211service.com
Een krachtige nieuwe batterij kan ons elektrische vliegtuigen geven die niet vervuilen
Een fabricagetruc met magnetische velden produceert een batterij die snel genoeg kan ontladen om een vliegtuig van de grond te krijgen. 30 oktober 2018
Simon Simard
Felgekleurde moleculaire modellen staan langs twee muren van het kantoor van Yet-Ming Chiang aan het MIT. Chiang, een professor in materiaalkunde en ondernemer van seriebatterijen, heeft een groot deel van zijn carrière besteed aan het bestuderen van hoe enigszins verschillende opstellingen van die stokken en bollen leiden tot radicaal verschillende resultaten in energieopslag.
Maar hij en zijn collega Venkat Viswanathan , nemen een andere benadering om hun volgende doel te bereiken, waarbij niet de samenstelling van de batterijen verandert, maar de uitlijning van de verbindingen erin. Door magnetische krachten toe te passen om het kronkelige pad dat lithiumionen door de elektroden navigeren recht te maken, denken de wetenschappers dat ze de snelheid waarmee het apparaat elektriciteit ontlaadt aanzienlijk kunnen verhogen.
Die krachtstoot zou een gebruik kunnen openen dat lange tijd aan batterijen is ontgaan: voldoen aan de enorme eisen van een passagiersvliegtuig bij het opstijgen. Als het werkt zoals gehoopt, zou het regionale pendelvluchten mogelijk maken die geen brandstof verbruiken of directe klimaatemissies produceren.
Viswanathan, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon, initieerde en leidt het onderzoeksproject. Hij en Chiang werken nu samen met 24M, de lithium-ionbatterijfabrikant die Chiang mede-oprichtte in 2010, en Zunum Aero, een vliegtuigstartup gevestigd in Bothell, Washington, om prototypebatterijen te ontwikkelen en te testen die specifiek zijn ontworpen voor de behoeften van een geavanceerd hybride vliegtuig.
Venkat Viswanathan, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon. Met dank aan Carnegie Mellon University
Hoge inzet
Het elimineren van de uitstoot van broeikasgassen door vliegtuigen is een van de moeilijkste uitdagingen in de klimaatpuzzel. Vliegreizen zijn verantwoordelijk voor ongeveer 2% van de wereldwijde uitstoot van kooldioxide en zijn een van de snelst groeiende bronnen van broeikasgasvervuiling.
Maar er zijn tegenwoordig geen schone alternatieven voor meer dan een klein stukje vliegreizen, omdat de batterijen van elektrische auto's nog steeds te duur, te zwaar en verder slecht geschikt zijn voor de luchtvaart.
Meer dan een dozijn bedrijven, waaronder Uber, Airbus en Boeing, onderzoeken al het potentieel om kleine vliegtuigen te elektrificeren, waardoor het equivalent van vliegende taxi's wordt gecreëerd die tegen betaling ongeveer 100 mijl (161 kilometer) kunnen afleggen. De hoop is dat deze voertuigen voor één of twee passagiers - in de meeste gevallen bedoeld als autonome verticale start- en landingsvliegtuigen - het woon-werkverkeer kunnen verkorten, congestie kunnen verminderen en de uitstoot van voertuigen kunnen verminderen. Maar deze zouden autoritten voor de rijken grotendeels vervangen, niet het vliegverkeer verdringen.
Viswanathan en Chiang streven hoger. Het oorspronkelijke plan is om een batterij te ontwikkelen die een 12-persoonsvliegtuig van stroom kan voorzien met een bereik van 400 mijl (644 kilometer), genoeg om reizen te maken van bijvoorbeeld San Francisco naar Los Angeles, of van New York naar Washington. In een tweede fase hopen ze een elektrisch vliegtuig mogelijk te maken dat 50 mensen op dezelfde afstand kan vervoeren.
Dergelijke vliegtuigen zouden nog steeds zijn uitgerust met een verbrandingsmotor en brandstof vervoeren. Maar de brandstof zou grotendeels aan boord zijn om te voldoen aan de reservevereiste van de Amerikaanse Federal Aviation Administration voor veiligheid, die vliegtuigen opdraagt genoeg mee te nemen om te landen op een luchthaven op 200 mijl (322 kilometer) van de beoogde bestemming. Bij een normale vlucht zouden de vliegtuigen die brandstof niet moeten aanboren.
