211service.com
Et kraftig nytt batteri kan gi oss elektriske fly som ikke forurenser
Et produksjonstriks med magnetiske felt produserer et batteri som kan lades ut raskt nok til å få et fly fra bakken. 30. oktober 2018
Simon Simard
Fargerike molekylære modeller langs to vegger av Yet-Ming Chiangs kontor ved MIT. Chiang, en materialvitenskapsprofessor og seriebatterientreprenør, har brukt store deler av karrieren sin på å studere hvordan litt forskjellige arrangementer av disse pinnene og kulene gir radikalt forskjellige utfall i energilagring.
Men han og hans kollega, Venkat Viswanathan , tar en annen tilnærming for å nå sitt neste mål, og endrer ikke sammensetningen av batteriene, men justeringen av forbindelsene i dem. Ved å bruke magnetiske krefter for å rette ut den kronglete banen som litiumioner navigerer gjennom elektrodene, mener forskerne, at de kan øke hastigheten som enheten utlader elektrisitet med betydelig.
Det kraftskuddet kan åpne for en bruk som lenge har unngått batterier: møte de enorme kravene til et passasjerfly ved oppstigning. Hvis det fungerer som håpet, vil det muliggjøre regionale pendlerflyvninger som ikke brenner drivstoff eller produserer direkte klimautslipp.
Viswanathan, en assisterende professor i maskinteknikk ved Carnegie Mellon, initierte og leder forskningsprosjektet. Han og Chiang samarbeider nå med 24M, litiumionbatteriprodusenten Chiang som ble grunnlagt i 2010, og Zunum Aero, en flyoppstart basert i Bothell, Washington, for å utvikle og teste prototypebatterier spesielt designet for behovene til et avansert hybridfly.
Venkat Viswanathan, assisterende professor i maskinteknikk ved Carnegie Mellon. Med tillatelse fra Carnegie Mellon University
Høy innsats
Å eliminere klimagassutslipp fra fly er en av de vanskeligste utfordringene i klimapuslespillet. Flyreiser står for rundt 2 % av globale karbondioksidutslipp og er en av de raskest voksende kildene til klimagassforurensning.
Men det finnes ingen rene alternativer i dag for mer enn et bittelite snev av flyreiser, fordi batteriene som driver elbiler fortsatt er for dyre, tunge og ellers dårlig egnet for luftfart.
Mer enn et dusin selskaper, inkludert Uber, Airbus og Boeing, utforsker allerede potensialet for å elektrifisere små fly, og skaper tilsvarende flyvende taxier som kan dekke rundt 161 kilometer på en ladning. Håpet er at disse en- eller topassasjerkjøretøyene – i de fleste tilfeller sett for seg som autonome vertikale start- og landingsfly – kan forkorte pendlingene, lette trafikkbelastningen og redusere utslipp fra kjøretøy. Men disse ville i stor grad erstatte bilturer for de rike, ikke fortrenge flyreiser.
Viswanathan og Chiang sikter høyere. Den opprinnelige planen er å utvikle et batteri som kan drive et 12-manns fly med 400 miles (644 kilometer) rekkevidde – nok til å ta turer fra for eksempel San Francisco til Los Angeles, eller New York til Washington. I en andre fase håper de å muliggjøre et elektrisk fly som kan frakte 50 personer samme avstand.
Slike fly vil fortsatt være utstyrt med en forbrenningsmotor og frakte drivstoff. Men drivstoffet vil stort sett være om bord for å oppnå US Federal Aviation Administrations reservekrav for sikkerhet, som instruerer fly til å bære nok til å lande på en flyplass 200 miles (322 kilometer) fra den tiltenkte destinasjonen. På en vanlig flytur skal ikke flyene trenge å tappe drivstoffet.
Simon Simard
Luftbåren
Prosjektets appell til en oppstart som Zunum er åpenbar: jo bedre batteriene blir til å møte behovene til fly, jo større er markedet som hybrid- eller elektriske fly potensielt kan adressere.
I fjor, selskapet annonsert planlegger å levere en linje hybrid til elektriske fly med plass til 12 passasjerer i 2022.
Ved lanseringen har selskapet til hensikt å tilby et hybridfly med en gassturbin og to batteripakker som kan fly rundt 700 miles (1127 kilometer), samt en helelektrisk versjon med tre batteripakker og en rekkevidde på mindre enn 200 miles . (I motsetning til flyene Viswanathan og Chiang har i tankene, ville hybridmodellen trekke tungt på drivstoffet ombord.) Men det er avgjørende at selve flyet forventes å ha en åpen arkitektur som lar eiere bytte ut disse modulene over tid, noe som muliggjør dem for å oppgradere til bedre batterier utviklet i fremtiden eller skifte fra hybrid til helelektrisk drift.
Zunum har sikret kapital fra Boeing, JetBlue og staten Washingtons Clean Energy Fund. JetSuite, et Dallas-basert charterflyselskap, har gått med på å kjøpe opptil 100 av flyene. Andre startups, inkludert Eviation Aircraft og Wright Electric, jobber også med å utvikle små elektriske fly for pendlerflyvninger.
Dette klippet viser hva som skjer når magnetiske krefter påføres magnetiske mikrostaver blandet med elektrodematerialer. Med tillatelse fra MIT-forsker Jonathan Sander
Fly brukes sjelden til regionale reiser, og representerer mindre enn 1 % av turene under 500 miles, ifølge US Bureau of Transportation Statistics . Flyselskaper har viket unna kortere flyreiser, hovedsakelig fordi det meste av drivstoffet forbrennes under start, noe som betyr at lengre ruter er langt mer økonomiske. Og gitt de høye kostnadene og problemene med å fly, velger forbrukere i stor grad biler, tog eller busser i stedet for denne reiseserien.
