera flyget genom att dra upp ett diagram som visar urladdningsprofilen för ett batteripaket över en flygbana. Det är en alpin vägg under de första minuterna av flygningen. Sedan sjunker det dramatiskt till en lång, platt platå när planet når marschhöjd.
Med andra ord måste ett batteri kunna leverera en enorm mängd kraft vid start och packa tillräckligt med energitäthet för att kryssa minst hundratals mil. Men för att fungera inom gränserna för flygplansfysik och ekonomi måste den också vara så långvarig och lätt som möjligt och kunna snabbladdas – eller åtminstone, som Zunum planerar, lätt kunna bytas ut mot ett fulladdat batteri mellan flygen.
Viswanathan noterar att ett standardbatteri i Tesla-stil kan kontrollera de två första rutorna. Men start skulle vara som att köra en Model S i löjligt läge i fyra minuter istället för några sekunder, vilket genererar en enorm mängd värme.
Du skulle steka batteriet, säger han.
Det skulle radikalt förkorta livslängden för mycket dyra batteripaket.
Det här klippet visar vad som händer när magnetiska krafter appliceras på magnetiska droppar blandade med elektrodmaterial. Med tillstånd av MIT-forskaren Jonathan Sander
Att få litiumjonbatterier att laddas ur med en hastighet som är tillräckligt snabb för flygplan kräver att det blir lättare för joner och elektroner att flöda genom batteriet, särskilt elektroderna. Ett alternativ är att göra elektrodmaterialen mer porösa eller tunnare, men endera av dessa förändringar skulle komma till en brant kostnad för energitätheten.
Så istället undersöker forskarna sätt att räta ut vridningsvägarna genom tätt packat kol, koboltföreningar och andra material i elektroderna.
Som i många magiska illusioner förlitar sig tricket på magneter.
I ett 2016 papper i Naturenergi , Chiang, MIT-forskaren Jonathan Sander och kollegor visade att inblandning av magnetiska nanopartiklar i elektrodmaterialen och applicering av ett lätt magnetfält hjälpte till att skapa inriktade vägar genom elektroderna.
Efterföljande tester visade att urladdningskapaciteten för dessa elektroder, eller hastigheten med vilken elektroner kan resa ut ur batteriet, var mer än dubbelt så hög som för konventionella litiumjonbatterier - utan att offra energitätheten.
Det öppnar upp en helt ny riktning i vad vi kan få ut av batterier för elflyg, sa Chiang.
Forskarna arbetar nu med 24M i Cambridge, Massachusetts, där Chiang också fungerar som chefsforskare, för att utveckla och testa prototypbatterier med denna magnetiska metod. Om allt går bra kommer Zunum sedan att arbeta med forskarna för att utvärdera prototyperna i så kallade kopparfågeltest, där alla planets elsystem utvärderas på marken. Så småningom kunde de testas i faktiska flygningar också.
Simon Simard
Bara början
Tills batterierna faktiskt skapas och utvärderas återstår det att se hur väl detta tillvägagångssätt verkligen kommer att fungera. Och även i bästa fall är fältet fortfarande förmodligen årtionden ifrån att elektrifiera mer än en bråkdel av den totala flygmilen.
Richard Anderson, en rymdingenjör och chef för Embry-Riddle Aeronautical Universitys Eagle Flight Research Center, påpekar att batterier är minst 20 gånger tyngre än bränsle för en given mängd energi. Han är skeptisk till att företag som bedriver hybridpendling, som Zunum, kan hitta tillräckligt många sätt att kompensera för den ökade vikten under de närmaste åren. Han tror också att fältet överskattar hur snabbt hybridplan kommer att kunna nå längre avstånd – samtidigt som de underskattar de regulatoriska utmaningarna de kommer att möta.
MIT- och Carnegie-forskarna själva är snabba med att säga att andra stora batteriförbättringar fortfarande kommer att krävas för att utöka utbudet av elektriska plan, vilket kan kräva en övergång till helt andra kemier. Utöver det kommer flygplan förmodligen att behöva göras om i grunden för att minska energibehovet, eventuellt genom att omfördela motorer eller ändra formen på kroppen för att minska luftmotståndet, säger Viswanathan.
Men han och Chiang arbetar för att utveckla en teknisk förmåga som skulle krävas oavsett andra framsteg. Även om andra batteriingenjörer hittar sätt att få elektriska flygplan att flyga tusen miles, kommer de fortfarande att behöva tillräckligt med kraft för att komma från marken.
Den här artikeln har uppdaterats för att förtydliga forskarnas roller.