Simon Simard
In de lucht
De aantrekkingskracht van het project op een startup als Zunum is duidelijk: hoe beter batterijen voldoen aan de behoeften van vliegtuigen, hoe groter de markt die hybride of elektrische vliegtuigen mogelijk kunnen aanspreken.
Vorig jaar heeft het bedrijf bekend gemaakt is van plan om in 2022 een lijn van hybride tot elektrische vliegtuigen te leveren met ruimte voor 12 passagiers.
Bij de lancering is het bedrijf van plan om een hybride vliegtuig aan te bieden met een gasturbine en twee batterijpakketten die ongeveer 700 mijl (1127 kilometer) kunnen vliegen, evenals een volledig elektrische versie met drie batterijpakketten en een bereik van minder dan 200 mijl . (In tegenstelling tot de vliegtuigen die Viswanathan en Chiang in gedachten hebben, zou het hybride model zwaar putten uit de brandstof aan boord.) om te upgraden naar betere batterijen die in de toekomst worden ontwikkeld of om over te schakelen van hybride naar volledig elektrische werking.
Zunum heeft kapitaal veiliggesteld van Boeing, JetBlue en het Clean Energy Fund van de staat Washington. JetSuite, een in Dallas gevestigd charterbedrijf, heeft ingestemd met de aankoop van maximaal 100 van de vliegtuigen. Andere startups, waaronder Eviation Aircraft en Wright Electric, werken ook aan de ontwikkeling van kleine elektrische vliegtuigen voor langeafstandsvluchten.
Deze clip laat zien wat er gebeurt als magnetische krachten worden uitgeoefend op magnetische microstaafjes vermengd met elektrodematerialen. Met dank aan MIT-onderzoeker Jonathan Sander
Vliegtuigen worden zelden gebruikt voor regionale reizen, goed voor minder dan 1% van de reizen onder de 500 mijl, volgens de US Bureau of Transportation Statistics . Luchtvaartmaatschappijen schuwen kortere vluchten grotendeels omdat de meeste brandstof tijdens het opstijgen wordt verbrand, wat betekent dat langere routes veel zuiniger zijn. En gezien de hoge kosten en het gedoe van vliegen, kiezen consumenten grotendeels voor auto's, treinen of bussen voor dit reisaanbod.
Zunum-topman Ashish Kumar, voorheen een executive bij Microsoft en Google, is van mening dat hybride vliegtuigen deze gewoonten kunnen veranderen, grotendeels door de brandstofkosten en, op hun beurt, tarieven te verlagen. In de meeste delen van de wereld kun je je binnenlandse vliegmijlen verdubbelen als mensen van de snelweg afstappen en in snellere vliegtuigen stappen, zegt hij.
Simon Simard
Naarmate de batterijen verbeteren, kunnen hybride en elektrische vliegtuigen ook een veel groter aandeel in het luchtvervoer innemen. Kumar verwacht dat in 2035 hybride vliegtuigen afstanden tot wel 2.414 kilometer kunnen bereiken. 82% van reizen, volgens de BTS.
Een gulzige batterij
Tijdens een bijeenkomst in het kantoor van Chiang begin september, onderstreepte Viswanathan de uitdagingen van het elektrificeren van de luchtvaart door een kaart op te trekken met het ontlaadprofiel van een batterijpakket over een vliegpad. Het is een alpenmuur in de eerste minuten van de vlucht. Daarna zakt het dramatisch naar een lang, vlak plateau als het vliegtuig kruishoogte bereikt.
Met andere woorden, een batterij moet bij het opstijgen een enorme hoeveelheid vermogen kunnen leveren en voldoende energiedichtheid hebben om minstens honderden mijlen te cruisen. Maar om binnen de grenzen van de vliegtuigfysica en -economie te werken, moet het ook zo duurzaam en licht mogelijk zijn en snel kunnen worden opgeladen - of in ieder geval, zoals Zunum van plan is, gemakkelijk kunnen worden verwisseld voor een volledig opgeladen batterij tussen vluchten.
Viswanathan merkt op dat een standaard batterijpakket in Tesla-stijl de eerste twee vakjes kan aanvinken. Maar opstijgen zou zijn alsof je een Model S vier minuten in de belachelijke modus bestuurt in plaats van een paar seconden, waarbij een enorme hoeveelheid warmte wordt gegenereerd.
