Os motores elétricos no ar aparecerão da mesma forma que apareceram no chão - primeiro as baterias serão usadas para ajudar o motor a queimar combustível
Em 31 de maio de 2018, um avião elétrico Magnus eFusion com um motor Siemens caiu na Hungria . Seu piloto, Janusz B., mencionado no artigo, e o passageiro morreu. A Siemens está trabalhando com as autoridades locais para investigar as causas do acidente.Estou sentado no cockpit de uma das aeronaves mais incríveis do mundo. Trata-se de uma aeronave leve eFusion de dois lugares, fabricada pela
Magnus Aircraft , equipada com um motor da Siemens - uma empresa enorme, famosa por sua contribuição à aviação. Tiro meus pés dos pedais de controle pouco antes de o piloto ligar o carro.
A hélice instantaneamente começa a girar e se torna quase invisível. Mas, ao mesmo tempo, existe um silêncio tão grande que podemos nos comunicar facilmente sem fones de ouvido. Este é o primeiro sinal de que a aeronave é movida a eletricidade.
Começamos a rolar por uma pequena pista no campo gramado de Budapeste. 10h, céu ensolarado, fazendas visíveis à distância. De repente, pulamos no céu e começamos a subir abruptamente, as casas das fazendas estão encolhendo ternamente. As vacas abaixo nem sequer olham para cima. Essa aceleração rápida, equivalente à aviação do modo de operação Ludicrous Tesla Model S, é outro sinal de um motor elétrico. Você obtém todos os recursos do motor e imediatamente.
Então nós mergulhamos, nos desviamos para o lado e subimos novamente, deixando meu estômago em algum lugar para trás. Nada mal para uma aeronave simples capaz de poucas acrobacias, como Gergely György Balázs, chefe do Escritório de Pesquisa da Siemens em Budapeste, descreveu para mim, como se estivesse se desculpando antes de eu entrar no avião. Felizmente para mim, o piloto do modelo, capaz de todas as acrobacias, estava fora dos negócios.
Após 15 minutos revigorantes, as baterias estavam meio cheias, para menos de 10 kWh, e era hora de pousar. Este é o último sinal de um motor elétrico. Embora as baterias de íon-lítio, cujos racks estejam escondidos em um compartimento em frente à cabine, hoje armazenem muito mais energia do que poderiam há alguns anos, elas não chegam perto do tanque de gasolina. Assim, nos próximos anos, as capacidades de todos os
aviões elétricos serão limitadas por saltos curtos, principalmente entre os assentamentos vizinhos, e não entre as cidades.
A aviação é responsável por 2-3% das emissões
globais de gases de efeito estufa. Porém, sua eficiência por unidade de volume é considerada muito alta, pois muitos gases são emitidos na estratosfera. Espera-se que a participação da aviação nas emissões cresça rapidamente nas próximas décadas, com um aumento no número de vôos e uma diminuição nas emissões de outras fontes - em particular da geração de eletricidade e carros.
Em 2016, 23 países assinaram um acordo para limitar as emissões de carbono de aeronaves, que deve começar em 2020, de acordo com os padrões desenvolvidos pela Organização Internacional de Aviação Civil, ICAO (Organização Internacional de Aviação Civil), uma agência da ONU. Portanto, pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando em maneiras de satisfazer essas limitações.
Mas como os aviões elétricos, limitados a uma distância ridiculamente pequena, podem ajudar? Eles são considerados um passo crítico na evolução tecnológica da aviação, que repetirá a migração, a partir de agora, da indústria automotiva, de motores de combustão interna para motores elétricos. Em 15 anos, aviões híbridos de passageiros que combinam eletricidade e combustível podem começar a trabalhar em voos de curto e médio curso. Os híbridos queimam combustível, mas com moderação.
Conceito de céu azul. Capaz de acrobacias, a versão Extra 330LE, uma aeronave leve modificada pela Siemens para operar com eletricidade. Nos primeiros testes do final de 2016, ele estabeleceu um recorde para a altura dos vôos elétricos, subindo 3.000 metros em 4 minutos e 22 segundos."Podemos fazer uma grande diferença na escala de pequenas aeronaves de treinamento movidas a eletricidade, porque a física não funciona contra nós lá", disse George Bai, diretor da
Bye Aerospace , que fornece
aeronaves de treinamento elétricas à Siemens. “Mas, para aumentar as velocidades e massas necessárias para os revestimentos, é necessário mudar para uma instalação híbrida. A indústria está trabalhando ativamente nisso. ”
Até agora, os híbridos são necessários porque, embora o combustível de aviação ofereça 12.500 W * h de energia por quilograma, as baterias de íon-lítio fornecem apenas 160 W * h / kg, dado o peso das baterias e de todos os outros equipamentos que garantem sua segurança.
