När elbilar och lastbilar dyker upp alltmer på amerikanska motorvägar, det väcker frågan:När kommer kommersiellt gångbara elfordon att ta sig till skyarna? Det finns ett antal ambitiösa ansträngningar för att bygga eldrivna flygplan, inklusive regionala jetplan och flygplan som kan täcka längre sträckor. Elektrifieringen börjar möjliggöra en typ av flygresor som många har hoppats på, men har inte sett än – en flygande bil.

En viktig utmaning i att bygga elektriska flygplan handlar om hur mycket energi som kan lagras i en given viktmängd av energikällan ombord. Även om de bästa batterierna lagrar cirka 40 gånger mindre energi per viktenhet än flygbränsle, en större del av deras energi är tillgänglig för att driva rörelse. I sista hand, för en given vikt, flygbränsle innehåller cirka 14 gånger mer användbar energi än ett toppmodernt litiumjonbatteri.

Det gör batterier relativt tunga för flyg. Flygbolagen är redan oroliga för vikten – de lägger ut avgifter på bagage delvis för att begränsa hur mycket flygplan måste bära. Vägfordon kan hantera tyngre batterier, men det finns liknande farhågor. Vår forskargrupp har analyserat vikt-energi-avvägningen i elektriska pickup-truckar och traktor-släp eller semi-trucks.

Från elektriska lastbilar till flygande fordon

Vi baserade vår forskning på en mycket exakt beskrivning av energin som krävs för att flytta fordonet tillsammans med detaljer om de underliggande kemiska processerna som är involverade i Li-ion-batterier. Vi fann att en elektrisk semi-lastbil som liknar dagens dieseldrivna kan konstrueras för att resa upp till 500 miles på en enda laddning samtidigt som den kan bära lasten av cirka 93 procent av alla fraktresor.

Batterier kommer att behöva bli billigare innan det är ekonomiskt vettigt att påbörja processen att konvertera den amerikanska lastbilsflottan till elkraft. Det verkar troligtvis ske i början av 2020-talet.

Flygande fordon är lite längre bort, eftersom de har olika kraftbehov, speciellt under start och landning.

Vad är en e-VTOL?

Till skillnad från passagerarplan, små batteridrivna drönare som bär personliga paket över korta avstånd, när du flyger under 400 fot, kommer redan i bruk. Men att bära människor och bagage kräver 10 gånger så mycket energi – eller mer.

Vi tittade på hur mycket energi ett litet batteridrivet flygplan som kan starta och landa vertikalt skulle behöva. Dessa är vanligtvis utformade för att starta rakt upp som helikoptrar, växla till ett mer effektivt flygplansläge genom att rotera deras propellrar eller hela vingar under flygning, gå sedan tillbaka till helikopterläge för landning. De kan vara ett effektivt och ekonomiskt sätt att navigera i livliga stadsområden, undvika igensatta vägar.

Energikrav för e-VTOL-flygplan

Vår forskargrupp har byggt en datormodell som beräknar den effekt som behövs för en enpassagerad e-VTOL i linje med konstruktioner som redan är under utveckling. Ett sådant exempel är en e-VTOL som väger 1, 000 kg, inklusive passageraren.

Den längsta delen av resan, cruising i flygplansläge, behöver minst energi per mil. Vårt prov e-VTOL skulle behöva cirka 400 till 500 wattimmar per mil, ungefär samma mängd energi som en elektrisk pickup skulle behöva – och ungefär dubbelt så mycket energiförbrukning som en elektrisk passagerarsedan.

Dock, start och landning kräver mycket mer kraft. Oavsett hur långt en e-VTOL reser, vår analys förutspår start och landning kombinerat kommer att kräva mellan 8, 000 och 10, 000 wattimmar per resa. Detta är ungefär hälften av energin som finns i de flesta kompakta elbilar, som en Nissan Leaf.

För en hel flygning, med de bästa batterierna som finns idag, vi beräknade att en e-VTOL för en passagerare som är utformad för att bära en person 20 miles eller mindre skulle kräva cirka 800 till 900 wattimmar per mil. Det är ungefär hälften så mycket energi som en semi-lastbil, vilket inte är särskilt effektivt:Om du behövde göra ett snabbt besök för att handla i en närliggande stad, du skulle inte hoppa in i hytten på en fullastad traktorsläp för att komma dit.

När batterierna förbättras under de närmaste åren, de kanske kan packa in cirka 50 procent mer energi för samma batterivikt. Det skulle bidra till att göra e-VTOLS mer lönsamt för korta och medellånga resor. Men, det finns några fler saker som behövs innan folk verkligen kan börja använda e-VTOLS regelbundet.

Det är inte bara energi

För markfordon, Det räcker med att bestämma det användbara reseområdet – men inte för flygplan och helikoptrar. Flygplanskonstruktörer måste också noga undersöka kraften – eller hur snabbt den lagrade energin är tillgänglig. Detta är viktigt eftersom att rampa upp för att lyfta i ett jetplan eller trycka ner mot gravitationen i en helikopter kräver mycket mer kraft än att vrida på hjulen på en bil eller lastbil.

Därför, e-VTOL-batterier måste kunna laddas ur med hastigheter som är ungefär 10 gånger snabbare än batterierna i elektriska vägfordon. När batterierna laddas ur snabbare, de blir mycket varmare. Precis som din bärbara fläkt snurrar upp till full hastighet när du försöker streama ett TV-program medan du spelar ett spel och laddar ner en stor fil, ett fordonsbatteri behöver kylas ner ännu snabbare närhelst det uppmanas att producera mer kraft.

Vägfordons batterier värms inte alls lika mycket under körning, så att de kan kylas av luften som passerar eller med enkla kylmedel. En e-VTOL-taxi, dock, skulle generera en enorm mängd värme vid start som skulle ta lång tid att svalna – och på korta resor kanske inte ens svalna helt innan den värmdes upp igen vid landning. I förhållande till batteripaketets storlek, för samma tillryggalagda sträcka, mängden värme som genereras av ett e-VTOL-batteri under start och landning är mycket mer än elbilar och semi-lastbilar.

Den extra värmen kommer att förkorta e-VTOL-batteriernas livslängd, och eventuellt göra dem mer mottagliga för att fatta eld. För att bevara både tillförlitlighet och säkerhet, elektriska flygplan kommer att behöva specialiserade kylsystem – vilket skulle kräva mer energi och vikt.

Detta är en avgörande skillnad mellan elektriska vägfordon och elektriska flygplan:designers av lastbilar och bilar har inte något behov av att radikalt förbättra vare sig sin effekt eller sina kylsystem, eftersom det skulle öka kostnaden utan att hjälpa prestanda. Endast specialiserad forskning kommer att finna dessa viktiga framsteg för elektriska flygplan.

Vårt nästa forskningsämne kommer att fortsätta att utforska sätt att förbättra e-VTOL-batteri- och kylsystemkraven för att ge tillräckligt med energi för användbar räckvidd och tillräckligt med kraft för start och landning – allt utan överhettning.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.