Motor listrik di udara akan muncul sama dengan yang muncul di tanah - pertama baterai akan digunakan untuk membantu mesin membakar bahan bakar
Pada 31 Mei 2018, sebuah pesawat listrik Magnus eFusion dengan mesin Siemens jatuh di Hongaria . Pilotnya, Janusz B., disebutkan dalam artikel itu, dan penumpang itu meninggal. Siemens bekerja sama dengan pihak berwenang setempat untuk menyelidiki penyebab kecelakaan itu.Saya duduk di kokpit salah satu pesawat paling menakjubkan di dunia. Ini adalah pesawat eFusion ringan dua tempat duduk, yang diproduksi oleh
Magnus Aircraft , dilengkapi dengan motor dari Siemens - perusahaan besar, yang terkenal karena kontribusinya terhadap penerbangan. Aku melepaskan kakiku dari pedal kontrol tepat sebelum pilot menyalakan mobilnya.
Baling-baling langsung mulai berputar dan menjadi hampir tidak terlihat. Tetapi pada saat yang sama ada keheningan sehingga kita dapat dengan mudah berkomunikasi tanpa headset. Ini adalah tanda pertama bahwa pesawat ini ditenagai oleh listrik.
Kami mulai berguling di sepanjang landasan pacu kecil di lapangan berumput Budapest. 10 pagi, langit cerah, peternakan terlihat di kejauhan. Tiba-tiba kami melompat ke langit dan mulai memanjat dengan curam, rumah-rumah pertanian menyusut dengan lembut. Sapi-sapi di bawah bahkan tidak melihat ke atas. Akselerasi cepat ini, yang setara dengan penerbangan dari mode pengoperasian Tesla Model S Ludicrous, adalah tanda lain dari motor listrik. Anda mendapatkan semua kemampuan motor, dan segera.
Lalu kami menyelam, menyimpang ke samping dan bangkit lagi, meninggalkan perutku di belakang. Tidak buruk untuk pesawat sederhana yang mampu sedikit aerobatik, seperti yang dikatakan Gergely György Balázs, kepala Kantor Penelitian Budapest, kepada saya, seolah meminta maaf sebelum naik ke pesawat. Untungnya bagi saya, pilot model, yang mampu melakukan semua aerobatik, sedang menjalankan bisnis.
Setelah 15 menit yang menyegarkan, baterainya setengah penuh, kurang dari 10 kWh, dan tiba saatnya mendarat. Ini adalah tanda terakhir dari motor listrik. Meskipun baterai lithium-ion, yang rak-raknya disembunyikan di dalam casing di depan kabin, hari ini menyimpan lebih banyak energi daripada yang dapat mereka lakukan beberapa tahun yang lalu, mereka tidak mendekati tangki bensin. Jadi di tahun-tahun mendatang, kemampuan semua
pesawat listrik akan dibatasi oleh lompatan pendek, terutama di antara permukiman tetangga, dan bukan antar kota.
Penerbangan bertanggung jawab atas 2-3% dari emisi gas rumah kaca
global . Tetapi efisiensinya per satuan volume dianggap sangat tinggi, karena cukup banyak gas yang dipancarkan di stratosfer. Pangsa penerbangan dalam emisi diperkirakan akan tumbuh pesat selama beberapa dekade mendatang, dengan peningkatan jumlah penerbangan dan penurunan emisi dari sumber lain - khususnya, dari pembangkitan listrik dan mobil.
Pada tahun 2016, 23 negara menandatangani perjanjian untuk membatasi emisi karbon dari pesawat, yang harus dimulai pada tahun 2020, sesuai dengan standar yang dikembangkan oleh Organisasi Penerbangan Sipil Internasional, ICAO (Organisasi Penerbangan Sipil Internasional), sebuah badan PBB. Oleh karena itu, para peneliti di seluruh dunia berupaya mencari cara untuk memenuhi keterbatasan ini.
Tetapi bagaimana pesawat listrik, terbatas pada jarak yang sangat kecil, dapat membantu? Mereka dianggap sebagai langkah penting dalam evolusi teknologi dalam penerbangan, yang akan mengulangi migrasi, mulai sekarang, dari industri otomotif dari mesin pembakaran internal ke motor listrik. Dalam 15 tahun, pesawat penumpang hibrida yang menggabungkan listrik dan bahan bakar dapat mulai bekerja pada penerbangan jarak pendek dan menengah. Hibrida akan membakar bahan bakar, tetapi lakukan dengan hemat.
