Elektromotoren in der Luft sehen genauso aus wie am Boden - zuerst werden die Batterien verwendet, um den Motor beim Verbrennen von Kraftstoff zu unterstützen
Am 31. Mai 2018 stürzte in Ungarn ein Magnus eFusion-Elektroflugzeug mit Siemens-Motor ab . Der im Artikel erwähnte Pilot Janusz B. und der Passagier starben. Siemens arbeitet mit den lokalen Behörden zusammen, um die Unfallursachen zu untersuchen.Ich sitze im Cockpit eines der erstaunlichsten Flugzeuge der Welt. Dies ist ein zweisitziges leichtes eFusion-Flugzeug von
Magnus Aircraft , das mit einem Motor von Siemens ausgestattet ist - einem riesigen Unternehmen, das für seinen Beitrag zur Luftfahrt bekannt ist. Ich nehme meine Füße von den Steuerpedalen, kurz bevor der Pilot sein Auto einschaltet.
Der Propeller dreht sich sofort und wird fast unsichtbar. Gleichzeitig herrscht eine solche Stille, dass wir ohne Headsets problemlos kommunizieren können. Dies ist das erste Anzeichen dafür, dass das Flugzeug mit Strom betrieben wird.
Wir rollen auf einer kleinen Landebahn im Grasfeld von Budapest. 10 Uhr morgens, sonniger Himmel, Bauernhöfe in der Ferne sichtbar. Plötzlich springen wir in den Himmel und steigen steil an, Bauernhäuser schrumpfen zärtlich. Die Kühe unten sehen nicht einmal auf. Diese schnelle Beschleunigung, das Luftfahrtäquivalent der Ludicrous-Betriebsart Tesla Model S, ist ein weiteres Zeichen für einen Elektromotor. Sie erhalten sofort alle Funktionen des Motors.
Dann tauchen wir, weichen zur Seite ab und erheben uns wieder, wobei mein Magen irgendwo zurückbleibt. Nicht schlecht für ein einfaches Flugzeug, das nur wenige Kunstflüge kann, wie Gergely György Balázs, Leiter des Budapester Siemens-Forschungsbüros, es mir beschrieb, als würde ich mich entschuldigen, bevor ich ins Flugzeug stieg. Zum Glück war der Pilot des Modells, der zu allen Kunstflügen fähig war, geschäftlich unterwegs.
Nach 15 belebenden Minuten waren die Batterien halb voll, auf weniger als 10 kWh, und es war Zeit zu landen. Dies ist das letzte Zeichen eines Elektromotors. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien, deren Gestelle in einem Gehäuse vor der Kabine versteckt sind, heute viel mehr Energie speichern als noch vor wenigen Jahren, kommen sie dem Gastank nicht nahe. In den kommenden Jahren werden die Fähigkeiten aller
Elektroflugzeuge durch kurze Sprünge begrenzt, hauptsächlich zwischen benachbarten Siedlungen und nicht zwischen Städten.
Die Luftfahrt ist für 2-3% der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Der Wirkungsgrad pro Volumeneinheit wird jedoch als sehr hoch angesehen, da in der Stratosphäre ziemlich viele Gase freigesetzt werden. Es wird erwartet, dass der Anteil der Luftfahrt an den Emissionen in den nächsten Jahrzehnten rasch zunimmt, wobei die Anzahl der Flüge zunimmt und die Emissionen aus anderen Quellen - insbesondere aus der Erzeugung von Elektrizität und Autos - sinken.
Im Jahr 2016 haben 23 Länder ein Abkommen zur Begrenzung der CO2-Emissionen von Flugzeugen unterzeichnet, das im Jahr 2020 gemäß den von der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation ICAO (International Civil Aviation Organization), einer UN-Agentur, entwickelten Standards beginnen soll. Daher arbeiten Forscher auf der ganzen Welt daran, diese Einschränkungen zu erfüllen.
Aber wie können elektrische Flugzeuge, die auf eine lächerlich kleine Entfernung beschränkt sind, helfen? Sie gelten als entscheidender Schritt in der technologischen Entwicklung der Luftfahrt, die die ab sofort beginnende Migration der Automobilindustrie von Verbrennungsmotoren zu Elektromotoren wiederholen wird. In 15 Jahren könnten Hybrid-Passagierflugzeuge, die Strom und Treibstoff kombinieren, auf Kurz- und Mittelstreckenflügen ihre Arbeit aufnehmen. Hybriden verbrennen Kraftstoff, tun dies jedoch sparsam.
