211service.com
Jaudīgs jauns akumulators varētu dot mums elektriskās lidmašīnas, kas nepiesārņo
Ražošanas triks ar magnētiskajiem laukiem rada akumulatoru, kas var izlādēties pietiekami ātri, lai paceltu lidmašīnu no zemes. 2018. gada 30. oktobris
Simons Simards
Spilgtas krāsas molekulārie modeļi rindojas divās Yet-Ming Chiang biroja sienās MIT. Chiang, materiālu zinātnes profesors un sērijveida akumulatoru uzņēmējs, lielu daļu savas karjeras ir pavadījis, pētot, kā nedaudz atšķirīgi šo nūju un sfēru izvietojumi rada radikāli atšķirīgus enerģijas uzkrāšanas rezultātus.
Bet viņš un viņa kolēģis, Venkats Višvanatāns , izmanto atšķirīgu pieeju, lai sasniegtu savu nākamo mērķi, mainot nevis bateriju sastāvu, bet gan tajos esošo savienojumu izvietojumu. Zinātnieki uzskata, ka, pielietojot magnētiskos spēkus, lai iztaisnotu līkumoto ceļu, pa kuru litija joni virzās pa elektrodiem, tie varētu ievērojami palielināt ierīces elektrības izlādes ātrumu.
Šis jaudas palielinājums varētu pavērt lietojumu, kas jau sen nav bijis baterijām: apmierināt pasažieru lidmašīnas milzīgās prasības pacelšanās brīdī. Ja tas darbosies, kā cerēts, tas nodrošinātu reģionālos piepilsētas lidojumus, kas nedeg degvielu un nerada tiešas klimata emisijas.
Višvanatāns, Kārnegija Melona mašīnbūves docents, ierosināja un vada pētniecības projektu. Viņš un Chiang tagad sadarbojas ar 24M, litija jonu akumulatoru ražotāju Chiang, kas līdzdibināts 2010. gadā, un Zunum Aero, gaisa kuģu jaunuzņēmumu, kas atrodas Botelā, Vašingtonā, lai izstrādātu un pārbaudītu akumulatoru prototipu, kas īpaši izstrādāts uzlabotas hibrīda lidmašīnas vajadzībām.
Venkats Visvanatans, Kārnegija Melona mašīnbūves docents. Ar Kārnegija Melona universitātes atļauju
Augstas likmes
Lidmašīnu radīto siltumnīcefekta gāzu emisiju novēršana ir viens no grūtākajiem izaicinājumiem klimata mīklā. Gaisa satiksme rada aptuveni 2% no pasaules oglekļa dioksīda emisijām un ir viens no visstraujāk augošajiem siltumnīcefekta gāzu piesārņojuma avotiem.
Taču mūsdienās nav tīru alternatīvu, kas būtu vairāk kā niecīga gaisa ceļojuma daļiņa, jo akumulatori, kas darbina elektromobiļus, joprojām ir pārāk dārgi, smagi un citādi slikti piemēroti aviācijai.
Vairāk nekā ducis uzņēmumu, tostarp Uber, Airbus un Boeing, jau pēta mazo lidmašīnu elektrifikācijas iespējas, radot līdzvērtīgu lidojošu taksometru, kas ar maksu var nobraukt aptuveni 100 jūdzes (161 kilometru). Cerams, ka šie viena vai divu pasažieru transportlīdzekļi, kas vairumā gadījumu tiek uzskatīti par autonomiem vertikāliem pacelšanās un nolaišanās lidaparātiem, varētu saīsināt ceļus uz darbu un darbu, atvieglot sastrēgumus un samazināt transportlīdzekļu emisijas. Bet tie lielā mērā aizstātu braucienus ar automašīnu bagātajiem, nevis izspiestu gaisa satiksmi.
Višvanatāns un Chiang mērķē augstāk. Sākotnējais plāns ir izstrādāt akumulatoru, kas varētu darbināt 12 cilvēku lidmašīnu ar 400 jūdžu (644 kilometru) darbības rādiusu — pietiekami, lai veiktu braucienus, piemēram, no Sanfrancisko uz Losandželosu vai no Ņujorkas uz Vašingtonu. Otrajā posmā viņi cer iespējot elektrisko lidmašīnu, kas spēj pārvadāt 50 cilvēkus tādā pašā attālumā.
Šādas lidmašīnas joprojām būtu aprīkotas ar iekšdedzes dzinēju un pārvadātu degvielu. Taču degviela lielākoties būtu lidmašīnā, lai izpildītu ASV Federālās aviācijas administrācijas drošības rezervju prasības, kas nosaka, ka lidaparātam ir jābūt pietiekami daudz, lai nolaistos lidostā 200 jūdžu (322 kilometru) attālumā no paredzētā galamērķa. Parastā lidojumā lidmašīnām nevajadzētu izmantot šo degvielu.