Konsep langit biru. Mampu aerobatik, versi Extra 330LE, sebuah pesawat ringan yang dimodifikasi oleh Siemens untuk dijalankan dengan listrik. Pada tes awal akhir 2016, ia mencetak rekor untuk ketinggian penerbangan listrik, naik 3.000 meter dalam 4 menit 22 detik.“Kita dapat membuat perbedaan besar pada skala pesawat pelatihan kecil yang ditenagai oleh listrik, karena fisika tidak bekerja melawan kita di sana,” kata George Bai, direktur
Bye Aerospace , yang memasok
pesawat pelatihan listrik dengan Siemens. “Tetapi untuk meningkatkan kecepatan dan massa yang dibutuhkan untuk liner, perlu beralih ke instalasi hybrid. Industri ini secara aktif mengerjakan ini. ”
Sejauh ini, hibrida diperlukan karena, meskipun bahan bakar penerbangan memberikan energi 12,500 W * h per kilogram, baterai lithium-ion hanya memberikan 160 W * h / kg, mengingat bobot baterai dan semua peralatan lain yang memastikan keamanannya.
Untuk meningkatkan hibrida di udara akan membutuhkan banyak terobosan teknologi. Secara alami, mereka akan muncul sebagai hasil dari program penelitian dan pengembangan. Tetapi mereka juga akan muncul berkat upaya, seperti yang dilakukan oleh Siemens, untuk menempatkan pesawat pelatihan listrik ke dalam operasi, dan, kemungkinan besar, yang paling penting, untuk upaya menciptakan industri taksi udara perkotaan dalam sesuatu seperti drone yang tumbuh terlalu besar. Siemens sendiri bekerja sama dengan
Helikopter Airbus pada satu proyek seperti listrik, CityAirbus. Secara paralel, Airbus sedang mengerjakan proyek
Vahana yang sedang mengembangkan anak perusahaan Silicon Valley. Ada banyak start-up lainnya, termasuk
Ehang Cina, demonstrasi pertama penerbangan penumpang yang terjadi tahun ini, ketika seorang insinyur membawa octocopter perusahaan ke langit.
Dalam penerbangan, sebagian besar hibrida didasarkan pada arsitektur yang konsisten di mana mesin pembakaran bahan bakar - baik mesin pembakaran internal atau turbin - memberi makan generator yang menggerakkan motor listrik, baling-baling putar, dan pengisian baterai. Dalam desain ini, baterai memberikan ledakan energi jangka pendek yang dibutuhkan untuk lepas landas, yang memungkinkan teknisi menyempurnakan mesin pembakaran bahan bakar sehingga beroperasi pada kecepatan ideal. Mesin jet masif yang tergantung dari sayap pesawat Anda beroperasi dengan daya penuh hanya saat lepas landas; sepanjang waktu mereka, secara kasar, menganggur dan hanya menambah bobot pesawat.
Ada manfaat lainnya. Dengan mendistribusikan daya pada kawat, dengan desain hibrida, Anda dapat menempatkan sekrup tepat di tempat yang Anda butuhkan, tanpa melengkapi semuanya, hanya berdasarkan pada lokasi mesin besar. Beberapa sirkuit hybrid mencoba memposisikan baling-baling di belakang pesawat atau bahkan pada stabilizer vertikal.
Dua konsorsium utama mengerjakan hibrida. Di Eropa, Airbus
berkolaborasi dengan Siemens dan
Rolls-Royce dalam aliansi yang terpisah dari proyek CityAirbus. Di AS, Boeing dan JetBlue adalah bagian dari proyek bersaing yang dijalankan oleh startup
Zunum Aero , yang berbasis di Kirkland, Washington. Kedua konsorsium berharap untuk meningkatkan hibrida di udara pada awal 2020-an.
Airbus berencana untuk memulai dengan versi modifikasi dari pesawat yang ada, British Aerospace 146 untuk 100 kursi, di mana salah satu dari empat gondola di sayap tidak akan memegang mesin, tetapi motor listrik dua megawatt. Ini akan menerima energi dari generator yang diputar oleh turbin gas kecil yang terletak di badan pesawat (karena itu tidak mengalami hambatan udara). Jika sistem kelistrikan gagal, pesawat akan dapat terbang dengan tiga baling-baling yang digerakkan oleh motor konvensional. Airbus
sedang mempersiapkan hibrida untuk demonstrasi di
International Paris Air Show berikutnya .