Konzept des blauen Himmels. Kunstflugfähig, die Extra 330LE-Version, ein Leichtflugzeug, das von Siemens für den Betrieb mit Strom modifiziert wurde. In den ersten Tests Ende 2016 stellte er einen Rekord für die Höhe von Elektroflügen auf und stieg in 4 Minuten und 22 Sekunden auf 3.000 Meter."Wir können einen großen Unterschied bei kleinen Trainingsflugzeugen machen, die mit Elektrizität betrieben werden, weil die Physik dort nicht gegen uns arbeitet", sagt George Bai, Direktor von
Bye Aerospace , der
elektrische Trainingsflugzeuge mit Siemens liefert. „Um jedoch die für die Auskleidungen erforderlichen Geschwindigkeiten und Massen zu erhöhen, muss auf eine Hybridanlage umgestellt werden. Die Industrie arbeitet aktiv daran. “
Bisher werden Hybride benötigt, da Lithium-Ionen-Batterien, obwohl Flugkraftstoff 12.500 W * h Energie pro Kilogramm liefert, angesichts des Gewichts der Batterien und aller anderen Geräte, die ihre Sicherheit gewährleisten, nur 160 W * h / kg liefern.
Um Hybride in der Luft zu heben, sind viele technologische Durchbrüche erforderlich. Natürlich werden sie als Ergebnis von Forschungs- und Entwicklungsprogrammen erscheinen. Sie werden aber auch durch Versuche wie die von Siemens zustande kommen, elektrische Trainingsflugzeuge in Betrieb zu nehmen, und höchstwahrscheinlich vor allem durch Versuche, eine städtische Lufttaxiindustrie in so etwas wie überwucherten Drohnen zu schaffen. Siemens selbst arbeitet mit
Airbus Helicopters an einem solchen vollelektrischen Projekt, CityAirbus. Parallel dazu arbeitet Airbus an einem
Vahana- Projekt, das seine Silicon Valley-Tochter entwickelt. Es gibt viele andere Start-ups, darunter das chinesische
Ehang , die ersten Demonstrationen von Passagierflügen, die dieses Jahr stattfanden, als ein Ingenieur den
Oktokopter des Unternehmens in den Himmel brachte.
In der Luftfahrt basieren die meisten Hybride auf einer einheitlichen Architektur, bei der ein brennstoffverbrennender Motor - entweder ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine - einen Generator speist, der Elektromotoren, Rotationspropeller und Ladebatterien antreibt. Bei dieser Konstruktion liefern die Batterien die kurzfristigen Energiestöße, die zum Abheben erforderlich sind, wodurch die Techniker die kraftstoffverbrennenden Motoren so einstellen können, dass sie mit idealen Drehzahlen arbeiten. Massive Triebwerke, die an den Tragflächen Ihres Flugzeugs hängen, arbeiten nur während des Starts mit voller Leistung. den Rest der Zeit stehen sie grob im Leerlauf und erhöhen nur das Gewicht des Flugzeugs.
Es gibt noch andere Vorteile. Durch die Verteilung der Leistung auf das Kabel mit einem Hybrid-Design können Sie die Schrauben genau dort positionieren, wo Sie sie benötigen, ohne alles auszurüsten, nur basierend auf der Position der riesigen Motoren. Einige Hybridschaltungen versuchen, die Propeller hinter dem Flugzeug oder sogar auf einem vertikalen Stabilisator zu positionieren.
Zwei Hauptkonsortien arbeiten an Hybriden. In Europa arbeitete Airbus mit Siemens und
Rolls-Royce in einer vom CityAirbus-Projekt getrennten Allianz zusammen. In den USA sind Boeing und JetBlue Teil eines konkurrierenden Projekts des Startups
Zunum Aero mit Sitz in Kirkland, Washington. Beide Konsortien gehen davon aus, dass sie Anfang der 2020er Jahre Hybride in der Luft halten werden.
Airbus plant, mit einer modifizierten Version des vorhandenen Flugzeugs British Aerospace 146 für 100 Sitze zu starten, in der eine der vier Gondeln auf den Tragflächen keinen Motor, sondern einen Zwei-Megawatt-Elektromotor aufnehmen wird. Es erhält Energie von einem Generator, der von einer kleinen Gasturbine im Rumpf gedreht wird (aufgrund derer es keinen Luftwiderstand erfährt). Wenn das elektrische System ausfällt, kann das Flugzeug mit drei Propellern fliegen, die von herkömmlichen Motoren angetrieben werden. Airbus
bereitet einen Hybrid für die Demonstration auf der nächsten
Internationalen Paris Air Show vor .