Simons Simards
Gaisa desanta
Projekta pievilcība tādam jaunizveidotajam uzņēmumam kā Zunum ir acīmredzama: jo labāk akumulatori atbilst lidmašīnu vajadzībām, jo lielāks ir tirgus, kuru potenciāli var risināt hibrīda vai elektriskās lidmašīnas.
Pagājušajā gadā uzņēmums paziņoja 2022. gadā plāno piegādāt hibrīda līniju elektriskajām lidmašīnām ar vietu 12 pasažieriem.
Izlaišanas brīdī uzņēmums plāno piedāvāt hibrīdlidmašīnu ar gāzes turbīnu un diviem akumulatoru blokiem, kas spēj nolidot aptuveni 700 jūdzes (1127 kilometrus), kā arī pilnībā elektrisku versiju ar trim akumulatoriem un darbības rādiusu, kas ir mazāks par 200 jūdzēm. . (Atšķirībā no lidmašīnām Viswanathan un Chiang, hibrīdmodelis lielā mērā izmantotu borta degvielu.) Taču būtiski ir tas, ka pašai lidmašīnai ir paredzēta atvērta arhitektūra, kas ļaus īpašniekiem laika gaitā izslēgt šos moduļus. tos jaunināt uz labākiem akumulatoriem, kas izstrādāti nākotnē, vai pāriet no hibrīda uz pilnībā elektrisku darbību.
Zunum ir nodrošinājis kapitālu no Boeing, JetBlue un Vašingtonas štata tīrās enerģijas fonda. Dalasā bāzētā čarterreisu kompānija JetSuite ir piekritusi iegādāties līdz pat 100 lidmašīnām. Citi jaunuzņēmumi, tostarp Eviation Aircraft un Wright Electric, arī strādā, lai izstrādātu nelielas elektriskās lidmašīnas piepilsētas garuma lidojumiem.
Šis klips parāda, kas notiek, ja magnētiskos spēkus pieliek magnētiskajiem mikrostieņiem, kas sajaukti ar elektrodu materiāliem. Pieklājīgi no MIT pētnieka Džonatana Sandera
Saskaņā ar ASV Transporta statistikas birojs . Aviokompānijas ir izvairījušās no īsākiem lidojumiem galvenokārt tāpēc, ka lielākā daļa degvielas tiek sadedzināta pacelšanās laikā, kas nozīmē, ka garāki maršruti ir daudz ekonomiskāki. Ņemot vērā lidošanas augstās izmaksas un sarežģījumus, patērētāji šajā ceļojumu diapazonā lielākoties izvēlas automašīnas, vilcienus vai autobusus.
Zunum izpilddirektors Ashish Kumar, kurš iepriekš bija Microsoft un Google vadītājs, uzskata, ka hibrīdlidmašīnas varētu mainīt šos paradumus, galvenokārt samazinot degvielas izmaksas un, savukārt, cenas. Viņš saka, ka lielākajā daļā pasaules jūs varētu dubultot savas iekšzemes gaisa jūdzes, cilvēkiem nokāpjot no šosejas un iekāpjot ātrākos lidmašīnās.
Simons Simards
Uzlabojoties akumulatoriem, arī hibrīdās un elektriskās lidmašīnas var izmantot daudz lielāku gaisa transporta daļu. Kumar sagaida, ka līdz 2035. gadam hibrīdlidmašīnas spēs sasniegt pat 1500 jūdžu (2414 kilometru) attālumu, un šajā brīdī gaisa satiksme ir 82% braucienu, saskaņā ar BTS.
Mantkārīgs akumulators
Sanāksmē Chiang birojā septembra sākumā Višvanatāns uzsvēra aviācijas elektrifikācijas izaicinājumus, izvelkot diagrammu, kurā parādīts akumulatora bloka izlādes profils visā lidojuma trajektorijā. Tā ir Alpu siena pirmajās lidojuma minūtēs. Pēc tam tas dramatiski samazinās līdz garam, līdzenam plato, lidmašīnai sasniedzot kreisēšanas augstumu.
Citiem vārdiem sakot, akumulatoram ir jāspēj nodrošināt milzīgu jaudas daudzumu pacelšanās laikā un pietiekami daudz enerģijas, lai varētu nobraukt vismaz simtiem jūdžu. Bet, lai strādātu gaisa kuģa fizikas un ekonomikas robežās, tam ir jābūt arī pēc iespējas ilgākam un vieglākam, kā arī jāspēj ātri uzlādēt vai vismaz, kā plāno Zunum, to var viegli nomainīt pret pilnībā uzlādētu akumulatoru. starp lidojumiem.
Viswanathan atzīmē, ka standarta Tesla tipa akumulators var atzīmēt pirmās divas izvēles rūtiņas. Taču pacelšanās būtu kā braukšana ar Model S smieklīgā režīmā četras minūtes, nevis dažas sekundes, radot milzīgu siltuma daudzumu.