Zunums administrerende direktør Ashish Kumar, tidligere leder i Microsoft og Google, mener hybridfly kan endre disse vanene – i stor grad ved å kutte drivstoffkostnadene og, i sin tur, prisene. I de fleste deler av verden kan du doble de innenlandske flymilene når folk går av motorveien og inn i raskere fly, sier han.
Simon Simard
Ettersom batteriene forbedres, kan hybrid- og elektriske fly også kutte inn i en mye større andel av lufttransporten. Innen 2035, forventer Kumar, vil hybridfly være i stand til å nå avstander så store som 1500 miles (2414 kilometer), da flyreiser representerer 82 % av turer, ifølge BTS.
Et grådig batteri
Under et møte på Chiangs kontor i begynnelsen av september, understreket Viswanathan utfordringene med å elektrifisere luftfarten ved å trekke opp et kart som viser utladningsprofilen til en batteripakke over en flybane. Det er en alpin vegg i de første minuttene av flyturen. Deretter faller det dramatisk til et langt, flatt platå når flyet når marsjhøyde.
Med andre ord, et batteri må kunne levere en enorm mengde kraft ved start, og pakke nok energitetthet til å cruise i minst hundrevis av miles. Men for å jobbe innenfor rammene av flyfysikk og økonomi, må den også være så langvarig og lett som mulig, og i stand til hurtiglading – eller i det minste, som Zunum planlegger, lett kunne byttes ut med et fulladet batteri. mellom flyvningene.
Viswanathan bemerker at en standard batteripakke i Tesla-stil kan sjekke de to første boksene. Men takeoff ville vært som å kjøre en Model S i latterlig modus i fire minutter i stedet for noen sekunder, og generere en enorm mengde varme.
Du ville steke batteriet, sier han.
Det vil radikalt forkorte levetiden til svært dyre batteripakker.
Dette klippet viser hva som skjer når magnetiske krefter påføres magnetiske dråper blandet inn med elektrodematerialer. Med tillatelse fra MIT-forsker Jonathan Sander
Å få litiumionbatterier til å lades ut med en hastighet som er rask nok for fly krever at det blir lettere for ioner og elektroner å strømme gjennom batteriet, spesielt elektrodene. Et alternativ er å gjøre elektrodematerialene mer porøse eller tynnere, men en av disse endringene vil ha en høy kostnad for energitettheten.
Så i stedet utforsker forskerne måter å rette de vridende banene gjennom tettpakket karbon, koboltforbindelser og andre materialer i elektrodene.
Som i mange magiske illusjoner, er trikset avhengig av magneter.
I en 2016 papir i Naturenergi , Chiang, MIT-forsker Jonathan Sander og kolleger viste at det å blande magnetiske nanopartikler inn i elektrodematerialene, og bruke et lett magnetfelt, bidro til å skape justerte veier gjennom elektrodene.
Påfølgende tester fant at utladningskapasiteten til disse elektrodene, eller hastigheten som elektroner kan reise ut av batteriet med, var mer enn dobbelt så stor som for konvensjonelle litiumionbatterier - uten å ofre energitettheten.
Det åpner en helt ny retning i hva vi kan få ut av batterier for elektrisk luftfart, sa Chiang.
Forskerne jobber nå med 24M i Cambridge, Massachusetts, hvor Chiang også fungerer som sjefforsker, for å utvikle og teste prototypebatterier ved å bruke denne magnetiske tilnærmingen. Hvis alt går bra, vil Zunum deretter samarbeide med forskerne for å evaluere prototypene i det som er kjent som kobberfugletester, der alle flyets elektrisitetssystemer blir evaluert på bakken. Etter hvert kunne de testes i faktiske flyvninger også.
Simon Simard
Bare starten
Inntil batteriene faktisk er opprettet og evaluert, gjenstår det å se hvor godt denne tilnærmingen virkelig vil fungere. Og selv i beste fall er feltet fortsatt sannsynligvis tiår unna å elektrifisere mer enn en brøkdel av de totale luftmilene.
Richard Anderson, en romfartsingeniør og direktør for Embry-Riddle Aeronautical Universitys Eagle Flight Research Center, påpeker at batterier er minst 20 ganger tyngre enn drivstoff for en gitt mengde energi. Han er skeptisk til at selskaper som driver med hybride pendlerflyvninger, som Zunum, kan finne nok måter å kompensere for den økte vekten de neste årene. Han mener også at feltet overvurderer hvor raskt hybridfly vil kunne nå lengre avstander – mens de undervurderer de regulatoriske utfordringene de vil møte.
MIT- og Carnegie-forskerne selv er raske til å si at andre store batteriforbedringer fortsatt vil være nødvendig for å utvide rekkevidden av elektriske fly, noe som kan nødvendiggjøre et skifte til helt andre kjemier. På toppen av det, vil sannsynligvis fly måtte redesignes fundamentalt for å redusere energibehovet, potensielt ved å omfordele motorer eller endre formen på kroppen for å redusere luftmotstanden, sier Viswanathan.
Men han og Chiang jobber med å utvikle en teknisk kapasitet som ville være nødvendig uavhengig av andre fremskritt. Selv om andre batteriingeniører finner måter å få elektriske fly til å fly tusen miles, vil de fortsatt trenge nok strøm til å komme seg fra bakken.
Denne artikkelen er oppdatert for å tydeliggjøre rollene til forskerne.