Das US-Konsortium sagte fast nichts über seine Pläne. Im August 2017 veröffentlichte
GE Aviation eine Beschreibung des Konzepts und der enormen Arbeit, die sie für die Entwicklung von Hybridgeneratoren leistet. In einem der Bodenexperimente verwendete GE Aviation einen 1-MW-Motor, um einen Propeller mit 3,3 m Durchmesser zu drehen. In einem anderen verwendete er einen Kompressor des GE F110-Motors, um einen 1-MW-Generator anzutreiben, während der Motor weiterhin für Traktion sorgte.
Legen Sie hier Batterien ein: Dieser Magnus eFusion fuhr Pilot Janusz B. und den Autor des Artikels in Manövern über ein Feld in der Nähe von Budapest.Obwohl nur sehr wenige Informationen über die Arbeit beider Konsortien vorliegen, geht aus den Interviews eindeutig hervor, dass sie sich auf Verbesserungen in vier technologischen Kategorien konzentrieren: Batteriekapazität, Gewicht von Motor und Generator, Effizienz der Leistungselektronik, Materialien und Rahmendesign. Beim Europäischen Konsortium beschäftigt sich Siemens mit Motor, Generator und Elektronik. Darüber hinaus modifizierte das Unternehmen mehrere kleine Flugzeuge und schuf vollelektrische Modelle. Es war der Ansicht, dass es möglich ist, alle Teile wirklich zu optimieren, indem sie alle zusammen im Flugzeug verwendet werden.
„Wir sammeln Erfahrungen mit dem gesamten elektrischen Antriebssystem, alles zwischen Pilot und Propeller“, sagt Frank Anton, Leiter von Siemens eAircraft. "Der einzige Weg, dies zu lernen, besteht darin, Technologie im Flug zu senden."
Elektromotoren können relativ klein und leicht sein, was viele Möglichkeiten eröffnet. Sie können ein paar kleine Schrauben an den Flügeln anbringen und drehen, um das Abheben zu erleichtern. Die NASA untersucht sogar ein Schema mit einer Reihe kleiner Schrauben entlang der gesamten Länge des Flügels, die den Luftstrom ordnungsgemäß über die Oberfläche lenken und das
Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand erhöhen. Infolgedessen können Flügel kürzer und dünner gemacht werden.
"Trennen Sie die Generation vom Motor", sagt Anton, "und plötzlich haben Sie eine Menge verschiedener Optionen für die Schubvektorisierung."
Die Hauptaufgabe, das Gewicht eines Elektrizitätswerks zu reduzieren, hängt von zwei Dingen ab. Erstens ist es notwendig, die Energiedichte von Batterien zu erhöhen, die reibungslos wachsen, zumindest bis moderne Lithium-Ionen-Batterien einer völlig neuen Technologie wie
Eisen-Luft-Batterien Platz machen . Zweitens sollte auch die Energiedichte des Systems von Motor und Generator zunehmen. Dies ist ein Siemens-Geschäft.
In der Nase des Flugzeugs von Siemens, das Kunstflug ausführen kann, sitzt
das Flugzeugtriebwerk SP260D , das mit einem Gewicht von 50 kg und einer Leistung von 260 kW ein erstaunliches Verhältnis von 5,2 kW / kg aufweist. Ein anderes Flugzeug, das nicht alle Kunstflüge ausführen kann, hat das gleiche Verhältnis, obwohl es eineinhalb Mal größer ist. Extra flog 2016 erstmals in Deutschland vor Publikum. 2017 stellte er einen Rekord für Elektroflüge auf und brach die Messlatte mit einer Geschwindigkeit von 340 km / h. Die Ingenieure von Siemens arbeiten aktiv daran, die Energiedichte des Motors weiter zu erhöhen.