Viņš saka, ka jūs izcepsiet akumulatoru.
Tas radikāli saīsinātu ļoti dārgu akumulatoru kalpošanas laiku.
Šis klips parāda, kas notiek, ja magnētiskie spēki tiek pielietoti magnētiskajiem pilieniem, kas sajaukti ar elektrodu materiāliem. Pieklājīgi no MIT pētnieka Džonatana Sandera
Lai litija jonu akumulatori izlādētos pietiekami ātri, lai gaisa kuģis varētu izlādēties, ir jāatvieglo jonu un elektronu plūsma caur akumulatoru, īpaši elektrodiem. Viena iespēja ir padarīt elektrodu materiālus porainākus vai plānākus, taču jebkura no šīm izmaiņām radītu ievērojamas enerģijas blīvuma izmaksas.
Tā vietā pētnieki pēta veidus, kā iztaisnot vīšanas ceļus, izmantojot cieši iesaiņotu oglekli, kobalta savienojumus un citus materiālus elektrodos.
Tāpat kā daudzās maģiskās ilūzijās, triks balstās uz magnētiem.
Kādā 2016. gadā papīrs iekšā Dabas enerģija , Chiang, MIT pētnieks Džonatans Sanders un kolēģi parādīja, ka magnētisko nanodaļiņu sajaukšana elektrodu materiālos un gaismas magnētiskā lauka pielietošana palīdzēja izveidot saskaņotus ceļus caur elektrodiem.
Turpmākajos testos atklājās, ka šo elektrodu izlādes jauda jeb ātrums, ar kādu elektroni var izplūst no akumulatora, bija vairāk nekā divas reizes lielāks nekā parastajiem litija jonu akumulatoriem, nezaudējot enerģijas blīvumu.
Tas paver pilnīgi jaunu virzienu, ko mēs varam iegūt no elektriskās aviācijas akumulatoriem, sacīja Čiangs.
Pētnieki tagad strādā ar 24M Kembridžā, Masačūsetsā, kur Chiang darbojas arī kā galvenais zinātnieks, lai izstrādātu un pārbaudītu akumulatoru prototipu, izmantojot šo magnētisko pieeju. Ja viss noritēs labi, Zunum sadarbosies ar pētniekiem, lai novērtētu prototipus tā sauktajos vara putnu testos, kuros visas lidmašīnas elektrības sistēmas tiek novērtētas uz zemes. Galu galā tos varēja pārbaudīt arī reālos lidojumos.
Simons Simards
Tikai sākums
Kamēr baterijas nav faktiski izveidotas un novērtētas, atliek redzēt, cik labi šī pieeja patiešām darbosies. Un pat vislabākajā gadījumā lauks, iespējams, joprojām ir desmitiem gadu attālumā, lai elektrificētu vairāk nekā daļu no kopējām gaisa jūdzēm.
Ričards Andersons, aviācijas un kosmosa inženieris un Embry-Riddle Aeronautikas universitātes Ērgļa lidojumu izpētes centra direktors, norāda, ka akumulatori ir vismaz 20 reizes smagāki par degvielu noteiktā enerģijas daudzumā. Viņš ir skeptiski noskaņots, ka uzņēmumi, kas veic hibrīdos piepilsētas lidojumus, piemēram, Zunum, nākamajos gados var atrast pietiekami daudz veidu, kā kompensēt šo pievienoto svaru. Viņš arī uzskata, ka lauks pārāk augstu novērtē to, cik ātri hibrīdlidmašīnas spēs sasniegt lielākus attālumus, vienlaikus nepietiekami novērtējot regulatīvās problēmas, ar kurām tās saskarsies.
Paši MIT un Kārnegi pētnieki ātri saka, ka joprojām būs nepieciešami citi lieli akumulatoru uzlabojumi, lai paplašinātu elektrisko plakņu klāstu, kas var radīt nepieciešamību pāriet uz pilnīgi atšķirīgām ķīmijām. Turklāt lidmašīnas, iespējams, būs būtiski jāpārveido, lai samazinātu enerģijas pieprasījumu, iespējams, pārdalot motorus vai mainot korpusa formu, lai samazinātu pretestību, saka Višvanatāns.
Bet viņš un Čiangs strādā, lai izstrādātu tehniskas iespējas, kas būtu nepieciešamas neatkarīgi no citiem sasniegumiem. Pat ja citi akumulatoru inženieri atradīs veidus, kā likt elektriskām lidmašīnām lidot tūkstoš jūdžu attālumā, viņiem joprojām būs nepieciešams pietiekami daudz jaudas, lai paceltos no zemes.
Šis raksts ir atjaunināts, lai precizētu pētnieku lomas.