電気自動車やトラックが米国の高速道路でますます登場するにつれて、商業的に実行可能な電気自動車がいつ空に向かうのかという疑問が生じます。 より長い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、電動飛行機を構築するための野心的な取り組みが数多くあります。 電動化は、多くの人が期待しているがまだ見たことがないタイプの空の旅を可能にし始めています。それは空飛ぶ車です。
電気航空機を構築する際の重要な課題には、搭載されたエネルギー源の所定の重量でどれだけのエネルギーを保存できるかが含まれます。 最高のバッテリーは、ジェット燃料よりも単位重量あたり約40倍少ないエネルギーを保存しますが、運動を駆動するために使用できるエネルギーの割合は大きくなります。 最終的に、ジェット燃料には、所定の重量に対して、最先端のリチウムイオン電池の約14倍の使用可能なエネルギーが含まれます。
そのため、航空用のバッテリーは比較的重くなります。 航空会社はすでに重量を心配しています。飛行機に乗せる量を制限するために荷物に手数料を課しています。 道路車両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。
NASAの実験的な電気飛行機設計のこのアーティストのコンセプトは、翼に沿って14個のモーターを示しています。 （NASA） 電気トラックから飛行車両まで
私たちの研究は、Liイオン電池に含まれる基礎となる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記述に基づいています。 今日のディーゼル車に似た電気セミトラックは、すべての貨物旅行の約93％の貨物を運ぶことができる一方で、1回の充電で最大500マイル走行できるように設計できることがわかりました。
バッテリーは、米国のトラック輸送隊を電力に変換するプロセスを開始するのに経済的に意味をもつ前に、安くなる必要があります。 それは2020年代初期までに起こりそうです。
飛行車両は、特に離着陸時の電力ニーズが異なるため、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しながら個人用荷物を短距離で運ぶ小型のバッテリー駆動ドローンがすでに使用され始めています。 しかし、人と荷物を運ぶには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バッテリー駆動の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立ち上げ、飛行中にプロペラまたは翼全体を回転させてより効率的な飛行機モードに移行し、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。 混雑した都市部をナビゲートし、道路の詰まりを回避するための効率的かつ経済的な方法です。
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ラインに沿って、1人乗りe-VTOLに必要な電力を計算するコンピューターモデルを構築しました。 そのような例の1つは、乗客を含む1, 000キログラムの重量のe-VTOLです。
飛行機モードで巡航する旅行の最長部分は、1マイルあたりのエネルギー消費量が最小です。 サンプルのe-VTOLには、1マイルあたり約400〜500ワット時、電気ピックアップトラックが必要とするのとほぼ同じ量のエネルギーが必要です。また、電気旅客セダンの約2倍のエネルギー消費が必要です。
ただし、離陸と着陸にはさらに多くの電力が必要です。 e-VTOLの移動距離に関係なく、この分析では離陸と着陸の組み合わせには1走行あたり8, 000〜10, 000ワット時が必要であると予測しています。 これは、日産リーフのような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。
現在利用可能な最高のバッテリーを備えたフライト全体で、20マイル以下の人を運ぶように設計された1人乗りのe-VTOLは1マイルあたり約800から900ワット時を必要とすると計算しました。 これは、セミトラックのエネルギーの約半分の量であり、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ばやく訪問する必要がある場合は、満載のトラクタートレーラーのキャブに飛び乗ってそこに着く。
バッテリーは今後数年間で改善されるため、同じバッテリー重量で約50％のエネルギーを詰め込める可能性があります。 これは、短距離および中距離の旅行でe-VTOLSをより実行可能にするのに役立ちます。 しかし、人々が実際にe-VTOLSを定期的に使用し始めるには、さらにいくつかのことが必要です。
「比エネルギー」スライダーを左右にスライドさせて、バッテリーを改善することで車両のエネルギー需要をどのように変えることができるかを確認します。 ベンカット・ビスワナタンエネルギーだけじゃない
地上車両の場合、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。 また、航空機の設計者は、電力、つまり蓄積されたエネルギーがどれだけ早く利用可能かを綿密に調べる必要があります。 ジェット機で離陸するために立ち上がったり、ヘリコプターで重力に逆らって押したりすることは、車やトラックの車輪を回すよりもはるかに多くの電力を必要とするため、これは重要です。
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倍の速度で放電できなければなりません。 バッテリーの放電が速くなると、バッテリーは非常に熱くなります。 ゲームをプレイして大きなファイルをダウンロードしているときにテレビ番組をストリーミングしようとすると、ラップトップのファンが最高速度に回転するように、より多くの電力を生成するよう求められた場合は、車両のバッテリーパックをさらに速く冷却する必要があります。
路上走行車のバッテリーは、走行中はほとんど加熱されないため、通過する空気によって、または単純なクーラントで冷却できます。 ただし、e-VTOLタクシーは離陸時に大量の熱を発生し、冷却に長い時間がかかります。また、短い旅行では、着陸時に再び熱くなる前に完全に冷却されない場合があります。 バッテリーパックのサイズと比較すると、同じ走行距離で、離着陸時にe-VTOLバッテリーによって生成される熱量は、電気自動車やセミトラックよりもはるかに多くなります。
その余分な熱は、e-VTOLバッテリーの耐用年数を短くし、場合によっては発火しやすくなります。 信頼性と安全性の両方を維持するには、電気航空機には専用の冷却システムが必要になります。これには、より多くのエネルギーと重量が必要になります。
これは、電気自動車と電気航空機の重要な違いです。トラックや車の設計者は、出力や冷却システムを根本的に改善する必要はありません。 電気航空機のこれらの重要な進歩を見つけるのは、専門的な研究だけです。
次の研究トピックでは、e-VTOL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引き続き検討します。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
カーネギーメロン大学機械工学助教授Venkat Viswanathan
Shashank Sripad、博士 カーネギーメロン大学の機械工学の候補者
William Leif Fredericks、カーネギーメロン大学機械工学研究助手
