När flygindustrin återhämtar sig till nivåer före pandemi, undersöker innovatörer lösningar för att minska flygplanens koldioxidavtryck. Kredit:John McArthur via Unsplash
Med den övergripande snabba tillväxten av flygresor är flygplansdesignen mogen för avkolning, men utbredd elektrisk flygning kräver bättre batterier och lätta system.
När flygindustrin kommer ut ur effekterna av covid-19-pandemin, när passagerarantalet rasade, ökar antalet flyg igen. Branschen håller på att återhämta sig till pre-pandemiska nivåer av flygpassagerarresor, med vissa uppskattningar som förutspår en tillväxt på över 40 % till 2050.
I allmänhet, bortsett från kriser, tenderar flygpassagerarnas resande att fördubblas vart 15:e år, och flygsektorn visar sig också vara en av de snabbast växande källorna till utsläpp av växthusgaser (GHG). Det står för närvarande för 2 % av de globala växthusgasutsläppen, men detta förväntas potentiellt tredubblas till 2050 från 2015 års nivåer på sin befintliga bana.
Med tanke på att den europeiska gröna avtalen kräver klimatneutralitet till 2050, krävs en grön återställning för att förbättra luftfartens hållbarhet. Följ länken för att lära dig mer om de åtgärder EU förespråkar för att minska flygets utsläpp.
Flyget blir mer effektivt med motorförbättringar, men dekarbonisering kräver alternativ till dagens fossilbränslehungriga flygplan.
Hybridelektriska och helelektriska framdrivningssystem erbjuder ett svar. Sådana drivlinor vinner redan dragkraft på marken, med den globala försäljningen av elbilar som fördubblades förra året till 6,6 miljoner.
Många projekt pågår för att flyget ska följa efter, men de står inför många utmaningar, inte minst är batteriernas tyngd.
Ändå är det av "stor betydelse" att hitta miljövänliga alternativ som samtidigt är högpresterande och lönsamma, säger Fabio Russo, chef för forskning och utveckling hos flygplanstillverkaren Tecnam i Capua, Italien.
Skalbarhet
Russo ledde projektet H3PS (High Power High Scalability Aircraft Hybrid Powertrain), som undersökte potentialen hos hybridelektriska system i så kallade "general aviation" (GA) flygplan.
Denna kategori omfattar mer än 400 000 civila flygplan runt om i världen och inkluderar privatplan, affärsjetplan, helikoptrar och mer, men inte kommersiella flygplan.
Eftersom flygplan som tenderar att vara relativt små ser H3PS-initiativet dem som ett första steg mot att utveckla elektriska framdrivningssystem för bredare flygningar.
"Vi behöver miljölösningar idag, och H3PS-projektet gjordes för att bevisa en effektiv, lättviktig och skalbar lösning", säger Russo.
"Skalbar betyder att du kan flytta det här konceptet från ett fyrsitsigt flygplan upp till ett 11-sitsigt eller så småningom flersitsigt flygplan."
Hybriddrivlina
I projektet deltog även Rolls-Royce och motortillverkaren Rotax. Ett av dess mål var att flyga ett fyrsitsigt flygplan som drivs av vad som är känt som en "parallell hybriddrivlina" - som kombinerar både en traditionell förbränningsmotor och en elmotor.
Hybridframdrivningssystemet kan ge en power "boost" till flygplanet under flygfaser som start och klättring, säger Russo. Med en hybrid kan man till exempel använda en bränslemotor med lägre effekt än normalt och fylla luckan för flygplanet att lyfta och klättra med en elmotor.
"Du kan därför få tillgång till en bränslemotor med lägre förbrukning", sa Russo.
Detta tillvägagångssätt möjliggör en reducerad motorstorlek och vikt, vilket gör att batteriet för elmotorn kan inkluderas utan att tillföra betydande vikt till systemet.
I slutet av förra året lyckades projektet ta sig till skyarna med sitt Tecnam P2010 H3PS-flygplan. Som den första fyrsitsiga som gjorde detta med ett parallellhybridsystem, framhöll H3PS prestationen som "en viktig milstolpe på flygindustrins resa mot koldioxidutsläpp och FoU på alternativa drivlinor."
Batteriekonomi
Trots det betonade Russo att projektet handlade om att demonstrera genomförbarheten för sådana flygplan snarare än att skapa en produkt för marknaden. Det finns en bit att gå för att göra dem till verklighet i stor skala, sa han.
"Det finns fortfarande en hel del begränsningar när det gäller ekonomin bakom utvecklingen av den här typen av motorer och flygplan", sa Russo.