In einem Forschungszentrum in Budapest bringt mich Balasz zu einer Werkbank in einem Labor und gibt mir ein halbgeschnittenes Motorteil. Dies ist ein Teil des Stators - der stationäre Teil, um den sich der Rotor dreht - und in seinem Abschnitt sind senkrechte Abschnitte der Kupferwicklung zu sehen, die wie Ziegel zueinander passen. Diese Unkompliziertheit ist eine Schlüsselmethode, um ein hohes Energieniveau zu erreichen. Es verbleibt kein Luftspalt, der die Wärmeabfuhr von den Drähten zum flüssigkeitsgekühlten Gehäuse beeinträchtigen könnte. Diese Wärme muss von der Isolierung der Drähte abgeführt werden, da sie sonst schmilzt und
ein Kurzschluss auftritt .
„Wir brauchen eine homogenere Wärmeübertragung, die ein Runddraht bieten kann, und wir hoffen auch auf eine verbesserte elektrische Isolierung - all dies ist für das Flugzeugtriebwerk von Bedeutung“, sagt Balash. Siemens bestellt dieses Kabel speziell bei
Furukawa Electric Co. , Japanischer Lieferant.
Hier forschen die Ingenieure täglich und reduzieren das Übergewicht von Gramm pro Gramm. Dieser zeitaufwändige Ansatz macht diese handgefertigten Edelsteine teurer als jede Rolex. Wenn ich das Ersatzteil anhebe, um sein Gewicht abzuschätzen, schaudert Balash erheblich. Ich lege es vorsichtig zurück.
Er sagt, dass in einigen Jahren jährlich Tausende dieser Motoren für den Einsatz in Lufttaxis hergestellt werden, die, wie Siemens und alle seine Konkurrenten in der Region vorhersagen, unsere Städte im Stil von Heuschrecken überfluten werden. Damals würden die Kosten für die Herstellung von Motoren sinken, vielleicht sogar niedriger als die Kosten der heutigen vergleichbaren Verbrennungsmotoren, die aus Hunderten von Teilen bestehen und unzählige komplexe mechanische Wechselwirkungen ausführen.
Aber die Arbeit, das Übergewicht von Gramm für Gramm zu beseitigen, weicht schließlich revolutionären Verbesserungen. Eine davon ereignete sich in den frühen 1980er Jahren, als General Motors und Sumitomo Special Metals unabhängig voneinander Hochleistungs-Neodym-Magnete in Motoren einführten. Die nächste Umdrehung wird mit Elektromagneten verbunden sein, deren Wicklung aus supraleitenden Drähten bestehen wird.
Mit einer solchen Wicklung verliert der Motorgenerator praktisch keine Energie in Form von Streuwärme - aber dieser Traum wird erst nach dem Erscheinen von Hochtemperatursupraleitern verwirklicht. Keramische Materialien erreichen jetzt eine Supraleitung bei
Temperaturen von -135 ° C , was 100 ° C wärmer ist als das ursprüngliche Metall. Anstatt die Drähte mit flüssigem Helium zu kühlen, das nicht viel höher als der absolute Nullpunkt ist, können sich Konstrukteure auf flüssigen Stickstoff verlassen.
Siemens arbeitet seit fast zwei Jahrzehnten an diesem Konzept. Zunächst plante das Unternehmen, supraleitende Motoren auf Schiffen zu platzieren, bei denen Platz und Gewicht besonders wichtig sind. Und dennoch ist die aktuelle Version ihres Motors (als Generator verwendet) ein solcher Schrank, die Höhe ist größer als die Größe einer Person. Daher beschäftigen sich die Ingenieure des Unternehmens mit der Miniaturisierung für den Einsatz in der Luftfahrt. Die Zielleistungsdichte beträgt 10 Watt pro Gramm. Siemens hat mir diese Entwicklungen nicht gezeigt - nur ein Bild einer größeren Maschine mit Kühlung und ein Diagramm einer zukünftigen Luftfahrtversion.
Andere Unternehmen zielen ebenfalls darauf ab. GE Aviation arbeitet an kryogen gekühlten Triebwerken für die NASA, hat jedoch keine Details bekannt gegeben. Alle diese Unternehmen schweigen; Möglicherweise möchten sie die Karten nicht aufdecken, oder sie haben vorerst nichts zu zeigen. In jedem Fall
schätzt die
NASA, dass Passagierflugzeuge mit kryogenen Systemen mit einer Leistung von 30 MW oder weniger erst Mitte der 2030er Jahre erscheinen werden.
Um die Vorteile eines supraleitenden Motors - und eines Generators in einem Hybridsystem - voll ausnutzen zu können, müssen supraleitende Wechselrichter geschaffen werden. Die NASA arbeitet mit GE zusammen, um eine zu produzieren, die mit 19 kW / kg und einem Wirkungsgrad von 99% betrieben werden kann.