Aumentar os híbridos no ar exigirá muitas descobertas tecnológicas. Naturalmente, eles aparecerão como resultado de programas de pesquisa e desenvolvimento. Mas eles também ocorrerão graças a tentativas, como as realizadas pela Siemens, de colocar em operação aeronaves de treinamento elétricas e, provavelmente, o mais importante, a tentativas de criar uma indústria de táxi aéreo urbano em algo como drones abandonados. A própria Siemens está trabalhando com a
Airbus Helicopters em um desses projetos totalmente elétricos, o CityAirbus. Paralelamente, a Airbus está trabalhando em um projeto de
Vahana que está desenvolvendo sua subsidiária no Vale do Silício. Existem muitas outras empresas iniciantes, incluindo o chinês
Ehang , as primeiras demonstrações de voos de passageiros que ocorreram este ano, quando um engenheiro levou o octocóptero da empresa para o céu.
Na aviação, a maioria dos híbridos é baseada em uma arquitetura consistente, na qual um motor de queima de combustível - seja um motor de combustão interna ou uma turbina - alimenta um gerador que alimenta motores elétricos, hélices rotativas e baterias de carregamento. Nesse projeto, as baterias fornecem as rajadas de energia de curto prazo necessárias para decolar, o que permite que os técnicos ajustem os motores que queimam combustível para que operem nas velocidades ideais. Motores a jato maciços pendurados nas asas de sua aeronave operam com potência máxima somente durante a decolagem; o resto do tempo, em geral, estão ociosos e apenas aumentam o peso da aeronave.
Existem outros benefícios. Ao distribuir energia pelo fio, com um design híbrido, você pode posicionar os parafusos exatamente onde precisa, sem equipar tudo, com base apenas na localização dos grandes motores. Alguns circuitos híbridos tentam posicionar as hélices atrás da aeronave ou mesmo em um estabilizador vertical.
Dois consórcios principais trabalham com híbridos. Na Europa, a Airbus
colaborou com a Siemens e a
Rolls-Royce em uma aliança separada do projeto CityAirbus. Nos EUA, a Boeing e a JetBlue fazem parte de um projeto concorrente executado pela startup
Zunum Aero , com sede em Kirkland, Washington. Ambos os consórcios esperam aumentar os híbridos no ar no início dos anos 2020.
A Airbus planeja começar com uma versão modificada da aeronave existente, British Aerospace 146, para 100 assentos, na qual uma das quatro gôndolas nas asas não terá um motor, mas um motor elétrico de dois megawatts. Ele receberá energia de um gerador rotacionado por uma pequena turbina a gás localizada na fuselagem (devido à qual não possui resistência ao ar). Se o sistema elétrico falhar, a aeronave poderá voar com três hélices acionadas por motores convencionais. A Airbus
está preparando um híbrido para demonstração no próximo
International Paris Air Show .
O Consórcio dos EUA não disse quase nada sobre seus planos. Em agosto de 2017, a
GE Aviation publicou uma descrição do conceito e o tremendo trabalho que ela afirma estar em andamento para criar geradores híbridos. Em um dos experimentos no solo, a GE Aviation usou um motor de 1 MW para girar uma hélice de 3,3 m de diâmetro, e outro usou um compressor do motor GE F110 para alimentar um gerador de 1 MW, enquanto o motor continuava a fornecer tração.
Coloque as baterias aqui: este Magnus eFusion conduziu o piloto Janusz B. e o autor do artigo em manobras sobre um campo perto de Budapeste.Embora haja muito pouca informação sobre o trabalho de ambos os consórcios, segue-se claramente das entrevistas que eles se concentram em melhorias em quatro categorias tecnológicas: capacidade da bateria, peso do motor e gerador, eficiência da eletrônica de potência, materiais e design da estrutura. No Consórcio Europeu, a Siemens está envolvida em motores, geradores e eletrônicos. Além disso, a empresa modificou várias aeronaves pequenas, criando modelos totalmente elétricos, acreditando que é possível otimizar verdadeiramente todas as peças apenas usando-as todas juntas no avião.
"Estamos ganhando experiência usando todo o sistema de propulsão elétrica, tudo entre o piloto e a hélice", diz Frank Anton, chefe da Siemens eAircraft. "A única maneira de aprender isso é enviar tecnologia em vôo".
Os motores elétricos podem ser relativamente pequenos e leves, o que abre muitas possibilidades. Você pode instalar um monte de pequenos parafusos nas asas e girá-los para facilitar a decolagem. A NASA está até estudando um esquema com um monte de pequenos parafusos localizados ao longo de todo o comprimento da asa, que direcionam adequadamente o fluxo de ar sobre a superfície e aumentam a
proporção de sustentação por arrasto . Como resultado, as asas podem ser mais curtas e finas.