Konsorsium A.S. hampir tidak mengatakan apa pun tentang rencananya. Pada Agustus 2017,
GE Aviation mengeluarkan deskripsi konsep dan pekerjaan luar biasa yang dia klaim sedang berlangsung untuk membuat generator hibrida. Dalam salah satu percobaan darat, GE Aviation menggunakan motor 1 MW untuk memutar baling-baling berdiameter 3,3 m, dan di lain, menggunakan kompresor dari mesin GE F110 untuk memberi daya pada generator 1 MW, sementara mesin terus memberikan traksi.
Masukkan baterai di sini: Magnus eFusion ini mengemudikan pilot Janusz B. dan penulis artikel dalam manuver di atas lapangan dekat Budapest.Meskipun ada sangat sedikit informasi tentang kerja kedua konsorsium, itu jelas mengikuti dari wawancara bahwa mereka fokus pada peningkatan dalam empat kategori teknologi: kapasitas baterai, berat motor dan generator, efisiensi daya elektronik, bahan dan desain bingkai. Di Konsorsium Eropa, Siemens bergerak dalam bidang motor, generator, dan elektronik. Selain itu, perusahaan memodifikasi beberapa pesawat kecil, membuat model sepenuhnya listrik, percaya bahwa adalah mungkin untuk benar-benar mengoptimalkan semua bagian hanya dengan menggunakan mereka bersama-sama di pesawat.
“Kami mendapatkan pengalaman menggunakan seluruh sistem propulsi listrik, semuanya antara pilot dan propeller,” kata Frank Anton, kepala Siemens eAircraft. "Satu-satunya cara untuk mempelajari ini adalah mengirim teknologi dalam penerbangan."
Motor listrik bisa relatif kecil dan ringan, yang membuka banyak kemungkinan. Anda dapat memasang banyak sekrup kecil di sayap, dan memutarnya untuk memudahkan tinggal landas. NASA bahkan mempelajari skema dengan sekelompok sekrup kecil yang terletak di sepanjang sayap, yang secara tepat mengarahkan aliran udara ke permukaan, dan meningkatkan
rasio daya angkat ke gaya tarik . Hasilnya, sayap bisa dibuat lebih pendek dan lebih tipis.
"Pisahkan generasi dari mesin," kata Anton, "dan tiba-tiba Anda memiliki satu ton opsi vektorisasi dorong yang berbeda."
Tugas utama mengurangi berat pembangkit listrik tergantung pada dua hal. Pertama, perlu untuk meningkatkan kepadatan energi baterai, yang akan tumbuh dengan lancar, setidaknya sampai baterai lithium-ion modern memberi jalan kepada teknologi yang sama sekali baru, seperti
baterai udara-besi . Kedua, kepadatan energi sistem dari motor dan generator juga harus meningkat. Ini adalah bisnis Siemens.
Di hidung pesawat dari Siemens, mampu melakukan aerobatik, duduk
mesin pesawat SP260D mereka , yang, dengan berat 50 kg dan kekuatan 260 kW, memiliki rasio 5,2 kW / kg yang luar biasa. Pesawat lain, tidak mampu melakukan semua aerobatik, memiliki rasio yang sama, meskipun ukurannya satu setengah kali lebih besar. Extra first terbang di depan publik pada tahun 2016 di Jerman. Pada 2017, ia mencetak rekor untuk penerbangan listrik, memecahkan bar pada kecepatan 340 km / jam. Insinyur Siemens secara aktif bekerja untuk lebih meningkatkan kepadatan energi motor.
Di sebuah pusat penelitian di Budapest, Balasz membawa saya ke meja kerja di laboratorium dan memberikan saya bagian motor yang setengah terpotong. Ini adalah bagian dari stator - bagian yang tidak bergerak di mana rotor berputar - dan pada bagiannya terlihat bagian-bagian yang berliku-liku dari belitan tembaga, saling cocok seperti batu bata. Kesederhanaan ini adalah metode utama untuk mencapai tingkat energi yang tinggi. Itu tidak meninggalkan celah udara yang dapat mengganggu pemindahan panas dari kabel ke casing berpendingin cair. Panas ini harus dihilangkan dari isolasi kabel, atau akan meleleh dan
korsleting akan terjadi .
