À medida que os carros e caminhões elétricos aparecem cada vez mais nas rodovias norte-americanas, levanta a questão: quando os veículos elétricos comercialmente viáveis tomarão os céus? Há uma série de esforços ambiciosos para construir aviões elétricos, incluindo jatos regionais e aviões que podem cobrir distâncias mais longas. A eletrificação está começando a permitir um tipo de viagem aérea que muitos esperavam, mas ainda não viram - um carro voador.
Um dos principais desafios na construção de aeronaves elétricas envolve quanta energia pode ser armazenada em uma determinada quantidade de peso da fonte de energia a bordo. Embora as melhores baterias armazenem cerca de 40 vezes menos energia por unidade de peso do que o combustível de aviação, uma parcela maior de sua energia está disponível para impulsionar o movimento. Em última análise, para um determinado peso, o combustível de aviação contém cerca de 14 vezes mais energia utilizável do que uma bateria de íon de lítio de última geração.
Isso faz com que as baterias sejam relativamente pesadas para a aviação. As empresas aéreas já estão preocupadas com o peso - impondo taxas sobre a bagagem em parte para limitar a quantidade de aviões que devem transportar. Veículos rodoviários podem lidar com baterias mais pesadas, mas existem preocupações semelhantes. Nosso grupo de pesquisa analisou a troca de peso-energia em caminhonetes elétricas e trator-reboque ou semi-caminhões.
O conceito deste artista do projeto experimental do avião elétrico da NASA mostra 14 motores ao longo das asas. (NASA) De caminhões elétricos a veículos voadores
Baseamos nossa pesquisa em uma descrição muito precisa da energia necessária para mover o veículo, juntamente com detalhes dos processos químicos subjacentes envolvidos nas baterias de íons de lítio. Descobrimos que um caminhão-pipa elétrico similar aos atuais movidos a diesel poderia ser projetado para percorrer até 500 milhas com uma única carga, sendo capaz de transportar a carga de cerca de 93% de todas as viagens de carga.
As baterias precisarão ficar mais baratas antes que faça sentido econômico iniciar o processo de conversão da frota de caminhões dos EUA em energia elétrica. Isso parece provável para o início dos anos 2020.
Veículos voadores estão um pouco mais distantes, porque eles têm necessidades de energia diferentes, especialmente durante a decolagem e aterrissagem.
O que é um e-VTOL?
Ao contrário dos aviões de passageiros, pequenos drones a bateria que transportam pacotes pessoais em curtas distâncias, enquanto voam abaixo de 400 pés, já estão em uso. Mas carregar pessoas e bagagem requer 10 vezes mais energia - ou mais.
Analisamos a quantidade de energia que uma pequena aeronave movida a bateria capaz de decolar e pousar vertical precisaria. Eles são normalmente projetados para serem lançados como helicópteros, mudam para um modo de avião mais eficiente, girando suas hélices ou asas inteiras durante o vôo e, em seguida, fazem a transição para o modo de helicóptero para pouso. Eles podem ser uma maneira eficiente e econômica de navegar em áreas urbanas movimentadas, evitando estradas entupidas.
Requisitos de energia de aeronaves e-VTOL
Nosso grupo de pesquisa construiu um modelo computacional que calcula a potência necessária para um e-VTOL de um único passageiro ao longo das linhas de projetos que já estão em desenvolvimento. Um exemplo é um e-VTOL que pesa 1.000 quilos, incluindo o passageiro.
A parte mais longa da viagem, em modo avião, precisa de menos energia por milha. Nossa amostra e-VTOL precisaria de cerca de 400 a 500 watt-hora por milha, aproximadamente a mesma quantidade de energia que uma caminhonete elétrica precisaria - e cerca de duas vezes o consumo de energia de um sedã elétrico para passageiros.