En viktig begränsande faktor är hur batterierna försämras när de cyklar igenom laddningarna. Detta innebär att det är en hög kostnad att fortsätta ersätta dem på tidsskalor som för närvarande, Russo uppskattar kan vara så lite som några månader.
Den första flygningen av P2010 H3PS hybridflygplan. Kredit:© Tecnam, 2021/22
Han tror att förbättringar vilar på en verklig drivkraft, uppbackad av stöd från batteritillverkningsindustrin, för att öka batteriteknologin, samtidigt som frakt- och avvecklingskostnaderna minskar och den cirkulära ekonomin förbättras.
"En lokal ekonomi för batteritillverkning är avgörande," sa Russo. "Detta kommer också att innebära att CO2 sparas inte bara under drift, utan långt före och efter batteriets användning i ett flygplan."
Han tillade att för flygplanskomponenter som helhet krävs fokus på hela livscykeln och effekterna av produkter.
Livskraftiga hybrider
Russo tror att sådana hybridflygplan kan bli mer ekonomiskt lönsamma omkring 2030, med potential att spara avsevärt på utsläppen i vissa flygfaser.
Ett test som hans team utförde indikerade en potentiell minskning av koldioxidutsläppen med 50 % under start och första klättring, och 20 % under hela den tre timmar långa resan, vilket antyddes av den lägre mängden bränsle som används.
"I slutet av flygningen, när vi mätte bränslet vi förbrukade, var skillnaden anmärkningsvärd," sa Russo.
Andra projekt undersöker hur man kan optimera olika komponenter för framtida flygsystem för elektrisk framdrivning för att göra dem så lätta som möjligt, samt säkra och effektiva.
Elektromagnetisk störning
Till exempel har EASIER-projektet designat system för att begränsa elektromagnetisk interferens (EMI) mellan komponenter som kan påverka ett flygplans funktion.
Teamet undersöker också termiska metoder för att bättre avleda värme som genereras av elektriska komponenter. Det är allt samtidigt som man försöker säkerställa att flygplanet förblir lätt, med hänsyn till storleken och vikten på nuvarande batterier.
Dr. Ignacio Castro, senior chefsingenjör på Collins Aerospace, baserad i Cork, Irland, är koordinator för EASIER. Han sa att projektet har undersökt EMI-filtrering och kabeldragningsalternativ med lägre volym och vikt för elektriska drivlinor i flygplan, plus "tvåfas" kylsystem och metoder för att förbättra hastigheten för värmeöverföring till ett flygplans exteriör.
He explained that there's a need to prepare now for the long-term future of electric systems. "Any change that we make to an aircraft to make it greener could potentially increase the weight of the aircraft," said Dr. Castro.
"That also increases the amount of fuel consumed, so we might not have an aircraft that is fully ready for flight. We need to make things smaller."
Some of EASIER's upcoming work involves more investigation of the trade-offs between methods. "The idea is that we will see how the thermal systems are affecting the EMI and vice versa, to see what the implications are," said Dr. Castro.
Trade-offs
There are all kinds of other trade-offs to understand when it comes to manufacturing electric aircraft. For example, while making things smaller decreases weight, it can cause things to heat up faster too—much like a small house warms up quicker when heated. "That's the kind of trade-off with weight, size and efficiency, and it's not that simple," said Dr. Castro.
He added that integrating all the individual technologies into a well-functioning overall aircraft system will be key in future research.
"It's about understanding what the architectures should look like to be made as efficient as possible," said Dr. Castro.
Comparing it to construction, he stressed that you can't just throw bricks together in any way to make a building. "You need to put things together in a way that's smart in the context of power delivery," he said.
Right direction
Though there are many complex issues to resolve in electric aviation, Dr. Castro believes things are starting to move in the right direction. "I think we're taking the right paths towards hybrid-electric aviation, and there's a lot of interest and many programs," he said. "That would be the first step to start reducing carbon emissions."
Ensuring these new systems run smoothly and safely is also essential. Safety is paramount and a single crash is enough to generate big headlines and plenty of fear.
That means a need to take significant care with developments. "There's a risk saying things are going to be great, particularly when things need to be extremely reliable for aircraft," pointed out Dr. Castro. "It's a paradigm shift in technology."
There is also much investment needed and many questions to address in the coming decades, he said. "The challenge towards net-zero emissions in the EU by 2050 is a huge challenge, and I don't think at the moment anyone has a definite answer," said Dr. Castro. "It's the one-million dollar question." + Utforska vidare