"Kami membutuhkan transfer panas yang lebih homogen yang dapat diberikan oleh kawat bundar, dan kami juga berharap untuk meningkatkan isolasi listrik - semua ini penting untuk mesin pesawat," kata Balash. Siemens secara khusus memesan kabel ini dari
Furukawa Electric Co. , Pemasok Jepang.
Di sini, para insinyur melakukan penelitian setiap hari, memotong kelebihan berat gram per gram. Pendekatan yang memakan waktu ini membuat permata buatan tangan ini lebih mahal daripada Rolex mana pun. Ketika saya mengangkat suku cadang untuk memperkirakan beratnya, Balash secara signifikan bergidik. Hati-hati aku mengembalikannya.
Dia mengatakan bahwa dalam beberapa tahun, ribuan mesin ini akan diproduksi setiap tahun untuk digunakan dalam taksi udara, yang diprediksi oleh Siemens dan semua pesaingnya di wilayah tersebut, akan membanjiri kota-kota kita dengan gaya belalang. Saat itulah biaya mesin produksi akan turun, bahkan mungkin lebih rendah daripada biaya mesin pembakaran internal yang sebanding saat ini, yang terdiri dari ratusan bagian dan melakukan interaksi mekanis kompleks yang tak terhitung jumlahnya.
Tetapi pekerjaan menghilangkan kelebihan berat gram demi gram akhirnya memberi jalan bagi perbaikan revolusioner. Salah satunya terjadi pada awal 1980-an ketika General Motors dan Sumitomo Special Metals secara mandiri memperkenalkan magnet neodymium tugas berat pada motor. Revolusi berikutnya akan dikaitkan dengan elektromagnet, yang belitannya akan terdiri dari kabel superkonduktor.
Dengan belitan seperti itu, motor-generator praktis tidak akan kehilangan energi dalam bentuk panas nyasar - tetapi mimpi ini hanya akan terwujud setelah munculnya superkonduktor suhu tinggi. Bahan keramik sekarang mencapai superkonduktivitas pada
suhu -135 ° C , yang 100 ° C lebih hangat daripada logam asli. Jadi, alih-alih mendinginkan kabel dengan helium cair, tidak jauh lebih tinggi dari nol absolut, desainer dapat mengandalkan nitrogen cair.
Siemens telah mengerjakan konsep ini selama hampir dua dekade. Awalnya, perusahaan berencana untuk menempatkan motor superkonduktor di kapal, di mana ruang dan berat sangat penting. Dan tetap saja, versi mesin mereka saat ini (digunakan sebagai generator) adalah kabinet yang demikian, tingginya lebih tinggi dari ketinggian seseorang. Oleh karena itu, para insinyur perusahaan terlibat dalam miniaturisasi untuk digunakan dalam penerbangan. Kepadatan daya target adalah 10 watt per gram. Siemens tidak menunjukkan kepada saya perkembangan ini - hanya gambar mesin yang lebih besar dengan pendingin, dan diagram versi penerbangan masa depan.
Perusahaan lain juga menargetkan ini. GE Aviation bekerja pada mesin berpendingin cryogenic untuk NASA, tetapi belum mengungkapkan rinciannya. Semua perusahaan ini diam; mereka mungkin tidak ingin mengungkapkan kartu-kartu itu, atau mereka tidak punya apa-apa untuk ditunjukkan untuk saat ini. Bagaimanapun,
NASA memperkirakan bahwa pesawat penumpang dengan sistem kriogenik dengan kapasitas 30 MW atau kurang tidak akan muncul hingga setidaknya pertengahan 2030-an.
Untuk mengambil keuntungan penuh dari keuntungan motor superkonduktor - dan generator, dalam sistem hibrida - perlu untuk membuat inverter superkonduktor. NASA bekerja sama dengan GE untuk menghasilkan satu yang mampu beroperasi pada 19 kW / kg dengan efisiensi 99%.
Mengintegrasikan motor ke dalam sirkuit hybrid - mungkin menggunakan turbin gas untuk memutar generator - masih dalam proses. Insinyur Siemens pertama mensimulasikan segala sesuatu di komputer, dalam simulasi interaktif, dari mana mereka menunjukkan kepada saya hanya beberapa frame di layar. Ini adalah bagian dari simulasi mesin yang didinginkan secara konvensional. "Ini adalah hibrida berurutan, dan simulasi menunjukkan kepada kami distribusi daya," kata Balash.
Saat ini, unit turbin gas terutama digunakan sebagai daya cadangan untuk jaringan listrik, di mana bobot komponen tidak menjadi masalah. Namun demikian
banyak pesawat militer modern mengambil listrik dari turbin yang ditenagai oleh kompresor mesin jet atau aliran udara.
