211service.com
Potężna nowa bateria może dać nam samoloty elektryczne, które nie zanieczyszczają środowiska
Sztuczka produkcyjna z polami magnetycznymi pozwala uzyskać baterię, która może rozładować się wystarczająco szybko, aby oderwać samolot od ziemi. 30 października 2018 r.
Szymon Simard
Na dwóch ścianach biura Yet-Ming Chiang w MIT znajdują się jaskrawo kolorowe modele molekularne. Chiang, profesor materiałoznawstwa i seryjny przedsiębiorca baterii, spędził większość swojej kariery na badaniu, w jaki sposób nieco inne układy tych patyków i kulek sumują się do radykalnie odmiennych wyników w przechowywaniu energii.
Ale on i jego kolega, Venkat Viswanathan , przyjmują inne podejście, aby osiągnąć swój kolejny cel, zmieniając nie skład baterii, ale ustawienie zawartych w nich związków. Naukowcy są przekonani, że poprzez zastosowanie sił magnetycznych w celu wyprostowania krętej ścieżki, jaką jony litu poruszają się przez elektrody, mogą znacznie zwiększyć szybkość, z jaką urządzenie rozładowuje energię elektryczną.
Ten zastrzyk mocy może otworzyć zastosowanie, które od dawna wymykało się z baterii: spełnienie ogromnych wymagań samolotu pasażerskiego podczas startu. Jeśli będzie działać zgodnie z oczekiwaniami, umożliwiłby regionalne loty podmiejskie, które nie spalają paliwa ani nie powodują bezpośrednich emisji do klimatu.
Viswanathan, adiunkt inżynierii mechanicznej w Carnegie Mellon, zainicjował i kieruje projektem badawczym. On i Chiang współpracują teraz z 24M, producentem akumulatorów litowo-jonowych, którego Chiang był współzałożycielem w 2010 roku, oraz Zunum Aero, start-upem lotniczym z siedzibą w Bothell w stanie Waszyngton, w celu opracowania i przetestowania prototypowych akumulatorów zaprojektowanych specjalnie na potrzeby zaawansowanego samolotu hybrydowego.
Venkat Viswanathan, adiunkt inżynierii mechanicznej w Carnegie Mellon. Dzięki uprzejmości Uniwersytetu Carnegie Mellon
Wysokie stawki
Eliminacja emisji gazów cieplarnianych z samolotów to jedno z najtrudniejszych wyzwań w zagadce klimatycznej. Podróże lotnicze odpowiadają za około 2% globalnej emisji dwutlenku węgla i są jednym z najszybciej rozwijających się źródeł zanieczyszczenia gazami cieplarnianymi.
Ale obecnie nie ma czystej alternatywy dla więcej niż maleńki skrawek podróży lotniczej, ponieważ baterie zasilające samochody elektryczne są nadal zbyt drogie, ciężkie i poza tym słabo przystosowane do lotnictwa.
Kilkanaście firm, w tym Uber, Airbus i Boeing, już bada możliwości zelektryfikowania małych samolotów, tworząc odpowiednik latających taksówek, które mogą przejechać około 100 mil (161 kilometrów) za opłatą. Istnieje nadzieja, że te jedno- lub dwuosobowe pojazdy – w większości przypadków wyobrażane jako autonomiczne samoloty pionowego startu i lądowania – mogą skrócić dojazdy, zmniejszyć zatory i zmniejszyć emisje z pojazdów. Ale w dużej mierze zastąpiłyby one podróże samochodem dla bogatych, a nie zastąpiłyby podróże lotnicze.
Viswanathan a Chiang mierzą wyżej. Pierwotny plan zakłada opracowanie akumulatora, który mógłby zasilać 12-osobowy samolot o zasięgu 400 mil (644 km) — wystarczającym na podróżowanie, powiedzmy, z San Francisco do Los Angeles lub z Nowego Jorku do Waszyngtonu. W drugiej fazie mają nadzieję, że samolot elektryczny będzie w stanie przewieźć 50 osób na taką samą odległość.
Takie samoloty nadal byłyby wyposażone w silnik spalinowy i przewoziłyby paliwo. Ale paliwo byłoby w dużej mierze na pokładzie, aby spełnić wymagania dotyczące rezerwy bezpieczeństwa Federalnej Administracji Lotnictwa USA, które instruują samoloty, aby przewoziły wystarczająco dużo, aby wylądować na lotnisku 200 mil (322 km) od zamierzonego miejsca przeznaczenia. W normalnym locie samoloty nie powinny brać tego paliwa.
