Elbilar, tåg, spårvagnar och båtar finns redan. Det leder logiskt till frågan:varför ser vi inte stora elektriska flygplan? Och kommer vi att se dem snart?

Varför har vi elbilar och tåg, men få elplan? Huvudorsaken är att det är mycket enklare att radikalt modifiera en bil eller ett tåg, även om de ser mycket ut som traditionella fossila fordon på utsidan.

Landfordon klarar enkelt den extra massan från ellagring eller elektriska framdrivningssystem, men flygplan är mycket känsligare.

Till exempel, att öka bilens massa med 35% leder till en ökning av energianvändningen med 13-20%. Men för ett plan, energianvändning är direkt proportionell mot massa:att öka dess massa med 35% betyder att den behöver 35% mer energi (allt annat lika).

Men det är bara en del av historien. Flygplan reser också mycket längre än markfordon, vilket innebär att en flygning kräver mycket mer energi än en genomsnittlig bilresa. Flygplan måste lagra ombord all energi som behövs för att flytta sin massa för varje flygning (till skillnad från ett tåg som är anslutet till ett elnät). Att använda en tung energikälla betyder alltså att mer energi behövs för ett flyg, vilket leder till extra massa, och så vidare.

För ett flygplan, massa är avgörande, vilket är anledningen till att flygbolagen snabbt väger bagage. Elplan behöver batterier med tillräckligt med energi per kilo batteri, eller massstraffet betyder att de helt enkelt inte kan flyga långa sträckor.

Kortdistansplan

Trots detta, elektriska flygplan är i horisonten - men du kommer inte att se elektriska 747:er snart.

Dagens bästa tillgängliga litiumjonbatterier ger cirka 200 wattimmar (Wh) per kilogram, cirka 60 gånger mindre än nuvarande flygbränsle. Denna typ av batteri kan driva små elektriska lufttaxier med upp till fyra passagerare över ett avstånd på cirka 100 km. För längre resor, mer energitäta celler behövs.

Kortdistansflygplan som transporterar upp till 30 personer under 800 km, till exempel, specifikt kräver mellan 750 och 2, 000Wh/kg, vilket är cirka 6-17% av fotogenbaserat jetbränsle energiinnehåll. Även större flygplan kräver allt lättare batterier. Till exempel, ett plan med 140 passagerare för 1, 500 km förbrukar cirka 30 kg fotogen per passagerare. Med nuvarande batteriteknik, nästan 1, 000 kg batterier behövs per passagerare.

För att göra regionala pendlarflygplan helt elektriska krävs en fyr- till tiofaldig minskning av batteriets vikt. Den långsiktiga historiska förbättringstakten i batterienergi har varit cirka 3-4% per år, fördubblas ungefär vartannat decennium. Baserat på en fortsättning av denna historiska trend, den fyrdubblade förbättring som behövs för ett helt elpendelflygplan kan eventuellt nås runt mitten av seklet.

Även om detta kan tyckas vara en otroligt lång väntan, detta överensstämmer med tidsperioden för förändringar inom luftfartsindustrin för både infrastrukturen och livscykler för flygplanskonstruktion. Ett nytt flygplan tar cirka 5-10 år att designa, och kommer sedan att förbli i tjänst i två till tre decennier. Vissa flygplan flyger fortfarande 50 år efter deras första flygning.

Här kommer hybriderna

Innebär detta att långdistansflygning alltid kommer att förlita sig på fossila bränslen? Inte nödvändigtvis.

Medan helt elektriska stora flygplan kräver en stor, förändring av energilagring som ännu inte har uppfunnits, det finns andra sätt att minska miljöpåverkan från att flyga.

Hybridelektriska flygplan kombinerar bränslen med elektrisk framdrivning. Denna klass av flygplan inkluderar design utan batterier, där det elektriska framdrivningssystemet tjänar till att förbättra dragkraftseffektiviteten, minska mängden bränsle som behövs.

Hybridelektriska flygplan med batterier är också under utveckling, där batterierna kan ge extra kraft under specifika omständigheter. Batterier kan då, till exempel, tillhandahålla ren start och landning för att minska utsläppen nära flygplatser.

Elplan är inte heller det enda sättet att minska flygets direkta koldioxidavtryck. Alternativa bränslen, såsom biobränslen och väte, utreds också.

Biobränslen, som är bränslen som härrör från växter eller alger, användes först på ett kommersiellt flyg 2008 och flera flygbolag har utfört försök med dem. Även om det inte är allmänt antaget, betydande forskning undersöker för närvarande hållbara biobränslen som inte påverkar sötvattenkällor eller livsmedelsproduktion.

Även om biobränslen fortfarande producerar koldioxid, de kräver inga väsentliga förändringar av befintliga flygplan eller flygplatsinfrastruktur. Väte, å andra sidan, kräver en fullständig omdesign av flygplatsens drivningsinfrastruktur och har också en betydande inverkan på själva flygplanets design.

Även om väte är mycket lätt - väte innehåller tre gånger mer energi per kilo än fotogen - är densiteten mycket låg, även när den förvaras som en vätska vid -250 ℃. Detta innebär att bränsle inte längre kan lagras i vingen utan måste flyttas till relativt tunga och skrymmande tankar inne i flygkroppen. Trots dessa nackdelar, vätedrivna långdistansflyg kan förbruka upp till 12% mindre energi än fotogen.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.