“Separe a geração do mecanismo”, diz Anton, “e de repente você tem várias opções diferentes de vetorização de impulso.”
A principal tarefa de reduzir o peso de uma usina elétrica depende de duas coisas. Primeiro, é necessário aumentar a densidade de energia das baterias, que crescerá sem problemas, pelo menos até que as modernas baterias de íon-lítio dêem lugar a uma tecnologia completamente nova, como
as baterias de ferro-ar . Em segundo lugar, a densidade de energia do sistema do motor e do gerador também deve aumentar. Este é um negócio da Siemens.
No nariz da aeronave da Siemens, capaz de realizar acrobacias, está
o motor da aeronave SP260D , que, com um peso de 50 kg e uma potência de 260 kW, possui uma incrível relação de 5,2 kW / kg. Outra aeronave, incapaz de todas as acrobacias, tem a mesma proporção, embora seu tamanho seja uma vez e meia maior. Extra primeiro voou na frente do público em 2016 na Alemanha. Em 2017, ele estabeleceu um recorde para voos elétricos, quebrando a fasquia a uma velocidade de 340 km / h. Os engenheiros da Siemens estão trabalhando ativamente para aumentar ainda mais a densidade de energia do motor.
Em um centro de pesquisa em Budapeste, Balasz me leva a uma bancada de trabalho em um laboratório e me entrega uma peça de motor semi-cortada. Isso faz parte do estator - a parte estacionária em torno da qual o rotor gira - e em sua seção são vistas seções perpendiculares do enrolamento de cobre, combinando-se como tijolos. Essa franqueza é um método essencial para atingir altos níveis de energia. Não deixa um espaço de ar que possa interferir na remoção de calor dos fios para o gabinete resfriado a líquido. Esse calor deve ser removido do isolamento dos fios, ou derreterá e
ocorrerá um curto-circuito .
“Precisamos de uma transferência de calor mais homogênea que um fio redondo possa fornecer, e também esperamos melhorar o isolamento elétrico - tudo isso importa para o motor da aeronave”, diz Balash. A Siemens encomenda especificamente este cabo da
Furukawa Electric Co. , Fornecedor japonês.
Aqui, os engenheiros realizam pesquisas diárias, cortando o excesso de peso de gramas por grama. Essa abordagem demorada torna essas gemas artesanais mais caras do que qualquer Rolex. Quando levanto a peça de reposição para estimar seu peso, o Balash estremece significativamente. Eu cuidadosamente coloco de volta.
Ele diz que em alguns anos, milhares desses motores serão fabricados anualmente para uso em táxis aéreos, que, como prevêem a Siemens e todos os seus concorrentes na região, inundarão nossas cidades no estilo de gafanhotos. Foi então que o custo de produção de motores cairia, talvez até menor do que o custo dos atuais motores de combustão interna comparáveis, consistindo em centenas de peças e realizando inúmeras interações mecânicas complexas.
Mas o trabalho de eliminar o excesso de peso de grama por grama acaba dando lugar a melhorias revolucionárias. Uma delas aconteceu no início dos anos 80, quando a General Motors e a Sumitomo Special Metals introduziram independentemente ímãs de neodímio para motores pesados. A próxima revolução será associada aos eletroímãs, cujo enrolamento consistirá em fios supercondutores.
Com esse enrolamento, o gerador motor praticamente não perde energia na forma de calor disperso - mas esse sonho só será realizado após o surgimento de supercondutores de alta temperatura. Agora, os materiais cerâmicos atingem supercondutividade a
temperaturas de -135 ° C , que é 100 ° C mais quente que o metal original. Portanto, em vez de resfriar os fios com hélio líquido, não muito acima do zero absoluto, os projetistas podem contar com nitrogênio líquido.
A Siemens trabalha nesse conceito há quase duas décadas. Inicialmente, a empresa planejava colocar motores supercondutores em navios, onde espaço e peso são especialmente importantes. E ainda assim, a versão atual de seu mecanismo (usado como gerador) é um gabinete, pois a altura é maior que a altura de uma pessoa. Portanto, os engenheiros da empresa estão envolvidos em sua miniaturização para uso na aviação. A densidade de potência alvo é de 10 watts por grama. A Siemens não me mostrou esses desenvolvimentos - apenas uma imagem de uma máquina maior com refrigeração e um diagrama de uma versão futura da aviação.
Outras empresas também estão mirando isso. A GE Aviation está trabalhando em motores de refrigeração criogênica para a NASA, mas não divulgou detalhes. Todas essas empresas são silenciosas; eles podem não querer revelar as cartas ou simplesmente não têm nada para mostrar por enquanto. De qualquer forma, a
NASA estima que aeronaves de passageiros com sistemas criogênicos com capacidade de 30 MW ou menos não aparecerão até pelo menos meados dos anos 2030.