No entanto, decolagem e pouso exigem muito mais energia. Independentemente da distância percorrida por um e-VTOL, nossa análise prevê que a decolagem e o pouso combinados exigirão entre 8.000 e 10.000 watt-hora por viagem. Isso é cerca de metade da energia disponível na maioria dos carros elétricos compactos, como o Nissan Leaf.
Para um voo completo, com as melhores baterias disponíveis hoje, calculamos que um e-VTOL de passageiro único projetado para transportar uma pessoa a 20 milhas ou menos exigiria cerca de 800 a 900 watt-hora por milha. Isso equivale à metade da quantidade de energia que um caminhão semi, o que não é muito eficiente: se você precisasse fazer uma visita rápida para fazer compras em uma cidade próxima, não entraria na cabine de um trator chegar lá.
À medida que as baterias melhoram ao longo dos próximos anos, elas podem acumular cerca de 50% mais energia com o mesmo peso da bateria. Isso ajudaria a tornar o e-VTOLS mais viável para viagens de curto e médio alcance. Mas, há mais algumas coisas necessárias antes que as pessoas possam realmente começar a usar o e-VTOLS regularmente.
Deslize o controle deslizante "energia específica" de um lado para o outro para ver como melhorar as baterias pode mudar as necessidades de energia dos veículos. Venkat ViswanathanNão é só energia
Para veículos terrestres, determinar a faixa útil de viagem é o suficiente - mas não para aviões e helicópteros. Os projetistas de aeronaves também precisam examinar de perto a potência - ou a rapidez com que a energia armazenada está disponível. Isso é importante porque a aceleração para decolar em um jato ou empurrar para baixo a gravidade em um helicóptero exige muito mais energia do que girar as rodas de um carro ou caminhão.
Portanto, as baterias e-VTOL devem ser capazes de descarregar a taxas aproximadamente 10 vezes mais rápidas do que as baterias em veículos elétricos. Quando as baterias descarregam mais rapidamente, elas ficam muito mais quentes. Assim como o seu fã de laptop gira a toda velocidade quando você tenta transmitir um programa de TV enquanto joga um jogo e baixa um arquivo grande, uma bateria de veículo precisa ser resfriada ainda mais rápido sempre que for solicitado a produzir mais energia.
As baterias dos veículos de estrada não aquecem quase tanto durante a condução, para que possam ser resfriadas pelo ar que passa por ou com refrigerantes simples. Um táxi e-VTOL, no entanto, geraria uma enorme quantidade de calor na decolagem que levaria muito tempo para esfriar - e em viagens curtas pode até não esfriar completamente antes de aquecer novamente no pouso. Em relação ao tamanho da bateria, para a mesma distância percorrida, a quantidade de calor gerada por uma bateria e-VTOL durante a decolagem e a aterrissagem é muito maior que a de carros elétricos e semi-caminhões.
Esse calor extra encurtará a vida útil das baterias de e-VTOL e possivelmente as tornará mais suscetíveis a pegar fogo. Para preservar a confiabilidade e a segurança, as aeronaves elétricas precisarão de sistemas de refrigeração especializados - o que exigiria mais energia e peso.
Essa é uma diferença crucial entre os veículos elétricos e os aviões elétricos: os projetistas de caminhões e carros não precisam melhorar radicalmente sua potência ou seus sistemas de resfriamento, porque isso aumentaria o custo sem ajudar no desempenho. Somente pesquisas especializadas encontrarão esses avanços vitais para as aeronaves elétricas.
Nosso próximo tópico de pesquisa continuará a explorar maneiras de melhorar a bateria do e-VTOL e os requisitos do sistema de resfriamento para fornecer energia suficiente para alcance útil e energia suficiente para decolagem e aterrissagem - tudo isso sem superaquecimento.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Venkat Viswanathan, professor assistente de engenharia mecânica, Universidade Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Candidato em Engenharia Mecânica, Universidade Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, Assistente de Pesquisa em Engenharia Mecânica, Universidade Carnegie Mellon
