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 Natur , 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 luft 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 flygplan 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, känd som livscykelanalys (LCA). Elfordon har kritiserats för både energi- och miljökostnaderna för att bryta primärmaterial för batterier, såsom litium och kobolt. Tillagd infrastruktur som krävs för flygning kan förvärra problemet för flygande bilar. Och naturligtvis, ett nät som drivs av koldioxidsnåla källor är avgörande för att göra batteridrivna fordon till en del av lösningen på vår klimatkris.

Flygplan har också mycket stränga kriterier för underhåll och stilleståndstid, vilket ofta kan kompensera vinster i prestanda och utsläpp. Som en helt ny typ av flygplan, det är omöjligt att förutsäga hur mycket det kan kosta att hålla dem luftvärdiga. Oförutsedda underhållskomplikationer kan kosta miljarder – fråga bara Boeing.

Till sist, vädret spelar roll. En medvind på 35 mph minskar energianvändningen och utsläppen med 15 %, men en 35mph motvind ökar dem med 25%. Att behöva bära tunga extra batterier för att undvika den potentiella katastrofen med att ta slut innan man möter en lämplig landningsplats kan kompensera för utsläppsbesparingar. Vägbilar, däremot kan enkelt köra vid sidan av vägen vid behov, utan konsekvens.

Så när det kommer till CO₂-utsläpp per passagerarkilometer, för närvarande är dessa avancerade DEP-flygbilar i bästa fall jämförbara med deras väggående elektriska motsvarigheter, och, som värst, lite bättre än konventionella förbränningsbilar. Med teknik och säkerhetsförbättringar, de kan ändå spela en roll i vår fossilbränslefria framtid, ta kortdistansflyg ur vår himmel och frigöra ångfyllda vägar. Frågan på allas läppar är om dessa flygande bilar kommer att vara redo i tid för att göra skillnad för vår mycket pressande energikris. Kan vi vänta 30 år?

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