Para tirar o máximo proveito das vantagens de um motor supercondutor - e um gerador, em um sistema híbrido - é necessário criar inversores supercondutores. A NASA está trabalhando com a GE para produzir um capaz de operar a 19 kW / kg com uma eficiência de 99%.
A integração do motor no circuito híbrido - provavelmente usando uma turbina a gás para girar o gerador - ainda está em processo. Os engenheiros da Siemens primeiro simulam tudo em um computador, em uma simulação interativa, a partir da qual eles me mostraram apenas alguns quadros na tela. Isso fazia parte da simulação de uma máquina convencionalmente resfriada. "É um híbrido seqüencial, e a simulação nos mostra a distribuição de energia", diz Balash.
Atualmente, as unidades de turbinas a gás são usadas principalmente como energia de backup para redes de energia, onde o peso dos componentes não importa. No entanto
muitas aeronaves militares modernas consomem eletricidade de turbinas alimentadas por compressores de motores a jato ou fluxo de ar.
Pode parecer que muito esforço é gasto na economia de alguns quilos - mas aqui tudo é importante. Um quilograma economizado no peso do motor fornece libras extras preciosas para as baterias. Quando a United Airlines
recentemente começou a imprimir sua revista de passageiros em papel com peso inferior ao habitual, economizando 28 gramas por quarto ou cerca de 5 kg por voo, isso economizaria para as empresas 640.000 litros de combustível por ano, ou US $ 290.000.
É por isso que novos aviões, como o Boeing 787, usam tantos polímeros reforçados com fibra de carbono. O Magnus eFusion faz o mesmo: para rolar um avião para fora do hangar, os esforços de uma pessoa são suficientes.
Vamos avançar rapidamente para o produto final. Aparecerá em dez anos e as companhias aéreas usarão aviões híbridos tão silenciosos que poderão sobrevoar a cidade à noite. Graças aos parafusos rotativos, eles poderão decolar de bandas mais curtas, possivelmente localizadas no ano. Eles economizarão energia devido à eficiência e ao baixo peso. Isso significa que sua manutenção e propriedade serão mais baratas - as aeronaves atuais têm a situação oposta, pois o custo de sua manutenção é muitas vezes superior ao preço de compra.
Um problema: nos próximos dez anos, os híbridos simples serão apenas um pouco mais ecológicos que os aviões convencionais. Uma melhoria tangível ocorrerá como resultado de economias de escala, quando os híbridos permitirem que a indústria mude para aeronaves totalmente elétricas, possivelmente já em 2030. "A hibridização nos permitirá economizar entre 4% e 20% de energia", diz Otto Olaf, chefe de vendas e desenvolvimento de negócios no escritório da Siemens em Munique. "Se eletrificarmos totalmente o avião, a economia será ainda maior."
Da mesma forma, as transportadoras aéreas estão interessadas em reduzir as emissões de gases de efeito estufa. "A iniciativa
Flight Path 2050 da UE está tentando reduzir as emissões em mais de duas vezes", diz Anton, da Siemens, "mas então o tráfego de passageiros deveria ter dobrado, por isso precisamos de pelo menos uma melhoria de quatro vezes".
Não está claro como exatamente esses números são obtidos. A maneira mais fácil de comparar emissões é com milhas de passageiros. Será mais honesto levar em consideração a fonte esperada de eletricidade que pode ser gerada no solo e armazenada em baterias para uso posterior no ar. Nos cálculos, também é necessário levar em consideração quanta energia é usada para produzir baterias, motores, partes de carbono ultraleve da aeronave e tudo mais.
A mesma iniciativa da União Europeia visa reduzir pela metade o ruído das aeronaves até 2050.
Acontece que agora essa é a maior motivação para a indústria aeronáutica. Para satisfazer as restrições dos vôos noturnos, as transportadoras aéreas às vezes gastam dinheiro abafando aviões antigos de alto perfil."A grande surpresa foi quando a Siemens começou a conversar com as transportadoras aéreas", diz Anton. - Eu sempre acreditei que a operação silenciosa dos motores é uma prioridade em terceiro lugar, depois de energia e emissões. E agora esta é a primeira prioridade. ”Esta não será a primeira tecnologia implementada com sucesso por razões não relacionadas ao aquecimento global. As pessoas compram um Prius híbrido para economizar combustível; eles compram um Tesla para ultrapassar um Porsche. As transportadoras aéreas compram aviões híbridos devido à sua operação silenciosa, e uma redução nas emissões de gases de efeito estufa será quase um efeito colateral. Mas ainda será.