När flygresor utsätts för press att minska sin miljöpåverkan och får oss att ompröva våra transportval, forskare letar efter grönare sätt att driva flygning.

Trots att elbilstekniken går framåt och konsumenterna sakta men säkert kommer till idén om eldriven körning, utsikterna för elektrisk flygning verkar fortfarande vara långt borta från att lugna vår flygskam - den svenska termen för "flygskön."

Men elektrisk flygning kommer att bli verklighet — det är bara en fråga om när.

"Den tidigare konsensus är att det är 20 eller 30 år kvar till en helelektrisk långdistansflygning av flygplan av storleken på en Airbus A350 eller Boeing 787, " säger professor Weijia Yuan vid University of Strathclyde.

"Men på grund av det akuta behovet av att minska koldioxidutsläppen, vi behöver några dramatiska teknologier för att möjliggöra okonventionella lösningar för att påskynda denna process. Den forskning vi gör nu kommer att bana väg."

Professor Yuan leder ett team på 15 personer vid institutionen för elektronik och elektroteknik som forskar om tillämpad supraledning inom energilagring, kraftöverföringskablar och elektrisk framdrivning för flygplan.

"Supraledning är en kritisk teknik för att möjliggöra nollutsläppsflyg, säger professor Yuan.

Den primära utmaningen för elektrisk flygning är hur man gör batterier och elmotorer små men ändå kraftfulla nog att låta en last med passagerare och deras bagage lämna marken och resa hur långt som helst innan bränslet tar slut.

"Det är för närvarande inte möjligt att använda konventionella elmotorer för att driva ett stort passagerarflygplan, eftersom de är för skrymmande och saknar tillräcklig effekttäthet, men supraledare kunde hålla nyckeln.

"För att driva ett flygplan av storleken på en Airbus 320 eller Boeing 737 skulle elmotorer behöva en energi per massenhet på minst 40 kilowatt per kilogram (kW/kg). För närvarande är de mest konventionella motorerna på marknaden att klara av ca. 5kW/kg."

För att få mer kraft från elmotorer måste du öka mängden el som en motor kan bära.

Aktuella frågor

Supraledare – som namnet antyder – är material som är extremt bra på att låta elektriska strömmar gå genom dem med lite eller inget motstånd.

De flesta är medvetna om att vissa material leder elektricitet bättre än andra; en koppartråd kontra en gummihandske, till exempel.

Ju mer ett material motstår flödet av elektrisk ström, ju mer elektrisk energi går förlorad som värme, ljus eller buller. Detta är fallet med befintliga elmotorer. Ju mer motstånd, desto mindre effektivt är systemet.

Ett sätt att minska ett materials motstånd är att kyla det. Ju kallare ett material blir, desto mer ledande blir den tills den når en kritisk temperatur där allt elektriskt motstånd plötsligt försvinner och det blir supraledande – vilket ökar mängden tillgänglig energi.

Superkyld koppar, till exempel, kyld till minus 200 grader, kan bära 1, 000 gånger kopparströmmen vid rumstemperatur.

En superkyld, supraledande spole skulle teoretiskt kunna hålla en elektrisk laddning på obestämd tid.

Kalla hårda fakta

Dock, Nödvändigheten att hålla supraledare extremt kalla för att utrota deras elektriska motstånd är en utmaning.

Medan vissa forskargrupper runt om i världen undersöker så kallad supraledning vid hög temperatur – allt över minus 200 grader Celsius, eller fyra grader Kelvin—Professor Yuans arbete fokuserar på lågtemperaturledare.

För närvarande, det vanligaste sättet att underkyla en ledare använder flytande kväve – den gas som finns i atmosfären som är vanligast.

Flytande helium kan också användas, men det är ett mycket ovanligare element, medan flytande väte, ett extremt explosivt element, kräver noggrann hantering.

Den senare, dock, kan användas för vätebränsleceller och kan vara den valda kraftkällan för flygindustrin.