Szymon Simard
Samolotowy
Atrakcyjność projektu dla startupu, takiego jak Zunum, jest oczywista: im lepiej akumulatory zaspokajają potrzeby samolotów, tym większy rynek mogą potencjalnie dotyczyć samoloty hybrydowe lub elektryczne.
W zeszłym roku firma ogłoszony planuje dostarczyć linię samolotów hybrydowo-elektrycznych z miejscem dla 12 pasażerów w 2022 roku.
W momencie startu firma zamierza zaoferować samolot hybrydowy z turbiną gazową i dwoma zestawami akumulatorów, zdolny do przebycia około 700 mil (1127 km), a także w pełni elektryczną wersję z trzema zestawami akumulatorów i zasięgiem poniżej 200 mil. . (W przeciwieństwie do samolotów Viswanathan i Chiang, model hybrydowy będzie w dużym stopniu korzystał z paliwa pokładowego.) Jednak co najważniejsze, sam samolot ma mieć otwartą architekturę, która pozwoli właścicielom na wymianę tych modułów z czasem, umożliwiając zmodernizować je do lepszych akumulatorów opracowanych w przyszłości lub przejść z napędu hybrydowego na całkowicie elektryczny.
Zunum zabezpieczył kapitał od Boeinga, JetBlue i Funduszu Czystej Energii stanu Waszyngton. JetSuite, firma zajmująca się lotami czarterowymi z Dallas, zgodziła się na zakup do 100 samolotów. Inne start-upy, w tym Eviation Aircraft i Wright Electric, również pracują nad opracowaniem małych samolotów elektrycznych do lotów podmiejskich.
Ten klip pokazuje, co się dzieje, gdy siły magnetyczne są przykładane do mikroprętów magnetycznych zmieszanych z materiałami elektrod. Dzięki uprzejmości badacza MIT Jonathana Sandera
Samoloty są rzadko wykorzystywane do podróży regionalnych, stanowiąc mniej niż 1% podróży poniżej 500 mil, według Amerykańskie Biuro Statystyk Transportowych . Linie lotnicze unikają krótszych lotów głównie dlatego, że większość paliwa jest spalana podczas startu, co oznacza, że dłuższe trasy są znacznie bardziej ekonomiczne. A biorąc pod uwagę wysokie koszty i kłopoty związane z lataniem, konsumenci w większości wybierają samochody, pociągi lub autobusy w tym zakresie podróży.
Dyrektor generalny Zunum, Ashish Kumar, wcześniej dyrektor Microsoft i Google, uważa, że samoloty hybrydowe mogą zmienić te nawyki – w dużej mierze dzięki obniżeniu kosztów paliwa i, co za tym idzie, opłat. W większości części świata można by podwoić liczbę mil na trasie, kiedy ludzie zjeżdżają z autostrady i wsiadają do szybszych samolotów, mówi.
Szymon Simard
W miarę ulepszania akumulatorów samoloty hybrydowe i elektryczne mogą również znacznie zwiększyć udział w transporcie lotniczym. Kumar spodziewa się, że do 2035 r. samoloty hybrydowe będą w stanie osiągnąć odległości nawet 1500 mil (2414 km), co oznacza, że podróż samolotem 82% wycieczek, według BTS.
Chciwy akumulator
Podczas spotkania w biurze Chianga na początku września Viswanathan podkreślił wyzwania związane z elektryzowaniem lotnictwa, wyświetlając wykres przedstawiający profil rozładowania zestawu akumulatorów na torze lotu. To alpejska ściana w pierwszych minutach lotu. Następnie spada dramatycznie do długiego, płaskiego płaskowyżu, gdy samolot osiąga wysokość przelotową.
Innymi słowy, akumulator musi być w stanie dostarczyć ogromną ilość mocy podczas startu i spakować wystarczającą gęstość energii, aby przelecieć co najmniej setki mil. Ale aby działać w ramach fizyki i ekonomii samolotu, musi być również jak najdłuższy i najlżejszy, a także zdolny do szybkiego ładowania – a przynajmniej, jak planuje Zunum, można go łatwo wymienić na w pełni naładowany akumulator między lotami.
