Poiché le auto e i camion elettrici appaiono sempre più sulle autostrade statunitensi, solleva la domanda:quando i veicoli elettrici commercialmente sostenibili prenderanno il volo? Ci sono una serie di sforzi ambiziosi per costruire aeroplani a propulsione elettrica, compresi jet regionali e aerei che possono coprire distanze maggiori. L'elettrificazione sta iniziando a consentire un tipo di viaggio aereo in cui molti speravano, ma non ho ancora visto:un'auto volante.

Una sfida chiave nella costruzione di velivoli elettrici riguarda la quantità di energia che può essere immagazzinata in una data quantità di peso della fonte di energia di bordo. Sebbene le migliori batterie immagazzinano circa 40 volte meno energia per unità di peso rispetto al carburante per aerei, una quota maggiore della loro energia è disponibile per guidare il movimento. In definitiva, per un dato peso, Il carburante per aerei contiene circa 14 volte più energia utilizzabile di 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, imponendo 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 rapporto peso-energia nei pickup elettrici e nei trattori-rimorchi o nei semirimorchi.

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 semirimorchio elettrico simile a quelli odierni con motore diesel potrebbe essere progettato per percorrere 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 diventare più economiche prima che abbia senso dal punto di vista economico iniziare il processo di conversione della flotta di autotrasporti degli Stati Uniti all'energia elettrica. Questo sembra probabile che accadrà entro i primi anni del 2020.

I veicoli volanti sono un po' più lontani, perché hanno esigenze di alimentazione diverse, soprattutto durante il decollo e l'atterraggio.

Che cos'è un e-VTOL?

A differenza degli aerei passeggeri, piccoli droni alimentati a batteria che trasportano pacchi personali su brevi distanze, mentre vola sotto i 400 piedi, stanno già entrando in uso. Ma trasportare persone e bagagli richiede 10 volte più energia, o anche di più.

Abbiamo esaminato quanta energia avrebbe bisogno un piccolo aereo alimentato a batteria in grado di decollare e atterrare in verticale. Questi sono in genere progettati per essere lanciati verso l'alto come gli elicotteri, passare a una modalità aereo più efficiente ruotando le loro eliche o intere ali durante il volo, quindi torna alla modalità elicottero per l'atterraggio. Potrebbero essere un modo efficiente ed economico per navigare nelle aree urbane trafficate, evitando strade intasate.

Requisiti energetici degli aeromobili e-VTOL

Il nostro gruppo di ricerca ha costruito un modello al computer che calcola la potenza necessaria per un e-VTOL a passeggero singolo lungo le linee dei progetti che sono già in fase di sviluppo. Un esempio è un e-VTOL che pesa 1, 000 chilogrammi, compreso il passeggero.

La parte più lunga del viaggio, crociera in modalità aereo, ha bisogno della minima energia per miglio. Il nostro e-VTOL di esempio avrebbe bisogno di circa 400-500 wattora per miglio, circa la stessa quantità di energia di cui avrebbe bisogno un pick-up elettrico e circa il doppio del consumo di energia di una berlina elettrica per passeggeri.

Però, 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 oggi disponibili, 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 semirimorchio, che non è molto efficiente:se avessi bisogno di fare una rapida visita per fare acquisti in una città vicina, non salteresti nella cabina di un autoarticolato a pieno carico per arrivarci.

Man mano che le batterie migliorano nei prossimi anni, potrebbero essere in grado di accumulare circa il 50 percento di energia in più a parità di peso della batteria. Ciò contribuirebbe a rendere l'e-VTOLS più praticabile per i viaggi a corto e medio raggio. Ma, ci sono ancora alcune cose necessarie prima che le persone possano davvero iniziare a utilizzare regolarmente e-VTOLS.

Non è solo energia

Per i veicoli terrestri, è sufficiente determinare l'autonomia utile di viaggio, ma non per aerei ed elicotteri. I progettisti di aeromobili devono anche esaminare da vicino la potenza o la velocità con cui l'energia immagazzinata è disponibile. Questo è importante perché salire per decollare in un jet o spingere verso il basso contro la gravità in un elicottero richiede molta più potenza rispetto a girare le ruote di un'auto o di un camion.

Perciò, 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, fanno molto più caldo. Proprio come la ventola del tuo laptop gira alla massima velocità quando provi a trasmettere in streaming un programma TV mentre giochi e scarichi un file di grandi dimensioni, un pacco batteria del veicolo deve essere raffreddato ancora più velocemente ogni volta che viene richiesto di produrre più energia.

Le batterie dei veicoli stradali non si riscaldano così tanto durante la guida, quindi possono essere raffreddati dal passaggio dell'aria o con semplici refrigeranti. Un taxi e-VTOL, però, genererebbe un'enorme quantità di calore al decollo che impiegherebbe molto tempo per raffreddarsi e nei viaggi brevi potrebbe anche non raffreddarsi completamente prima di riscaldarsi di nuovo all'atterraggio. In relazione alla dimensione 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 di gran lunga superiore a quella delle auto elettriche e dei semirimorchi.

Quel calore in più accorcerà la vita utile delle batterie e-VTOL, e possibilmente renderli più suscettibili di prendere fuoco. Per preservare sia l'affidabilità che la sicurezza, gli aerei elettrici avranno bisogno di sistemi di raffreddamento specializzati, che richiederebbero più energia e peso.

Questa è una differenza cruciale tra veicoli stradali elettrici e aerei elettrici:i progettisti di camion e automobili non hanno bisogno di migliorare radicalmente né la loro potenza né i loro sistemi di raffreddamento, perché ciò aumenterebbe i costi senza aiutare le prestazioni. Solo la ricerca specializzata troverà questi progressi vitali per gli aerei elettrici.

Il nostro prossimo argomento di ricerca continuerà ad esplorare modi per migliorare la batteria e-VTOL e i requisiti del sistema di raffreddamento per fornire energia sufficiente per un'autonomia utile e potenza sufficiente per il decollo e l'atterraggio, il tutto senza surriscaldamento.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.