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電気自動車やトラックが米国の高速道路でますます出現するにつれて、それは問題を提起します：商業的に実行可能な電気自動車はいつ空に行きますか？長距離をカバーできるリージョナルジェットや飛行機など、電動飛行機を製造するための野心的な取り組みが数多くあります。電化は、多くの人が望んでいたタイプの空の旅を可能にし始めていますが、まだ見たことがない - 飛んでいる車。
電気航空機を製造する際の重要な課題は、搭載されたエネルギー源の所与の量の重量にどれだけのエネルギーを蓄えることができるかということを含む。最良のバッテリーはジェット燃料よりも単位重量あたりのエネルギーの約40倍少ないエネルギーを貯蔵するけれども、それらのエネルギーのより大きな割合は運動を推進するために利用可能である。最終的に、与えられた重量に対して、ジェット燃料は最先端のリチウムイオン電池よりも約14倍多くの使用可能なエネルギーを含みます。
2025年までに飛行するように設定された電気、水素、ゼロエミッションを達成
それは電池を航空用に比較的重くする。航空会社はすでに重量を心配しています - 飛行機の運搬量を制限するために、荷物に手数料を課すこともあります。路上走行車はより重いバッテリーを扱うことができますが、同様の懸念があります。私たちの研究グループは、電気ピックアップトラックとトラクタートレーラーまたはセミトラックの重量とエネルギーのトレードオフを分析しました。
電気トラックから飛行車へ
私たちの研究は、Liイオン電池に含まれる基本的な化学プロセスの詳細とともに、車両を動かすのに必要なエネルギーの非常に正確な説明に基づいています。私たちは、今日のディーゼル車に似た電気半トラックが、1回の充電で最大500マイル走行できるように設計されていると同時に、全貨物輸送の約93パーセントの貨物を運ぶことができることを発見しました。
米国のトラック輸送から電力への転換プロセスを開始することが経済的に意味があるようになるには、バッテリーを安くする必要があります。それは2020年代初頭までに起こりそうです。
特に離着陸時には必要な電力が異なるため、飛行中の車両は少し離れています。
e-VTOLとは何ですか？
旅客機とは異なり、400フィート未満で飛行中に個人用荷物を短距離で運ぶ小型のバッテリー駆動の無人偵察機は、すでに使用され始めています。しかし、人や荷物を運ぶには10倍以上のエネルギーが必要です。
垂直離着陸が可能な小型の電池式航空機に必要なエネルギー量を調べました。これらは通常、ヘリコプターのようにまっすぐに打ち上げ、飛行中にプロペラや翼全体を回転させてより効率的な機体モードに移行し、その後着陸のためにヘリコプターモードに戻るように設計されています。渋滞した道路を避けながら、忙しい都市部を効率的かつ経済的に移動できます。
e-VTOL航空機のエネルギー要件
私たちの研究グループは、すでに開発中の設計に沿って、シングルパッセンジャーのe-VTOLに必要な電力を計算するコンピュータモデルを構築しました。そのような例の1つは、乗客を含めて1,000キログラムの重さのあるe-VTOLです。
飛行機モードで巡航する旅行の最も長い部分はマイルごとの最小エネルギーを必要とします。私たちのサンプルe-VTOLは1マイルあたり約400から500ワット時、電気のピックアップトラックが必要とするのと同じ量のエネルギーを必要とするでしょう - そして電気の乗客セダンのおよそ2倍のエネルギー消費量。
しかし、離着陸にはもっと力が必要です。 e-VTOLの移動距離に関係なく、Googleの分析では離陸と着陸を組み合わせた場合、1回の旅行で8,000〜10,000ワット時が必要になると予測しています。これは日産リーフのように、ほとんどの小型電気自動車で利用可能なエネルギーの約半分です。
今日利用可能な最高のバッテリーで、全飛行のために、我々は20マイル以下の人を運ぶように設計された一人乗りe-VTOLがマイルあたりおよそ800から900ワット時を必要とするであろうと計算した。これは、セミトラックの約半分のエネルギー量です。これはあまり効率的ではありません。近くの町で買い物をするためにすぐに訪れる必要がある場合は、フル装備のトラクタートレーラーの運転席に飛び乗ってはいけません。そこに着く
電池が今後数年間で改良されるにつれて、同じ電池重量に対して約50％多くのエネルギーを詰めることができるかもしれません。これは、e-VTOLSを短距離および中距離の旅行で実行可能にするのに役立ちます。しかし、人々が本当にe-VTOLSを定期的に使い始めることができるようになるには、まだいくつか必要なことがあります。
エネルギーだけではない
地上車の場合は、有効な移動範囲を決定するだけで十分ですが、飛行機やヘリコプターの場合はそうではありません。航空機の設計者はまた、電力、つまりどれだけ早く貯蔵されたエネルギーが利用可能かを精査する必要があります。これは重要です。ジェットで離陸するために立ち上がることやヘリコプターで重力に抗して押し下げることは、車やトラックの車輪を回すことよりもはるかに大きな力を要するからです。
したがって、e-VTOLバッテリーは電気自動車のバッテリーの約10倍の速さで放電できなければなりません。電池がより早く放電するとき、彼らはずっと熱くなります。あなたがゲームをして大きなファイルをダウンロードしている間にテレビ番組をストリーミングしようとするときあなたのラップトップファンが全速力で回転するように、それがより多くの電力を生み出すように頼まれるときはいつでも自動車バッテリーパックはさらにもっと速く冷やす必要があります。
路上走行車のバッテリーは運転中にはほとんど加熱されないので、単純な冷却剤のそばを通るか、単純な冷却剤で冷却されます。しかしながら、e-VTOLタクシーは離陸時に大量の熱を発生させ、冷却するのに長い時間がかかります - そして短い旅行では着陸時に再び加熱する前に完全に冷やすことさえできないかもしれません。走行距離が同じ場合、バッテリパックのサイズに比べて、離着陸時にe-VTOLバッテリから発生する熱量は、電気自動車や半トラックよりもはるかに多くなります。
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その余分な熱はe-VTOLバッテリーの有効寿命を短くし、おそらくそれらを引火しやすくするでしょう。信頼性と安全性の両方を維持するために、電気航空機は特別な冷却システムを必要とするでしょう - それはより多くのエネルギーと重量を必要とするでしょう。
これは、電気自動車と電気航空機の大きな違いです。トラックや自動車の設計者は、出力や冷却システムを大幅に改善する必要はありません。専門の研究だけが電気航空機のためのこれらの重要な進歩を見つけるでしょう。
次の研究テーマでは、e-VTOLのバッテリーと冷却システムの要件を改善して、有効範囲に十分なエネルギーと離陸および着陸に十分な電力を提供する方法を、すべて過熱することなく検討していきます。
この記事はもともとVenkat Viswanathan、Shashank Sripad、およびWilliam Leif FredericksによってThe Conversationに掲載されました。ここで元の記事を読んでください。