När Chitty Chitty Bang Bang släpptes för 50 år sedan, flygande bilar var en lustflykt. Nu, dessa futuristiska fordon tar sig in i verklighetens yttre gränser. Enligt en ny studie publicerad i Nature, för vissa resor kan flygande bilar så småningom bli grönare än till och med elbilar, minska utsläppen och samtidigt minska trafiken på allt mer trafikerade vägar.

Dock, luckor i nödvändig teknik och praktiska osäkerheter bortom bilarnas lovande fysik gör att de kanske inte kommer fram i tid för att vara en storskalig lösning på energikrisen och trängseln – om alls.

Hur man får en bil att flyga

Det kan till en början verka galet att en flygande bil kan vara mer effektiv än en landsvägsbil, speciellt när konventionella plan har ett sådant rykte som gasslukare. Men att flyga är inte i sig ineffektivt – trots allt, fåglar kan flyga mellan kontinenter utan att äta. Självklart, en liten, Fyrapassagerarbil är ingen albatross, men det är inte en Boeing 737 heller.

Det finns många sätt att få en bil att flyga, men de flesta är för problematiska för att komma igång. Det kanske mest lovande alternativet är det som tas i denna studie, baserad på fysiken för flygplan för vertikal start och landning (VTOL). De är ganska fantastiska bestar.

Om du har hört talas om VTOL, något som en Harrier Jump Jet kommer förmodligen att tänka på, med två enorma motorer som styr dragkraften som kan lutas vertikalt eller horisontellt. Men dessa mycket mindre och lättare flygande bilar fungerar annorlunda, med massor av små elektriska fläktar som blåser luft från många håll. Denna snabbt utvecklande distribuerade elektriska framdrivningsteknik (DEP) är nyckeln för effektivitet vid cruising, och det skapar också möjligheter för tystare start och svävning, eftersom flera små bruskällor kan hanteras bättre.

Ving- och propellerdesign kan också optimeras för att vara lång, tunn, och har massor av rörliga ytor, precis som fåglar gör för att göra sin flygning effektiv. Syftet med alla dessa tekniska förbättringar är att uppnå maximal lyftkraft för minimalt motstånd – kraften som motverkar ett föremåls rörelse genom luften och saktar ner det. Ett bättre lyft-till-drag-förhållande innebär lägre energiförbrukning, och därmed lägre utsläpp.

Dessa energibesparande innovationer gör kryssning till en vind – men de hjälper inte mycket med start, svävande, eller landning, som fortfarande i sig är ineffektiva. Så även om VTOL flygande fordon fortfarande är lönsamma för korta resor inom staden och pizzaleveranser, de kommer inte att lösa energikrisen.

För 100 km resor, elektriska flygande fordon kan vara 35 % effektivare än en bensindriven bil – även om antar samma antal passagerare, fortfarande mindre effektiv än en elbil. Dock, det är rimligt att anta att flygande bilar främst kommer att fungera som taxitjänster i fördefinierade flygkorridorer, och kommer därför sannolikt att konsekvent bära fler människor. Med hänsyn till detta, för en resa på 100 km kan utsläppen från flygbilar vara 6 % mindre än för elbilar.

När resans avstånd ökar, det gör också effektivitetsvinsterna jämfört med stopp-start-bilar, som måste hantera rullmotstånd och mindre effektivt luftflöde. Men tyvärr, sortimentet är akilleshäl för elflyg. Studien tittar på en räckvidd på upp till cirka 200 km och här skulle flygande bilar kunna prestera bra. Men medan jetdrivna plan kan förlora så mycket som 70 % av sin vikt under flygning (om än till en kostnad av 100 kg CO₂ per passagerare och timme), batterierna blir inte lättare när de laddas ur. Detta betyder att bortom 200 km eller så, att bära batterier blir en klar nackdel.

Den vedertagna uppfattningen är att elplan bara någonsin kommer att vara livskraftiga för kortdistansflygningar. Det är energitätheten som spelar roll, mätt i wattimmar per kilogram. Just nu, de bästa batterierna ger cirka 250 W-h/kg, bara en skugga av flygbränsle och bensin 12, 000 W-h/kg. Batterier kan krypa upp till 800 W-h/kg i mitten av detta århundrade, öka sin genomförbara räckvidd till 700 miles – hälften av alla globala flygningar faller inom detta avstånd. Men utan mer dramatisk innovation inom batteriteknik, biobränslen och flytande bränsle från luftavskiljning av CO₂ kommer sannolikt att behöva spela en betydande roll vid långdistansflyg.

Problem i praktiken

Genom att helt fokusera på fysiken hos flygande bilar, tidningen avviker från ett antal praktiska aspekter som måste beaktas innan vi anammar VTOL flygande bilar som en hållbar transportform för framtiden. Till exempel, det är viktigt att ta hänsyn till koldioxidkostnaderna för produktionen, underhåll och stilleståndstid, known as Life-Cycle Analysis (LCA). Electric vehicles have been criticised for both the energy and environmental costs of mining primary materials for batteries, such as lithium and cobalt. Added infrastructure required for flight may worsen the problem for flying cars. And of course, a grid powered by low-carbon sources is essential to make battery-powered vehicles part of the solution to our climate crisis.

Aircraft also have highly stringent criteria for maintenance and downtime, which can often offset gains in performance and emissions. As an entirely new breed of planes, it's impossible to predict how much it might cost to keep them air-worthy. Unforeseen maintenance complications can cost billions – just ask Boeing.

Till sist, weather matters. A tailwind of 35mph reduces power use and emissions by 15%, but a 35mph headwind increases them by 25%. Having to carry heavy extra batteries to avoid the potential catastrophe of running out of charge before encountering a suitable landing place could offset emissions savings. Road cars, by contrast, can easily pull over to the side of the road when needed, without consequence.

So when it comes down to CO₂ emissions per passenger kilometre, at present these advanced DEP flying cars are at best comparable to their road-going electric equivalents, och, at worst, little better than conventional combustion cars. With technology and safety improvements, they could yet play a part in our fossil-fuel-free future, taking short-haul planes out of our skies and freeing up fume-filled roads. The question on everyones' lips is whether these flying cars will be ready in time to make a jot of difference to our very pressing energy crisis. Can we wait 30 years?

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Läs originalartikeln.