Die Integration des Motors in den Hybridkreislauf - wahrscheinlich mit einer Gasturbine zum Drehen des Generators - ist noch im Gange. Die Ingenieure von Siemens simulieren zunächst alles in einem Computer, in einer interaktiven Simulation, von der aus sie mir nur ein paar Bilder auf dem Bildschirm zeigten. Dies war Teil der Simulation einer konventionell gekühlten Maschine. "Es ist ein sequentieller Hybrid, und die Simulation zeigt uns die Energieverteilung", sagt Balash.
Derzeit werden Gasturbineneinheiten hauptsächlich als Notstrom für Stromnetze verwendet, bei denen das Gewicht der Komponenten keine Rolle spielt. Allerdings
Viele moderne Militärflugzeuge beziehen Strom aus Turbinen, die entweder von Strahltriebwerkskompressoren oder vom Luftstrom angetrieben werden.
Es mag den Anschein haben, als würde zu viel Aufwand betrieben, um ein paar Kilogramm zu sparen - aber hier kommt es auf alles an. Ein Kilogramm, das beim Gewicht des Motors eingespart wird, gibt den Batterien wertvolle zusätzliche Pfunde. Als United Airlines
kürzlich damit begann, sein Passagiermagazin auf Papier
zu drucken, das weniger als gewöhnlich wog und 28 Gramm pro Zimmer oder etwa 5 Kilogramm pro Flug einsparte, sparte dies den Unternehmen jährlich 640.000 Liter Treibstoff oder 290.000 US-Dollar.
Aus diesem Grund verwenden neue Verkehrsflugzeuge wie die Boeing 787 so viele mit Kohlefaser verstärkte Polymere. Magnus eFusion macht dasselbe - um ein Flugzeug aus dem Hangar zu rollen, reichen die Anstrengungen einer Person aus.
Lassen Sie uns schnell zum Endprodukt vorspulen. Es wird in zehn Jahren erscheinen, und die Fluggesellschaften werden so leise Hybridflugzeuge einsetzen, dass sie nachts über die Stadt fliegen können. Dank der rotierenden Schrauben können sie von kürzeren Bändern abheben, die sich möglicherweise direkt im Jahr befinden. Sie sparen Energie aufgrund von Effizienz und geringem Gewicht. Dies bedeutet, dass ihre Wartung und ihr Besitz billiger sind - heutige Flugzeuge haben die gegenteilige Situation, da die Kosten für ihre Wartung um ein Vielfaches höher sind als der Kaufpreis.
Ein Haken: In den nächsten zehn Jahren werden einfache Hybride nur geringfügig umweltfreundlicher sein als herkömmliche Flugzeuge. Eine spürbare Verbesserung wird sich aus Skaleneffekten ergeben, wenn Hybride es der Industrie ermöglichen, möglicherweise bereits in den 2030er Jahren auf vollelektrische Flugzeuge umzusteigen. „Durch die Hybridisierung können wir zwischen 4% und 20% Energie sparen“, sagt Otto Olaf, Leiter Vertrieb und Geschäftsentwicklung im Siemens-Büro in München. "Wenn wir das Flugzeug vollständig elektrifizieren, werden die Einsparungen noch größer sein."
Ebenso sind Luftfahrtunternehmen daran interessiert, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. „Die EU-Initiative
Flight Path 2050 versucht, die Emissionen um mehr als das Zweifache zu senken“, sagt Anton von Siemens. „Bis dahin hätte sich der Passagierverkehr verdoppeln müssen, sodass wir mindestens eine vierfache Verbesserung benötigen.“
Es ist unklar, wie genau diese Zahlen erhalten werden. Der einfachste Weg, Emissionen zu vergleichen, ist mit Passagiermeilen. Es wird ehrlicher sein, die erwartete Stromquelle zu berücksichtigen, die am Boden erzeugt und zur späteren Verwendung in der Luft in Batterien gespeichert werden kann. Bei den Berechnungen muss auch berücksichtigt werden, wie viel Energie zur Herstellung von Batterien, Triebwerken, ultraleichten Carbon-Verbundteilen des Flugzeugs und allem anderen verwendet wird.
Dieselbe Initiative der Europäischen Union zielt darauf ab, den Fluglärm bis 2050 zu halbieren. , . , ,
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