Kelihatannya terlalu banyak usaha dihabiskan untuk menghemat beberapa kilogram - tetapi di sini setiap hal kecil penting. Satu kilogram yang dihemat dari berat motor memberikan pound ekstra yang berharga untuk baterai. Ketika United Airlines
baru-baru ini mulai mencetak majalah penumpangnya di atas kertas dengan berat kurang dari biasanya, menghemat 28 gram per kamar, atau sekitar 5 kilogram per penerbangan, ini akan menghemat perusahaan 640.000 liter bahan bakar per tahun, atau $ 290.000.
Itulah sebabnya pesawat baru, seperti Boeing 787, menggunakan begitu banyak polimer yang diperkuat dengan serat karbon. Magnus eFusion melakukan hal yang sama - untuk mengeluarkan pesawat dari hanggar, upaya satu orang sudah cukup.
Mari kita maju ke produk akhir. Ini akan muncul dalam sepuluh tahun, dan maskapai akan menggunakan pesawat hibrida yang sunyi sehingga mereka dapat terbang di atas kota pada malam hari. Berkat sekrup yang berputar, mereka dapat lepas landas dari band yang lebih pendek, mungkin terletak tepat di tahun ini. Mereka akan menghemat energi karena efisiensi dan berat badan rendah. Ini berarti bahwa perawatan dan kepemilikan mereka akan lebih murah - pesawat saat ini memiliki situasi yang berlawanan, karena biaya perawatan mereka jauh lebih tinggi daripada harga pembelian.
Satu tangkapan: dalam sepuluh tahun ke depan, hibrida sederhana hanya akan sedikit lebih ramah lingkungan daripada pesawat konvensional. Peningkatan nyata akan terjadi sebagai akibat dari skala ekonomis, ketika hibrida memungkinkan industri untuk beralih ke pesawat listrik sepenuhnya, mungkin pada awal 2030-an. "Hibridisasi akan memungkinkan kita menghemat energi antara 4% dan 20%," kata Otto Olaf, kepala penjualan dan pengembangan bisnis di kantor Siemens Munich. "Jika kita sepenuhnya menyetrum pesawat, penghematannya akan lebih besar."
Demikian juga, maskapai penerbangan tertarik untuk mengurangi emisi gas rumah kaca. “Inisiatif
Jalur Penerbangan 2050 UE sedang berupaya mengurangi emisi lebih dari 2 kali,” kata Anton dari Siemens, “tetapi pada saat itu lalu lintas penumpang harusnya berlipat ganda, jadi kami membutuhkan setidaknya peningkatan empat kali lipat.”
Tidak jelas bagaimana tepatnya angka-angka ini diperoleh. Cara termudah untuk membandingkan emisi adalah dengan mil penumpang. Akan lebih jujur untuk memperhitungkan sumber listrik yang diharapkan yang dapat dihasilkan di darat dan disimpan dalam baterai untuk digunakan nanti di udara. Dalam perhitungan, perlu juga memperhitungkan berapa banyak energi yang digunakan untuk memproduksi baterai, mesin, bagian komposit karbon ultra-ringan dari pesawat dan segala sesuatu yang lain.
Inisiatif yang sama dari Uni Eropa ditujukan untuk mengurangi separuh kebisingan pesawat pada tahun 2050.
Ternyata sekarang ini adalah motivasi terbesar bagi industri pesawat terbang. Untuk memenuhi pembatasan penerbangan malam hari, maskapai penerbangan terkadang membelanjakan uang untuk meredam pesawat tua yang berprofil tinggi."Kejutan besar adalah ketika Siemens mulai berbicara dengan maskapai penerbangan," kata Anton. - Saya selalu percaya bahwa pengoperasian mesin yang tenang adalah prioritas di tempat ketiga, setelah energi dan emisi. Dan sekarang ini adalah prioritas pertama. "Ini bukan teknologi pertama yang berhasil diterapkan karena alasan yang tidak terkait dengan pemanasan global. Orang membeli Prius hibrida untuk menghemat bensin; mereka membeli Tesla untuk menyalip Porsche. Maskapai penerbangan akan membeli pesawat terbang hibrida karena operasi mereka yang tenang, dan pengurangan emisi gas rumah kaca akan terbukti hampir menjadi efek samping. Tapi itu akan tetap terjadi.