Professor Yuan säger:"Det kan vara så att elektriskt drivna flygplan kommer att bära väte att använda både som bränsle och som kylvätska. Men med väte finns det en stor säkerhetsutmaning att ta itu med.

"Vårt arbete är fokuserat på att försöka förbättra effektiviteten hos elmotorer genom att minimera kylningen som krävs genom nya konfigurationer av motorns spole, tillverkad av sällsynta jordartsmetaller som yttriumbarium-kopparoxider, och sedan använda avancerade analysverktyg för att vägleda designprocessen."

Mycket av forskningen sker i det nyligen öppnade toppmoderna laboratoriet för applicerad superledning inom Technology &Innovation Center (TIC).

Teamet arbetar med industripartners inklusive Airbus, Rolls-Royce och Epoch Wires med finansiering från Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Innovate UK, British Council, och Royal Academy of Engineering, som också finansierade två tekniska forskningsstipendier för det nya laboratoriets akademiska ledare professor Weijia Yuan och Dr. Min Zhang. Professor Yuan var forskare vid Royal Academy of Engineering mellan 2013 och 2018.

Han tillägger:"En av de unika aspekterna vi har på Strathclyde är en stark avdelning för elektronik och elektroteknik kombinerat med tillverkningskapaciteten vid Advanced Forming Research Center och faciliteter som Power Networks Demonstration Centre. Det är en unik kombination."

Hybrid framdrivning

Även om helt elektrisk flygning av det slag som kommer att ta hundratals semesterfirare till varmare klimat kan vara ett par decennier bort än, Professor Yuan är optimistisk för tekniken.

"Det finns fortfarande sätt att förbättra jetmotorer utan att bli helt elektriska, till exempel genom hybridframdrivning där man använder förbränning som energikälla men elmotorer för framdrivning. Det skulle ge dig en effektivitetsbesparing i storleksordningen 10-20 %, " han säger.

"Flyg är bara en av många applikationer som kan dra nytta av supraledning:andra inkluderar energisystemen vi använder i våra hem och industri, kablar för överföring av kraft från vindkraftsparker till havs som skulle kunna underlätta ett europeiskt supernät där el kan skickas över stora avstånd med liten energiförlust."

Professor Yuan och Dr. Min Zhang är involverade i ett nytt fyraårigt 10,4 miljoner euro finansierat projekt med Horizon 2020, kallat IMOTHEP—Undersökning och maturation av teknologier för hybridelektrisk framdrivning.

Projektet, leds av ONERA, det franska flyg- och rymdlaboratoriet och som består av 33 viktiga flygindustri- och forskningspartner, kommer att undersöka elektrisk teknik för hybridelektriska flygplan tillsammans med avancerad design av flygplanskonfigurationer och innovativa framdrivningsarkitekturer.

Professor Yuan och Dr Zhang kommer att fokusera på kryogen kraftelektronik och supraledande kraftdistribution.

Det slutliga målet med projektet är att bedöma potentialen hos hybrid elektrisk framdrivning för att minska utsläppen från kommersiellt flyg och så småningom bygga en teknisk färdplan för dess utveckling.

Efter att ha kommit till Strathclyde 2018 från University of Bath där han fick sin första position efter att ha avslutat sin doktorsexamen. vid Cambridge, Professor Yuan är optimistisk och angelägen om att ta sin forskning till nästa nivå.

Han säger:"Jag hoppas kunna se vår forskning tillämpas under de kommande fem till 10 åren och att framgångsrikt starta ett spin-out-företag för att kommersialisera den.

"När man tänker på de material vi arbetar med, mestadels sällsynta jordartsmetaller kopparoxider, upptäcktes först 1986, det kommer att ta lite mer tid innan vi kan tillämpa dem på vardagliga funktioner, säger Prof Yuan.

"Men Strathclyde är Storbritanniens ledande inom detta område, både när det gäller forskningsvolymen och lagets storlek."