Je zou de batterij bakken, zegt hij.
Dat zou de levensduur van zeer dure accu's radicaal verkorten.
Deze clip laat zien wat er gebeurt als magnetische krachten worden uitgeoefend op magnetische druppeltjes vermengd met elektrodematerialen. Met dank aan MIT-onderzoeker Jonathan Sander
Om ervoor te zorgen dat lithium-ionbatterijen snel genoeg ontladen voor vliegtuigen, moeten ionen en elektronen gemakkelijker door de batterij kunnen stromen, met name de elektroden. Een optie is om de elektrodematerialen poreuzer of dunner te maken, maar beide veranderingen zouden hoge kosten met zich meebrengen voor de energiedichtheid.
Dus in plaats daarvan onderzoeken de onderzoekers manieren om de kronkelende paden recht te trekken door dicht opeengepakte koolstof, kobaltverbindingen en andere materialen in de elektroden.
Zoals bij veel magische illusies, berust de truc op magneten.
In een 2016 papier in Natuur Energie , Chiang, MIT-onderzoeker Jonathan Sander en collega's toonden aan dat het mengen van magnetische nanodeeltjes in de elektrodematerialen en het toepassen van een licht magnetisch veld hielpen om uitgelijnde paden door de elektroden te creëren.
Daaropvolgende tests toonden aan dat de ontladingscapaciteit van deze elektroden, of de snelheid waarmee elektronen uit de batterij kunnen reizen, meer dan het dubbele was van die van conventionele lithium-ionbatterijen, zonder dat dit ten koste ging van de energiedichtheid.
Het opent een geheel nieuwe richting in wat we uit batterijen voor elektrische luchtvaart kunnen halen, zei Chiang.
De onderzoekers werken nu samen met 24M in Cambridge, Massachusetts, waar Chiang ook als hoofdwetenschapper fungeert, om prototypebatterijen te ontwikkelen en te testen met behulp van deze magnetische benadering. Als alles goed gaat, zal Zunum dan samen met de onderzoekers de prototypes evalueren in zogenaamde koperen vogeltests, waarbij alle elektriciteitssystemen van het vliegtuig op de grond worden geëvalueerd. Uiteindelijk zouden ze ook in echte vluchten kunnen worden getest.
Simon Simard
Nog maar het begin
Totdat de batterijen daadwerkelijk zijn gemaakt en geëvalueerd, valt nog te bezien hoe goed deze aanpak echt zal werken. En zelfs in het beste geval is het veld waarschijnlijk nog tientallen jaren verwijderd van het elektrificeren van meer dan een fractie van het totale aantal vliegkilometers.
Richard Anderson, een lucht- en ruimtevaartingenieur en directeur van het Eagle Flight Research Center van Embry-Riddle Aeronautical University, wijst erop dat batterijen minstens 20 keer zwaarder zijn dan brandstof voor een bepaalde hoeveelheid energie. Hij is sceptisch dat bedrijven die hybride woon-werkvluchten nastreven, zoals Zunum, genoeg manieren kunnen vinden om dat extra gewicht in de komende jaren te compenseren. Hij denkt ook dat het veld overschat hoe snel hybride vliegtuigen grotere afstanden kunnen bereiken, terwijl het de uitdagingen op het gebied van regelgeving onderschat waarmee ze te maken zullen krijgen.
De MIT- en Carnegie-onderzoekers zelf zeggen snel dat er nog andere grote batterijverbeteringen nodig zullen zijn om het bereik van elektrische vliegtuigen uit te breiden, wat een verschuiving naar een geheel andere chemie noodzakelijk kan maken. Bovendien zullen vliegtuigen waarschijnlijk fundamenteel opnieuw moeten worden ontworpen om de energiebehoefte te verminderen, mogelijk door motoren opnieuw te verdelen of de vorm van het lichaam te veranderen om de luchtweerstand te verminderen, zegt Viswanathan.
Maar hij en Chiang werken aan de ontwikkeling van een technische capaciteit die nodig zou zijn, ongeacht andere vorderingen. Zelfs als andere batterijtechnici manieren vinden om elektrische vliegtuigen duizend mijl te laten vliegen, hebben ze nog steeds genoeg stroom nodig om van de grond te komen.
Dit artikel is bijgewerkt om de rollen van de onderzoekers te verduidelijken.