I 1960-talets animerade sitcom The Jetsons, George Jetson pendlar till jobbet i sin flygbil i familjestorlek, som mirakulöst förvandlas till en portfölj i slutet av resan.

En ny studie av miljömässiga hållbarhetseffekter av flygande bilar, formellt känt som elektriska vertikala start- och landningsflygplan, eller VTOL, upptäcker att de inte skulle vara lämpliga för en kort pendling i Jetsons-stil.

Dock, VTOL – som kombinerar bekvämligheten med vertikal start och landning som en helikopter med ett flygplans effektiva aerodynamiska flygning – skulle kunna spela en nischroll i hållbar rörlighet för längre resor, enligt studien, planerad att publiceras den 9 april Naturkommunikation . Flera företag runt om i världen utvecklar VTOL-prototyper.

Flygande bilar skulle vara särskilt värdefulla i överbelastade städer, eller på platser där det finns geografiska begränsningar, som en del av en samåkningstaxitjänst, enligt studieförfattare från University of Michigans Center for Sustainable Systems och från Ford Motor Co.

"Till mig, det var mycket förvånande att se att VTOL var konkurrenskraftiga med avseende på energianvändning och utsläpp av växthusgaser i vissa scenarier, sa Gregory Keoleian, senior författare till studien och föreståndare för Centrum för hållbara system vid U-M:s Skola för miljö och hållbarhet.

"VTOL med full beläggning skulle kunna överträffa markbaserade bilar för resor från San Francisco till San Jose eller från Detroit till Cleveland, till exempel, " han sa.

U-M-Ford-studien, den första heltäckande hållbarhetsbedömningen av VTOL, tittade på energianvändningen, växthusgasutsläpp och tidsbesparingar av VTOL jämfört med markbaserade personbilar. Även om VTOL ger noll utsläpp under flygning, deras batterier kräver el som genereras vid kraftverk.

Forskarna fann att för resor på 100 kilometer (62 miles), en fullastad VTOL med en pilot och tre passagerare hade lägre utsläpp av växthusgaser än markbaserade bilar med en genomsnittlig beläggning av fordon på 1,54. Utsläppen kopplade till VTOL var 52 procent lägre än bensinfordon och 6 procent lägre än batteridrivna fordon.

Akshat Kasliwal, första författare till studien och doktorand vid U-M Skolan för miljö och hållbarhet, sade att resultaten kan hjälpa till att vägleda en hållbar utbyggnad av ett framväxande mobilitetssystem innan det kommersialiseras.

"Med dessa VTOL, det finns en möjlighet att ömsesidigt anpassa hållbarhet och affärscase, " Sa Kasliwal. "Inte bara är hög passagerarbeläggning bättre för utsläpp, det gynnar också ekonomin med flygande bilar. Ytterligare, konsumenter skulle kunna uppmuntras att dela resor, med tanke på de betydande tidsbesparingarna från att flyga jämfört med att köra."

Under de kommande decennierna, den globala transportsektorn står inför utmaningen att möta den växande efterfrågan på bekväm passagerarrörlighet och samtidigt minska trängseln, förbättra säkerheten och mildra klimatförändringarna.

Elfordon och automatiserad körning kan bidra till några av dessa mål men begränsas av trängsel på befintliga vägar. VTOL:er skulle potentiellt kunna övervinna några av dessa begränsningar genom att möjliggöra piloterade taxitjänster eller andra stads- och regionala flygresor.

Flera flygbolag och nystartade företag — Airbus, Boeing, Joby Aviation och Lilium, till exempel — och byråer som NASA har utvecklat VTOL-prototyper. En kritisk effektivitetsfaktor för dessa flygplan är distribuerad elektrisk framdrivning, eller DEP, som innebär användning av flera små, elektriskt drivna framdrivare.

U-M och Fords forskare använde allmänt tillgänglig information från dessa källor och andra för att skapa en fysikbaserad modell som beräknar energianvändning och växthusgasutsläpp för elektriska VTOL.

"Vår modell representerar allmänna trender i VTOL-utrymmet och använder parametrar från flera studier och flygplansdesigner för att specificera vikt, lyft-till-drag-förhållande och batterispecifik energi, sa Noah Furbush, studiemedförfattare och masterstudent vid Ingenjörshögskolan U-M.

"Dessutom, vi genomförde känslighetsanalyser för att utforska gränserna för dessa parametrar, tillsammans med andra faktorer som nätets kolintensitet och vindhastighet, sa Furbush, som också är medlem i U-M fotbollslag.

Studien började medan Kasliwal och Furbush var sommarpraktikanter på Ford. Arbetet fortsatte när eleverna återvände till Ann Arbor, med hjälp av ett Ford-University of Michigan Alliance-anslag.

Forskarna analyserade primärenergianvändning och utsläpp av växthusgaser under de fem faserna av VTOL-flygning:startsvävning, klättra, kryssning, nedstigning och landning sväva. Dessa flygplan använder mycket energi under start och klättring men är relativt effektiva under kryssningsfasen, färdas i 150 mph. Som ett resultat, VTOL:er är mest energieffektiva på långa resor, när kryssningsfasen dominerar de totala flygmilen.

Men för kortare resor – allt som är mindre än 35 kilometer (22 miles) – använde fordon med en förbränningsmotor mindre energi och producerade färre utsläpp av växthusgaser än VTOL för en passagerare. Det är ett viktigt övervägande eftersom den genomsnittliga markbaserade fordonspendlingen bara är cirka 17 kilometer (11 miles).

"Som ett resultat, de resor där VTOL är mer hållbara än bensinbilar utgör bara en liten del av de totala årliga fordonsmilen tillryggalagda på marken, " sa studiens medförfattare Jim Gawron, en doktorand vid U-M School for Environment and Sustainability och Ross School of Business. "Följaktligen, VTOL:er kommer att vara begränsade i deras bidrag och roll i ett hållbart mobilitetssystem."

Inte överraskande, VTOL genomförde basresan på 100 kilometer mycket snabbare än markbaserade fordon. En punkt-till-punkt VTOL-flygbana, i kombination med högre hastigheter, resulterat i tidsbesparingar på cirka 80 procent i förhållande till markbaserade fordon.

"Elektrifiering av flygplan, i allmänhet, förväntas i grunden förändra flygindustrin inom en snar framtid, " sa Furbush.

Studiens författare noterar att många andra frågor måste lösas för att bedöma livskraften för VTOL, inklusive kostnad, buller och samhällelig och konsumentacceptans.