Viswanathan zauważa, że standardowa bateria w stylu Tesli może sprawdzić dwa pierwsze pudełka. Ale start byłby jak jazda Modelem S w absurdalnym trybie przez cztery minuty zamiast kilku sekund, generująca ogromną ilość ciepła.
Smażyłbyś baterię, mówi.
To radykalnie skróciłoby żywotność bardzo drogich akumulatorów.
Ten klip pokazuje, co się dzieje, gdy siły magnetyczne są przykładane do kropelek magnetycznych zmieszanych z materiałami elektrod. Dzięki uprzejmości badacza MIT Jonathana Sandera
Rozładowanie akumulatorów litowo-jonowych z szybkością wystarczającą dla samolotów wymaga ułatwienia przepływu jonów i elektronów przez akumulator, zwłaszcza przez elektrody. Jedną z opcji jest sprawienie, by materiały elektrod były bardziej porowate lub cieńsze, ale każda z tych zmian wiązałaby się z wysokim kosztem gęstości energii.
Zamiast tego naukowcy badają sposoby prostowania skręcających się ścieżek przez ciasno upakowany węgiel, związki kobaltu i inne materiały w elektrodach.
Jak w wielu magicznych iluzjach, sztuczka polega na magnesach.
W 2016 roku papier w Energia natury , Chiang, badacz z MIT, Jonathan Sander, wraz z kolegami wykazali, że mieszanie nanocząstek magnetycznych z materiałami elektrod i zastosowanie lekkiego pola magnetycznego pomogło w stworzeniu wyrównanych ścieżek przez elektrody.
Kolejne testy wykazały, że pojemność rozładowania tych elektrod lub szybkość, z jaką elektrony mogą wychodzić z akumulatora, była ponad dwukrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych — bez poświęcania gęstości energii.
To otwiera zupełnie nowy kierunek w tym, co możemy uzyskać z akumulatorów dla lotnictwa elektrycznego, powiedział Chiang.
Naukowcy pracują obecnie z 24M w Cambridge w stanie Massachusetts, gdzie Chiang jest również głównym naukowcem, nad opracowaniem i przetestowaniem prototypowych baterii przy użyciu tego magnetycznego podejścia. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, Zunum będzie współpracować z naukowcami w celu oceny prototypów w ramach tak zwanych testów ptaków miedzianych, w których wszystkie systemy elektryczne samolotu są oceniane na ziemi. W końcu można je przetestować również w rzeczywistych lotach.
Szymon Simard
Tylko początek
Dopóki baterie nie zostaną faktycznie stworzone i ocenione, okaże się, jak dobrze to podejście będzie naprawdę działać. A nawet w najlepszym przypadku, pole to jest jeszcze prawdopodobnie dziesiątki lat od elektryzowania więcej niż ułamka całkowitych mil powietrznych.
Richard Anderson, inżynier lotnictwa i dyrektor Centrum Badań Lotów Eagle na Uniwersytecie Lotniczym Embry-Riddle, wskazuje, że akumulatory są co najmniej 20 razy cięższe od paliwa przy określonej ilości energii. Jest sceptyczny, czy firmy realizujące hybrydowe loty podmiejskie, takie jak Zunum, mogą znaleźć wystarczająco dużo sposobów, aby zrównoważyć ten dodatkowy ciężar w ciągu najbliższych kilku lat. Uważa również, że dziedzina przecenia szybkość, z jaką samoloty hybrydowe będą w stanie dotrzeć na większe odległości – jednocześnie nie doceniając wyzwań regulacyjnych, z jakimi się zmierzą.
Sami badacze z MIT i Carnegie szybko twierdzą, że nadal będą potrzebne inne duże ulepszenia akumulatorów, aby rozszerzyć zasięg samolotów elektrycznych, co może wymagać przejścia na zupełnie inne chemie. Co więcej, samoloty prawdopodobnie będą musiały zostać gruntownie przeprojektowane, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię, potencjalnie poprzez redystrybucję silników lub zmianę kształtu ciała w celu zmniejszenia oporu, mówi Viswanathan.
Ale on i Chiang pracują nad rozwinięciem możliwości technicznych, które byłyby wymagane niezależnie od jakichkolwiek innych postępów. Nawet jeśli inni inżynierowie zajmujący się akumulatorami znajdą sposoby na to, by samoloty elektryczne latały tysiąc mil, nadal będą potrzebować wystarczającej mocy, aby oderwać się od ziemi.
Ten artykuł został zaktualizowany w celu wyjaśnienia ról badaczy.