Elektriske fly giver mulighed for nyt design og lavere forbrug

Før du læner dig tilbage i sædet og forventer at bliver sendt sendt til Mallorca eller måske bare til Folkemøde på Bornholm i et lydløst elfly, så er der nogle ret afgørende teknologiske udfordringer, der lige skal løses først. Det skyldes først og fremmest, at vi med nutidens batteriteknologi godt nok er i stand til at løfte et fly fra jorden, men det vil ikke komme ret langt før, batterierne er tømt.

De batterier, der i dag er til rådighed, kan optimalt indeholde 200-250 Wh/kg. Der er ikke meget sammenlignet med flybrændstof, der ligger i omegnen af 12.000 Wh/kg. Det betyder, at et fly med batterier i runde tal - og hvis der tages hensyn til, at elmotorer er mindre og mere effektive end flymotorer - skal have 60 gange så meget vægt med, hvis batterier skal erstatte flybrændstof.

Der er masser af forskning og udvikling på batteriområdet, og ingen betvivler, at der vil komme endnu bedre batterier. Men hvornår og hvad prisen bliver er eksperterne uenige om.

Til gengæld er de enige om, at den hellige gral inden for batteriteknologi hedder lithium-luft-batterier, hvor det teoretiske potentiale for energiindhold ligger på over 11.000 Wh/kg, hvilket altså stort set svarer til energiindholdet i en liter benzin. Men udfordringerne er enorme, og ikke alle forskere tror, at det er muligt.

Jetmotorer er vokset

Men det forhindrer ikke flyingeniører i at finde på nye og innovative flydesigns. For brugen af elmotorer åbner helt andre muligheder for at optimere driften end nutidens propel- og jetmotorer. Det gælder især jetmotorer, hvor den grundlæggende regel indtil videre har været klar: Jo større motor, des mere effektiv og energibesparende er den.

Samtidig er der brug for motorer, som har stor effekt ved start, men som samtidig kun nipper til de dyrebare brændstofdråber, når først flyet er kommet i luften. Problemet er bare, at det er svært at fremstille en motor, som er god til begge dele.

Udviklingen har også ført til motorer med en ekstrem diameter, fordi det er hensigtsmæssigt at føre en stor del af luftstrømmen uden om forbrændingskammeret: Det spare på brændstoffet og giver mindre støj.

Samlet set er de mest effektive jetmotorer blevet helt vildt store og tunge. Sidste skud på stammen er GE Aviations nyeste GE9X-motor, der skal sidde på Boeings kommende 777-8- og 777-9-passagerfly. Selve motorerne er over 3,5 meter i diameter. De sidder under vingerne, som nu skal være endnu stærkere. De store motorer giver også ekstra luftmodstand.

Elmotorer giver nye designmuligher

Men hvis jetmotorerne kan skiftes ud med elmotorer, giver det nogle helt nye muligheder for at designe flyet. Det siger Mark Voskuijl, der er flyingeniør på institut for Aerospace Engineering på Delfts tekniske universitet. Han har i en årrække forsket i flydesign, både i forhold til selve flyets udformning og den motorteknologi, der skal sikre, at flyet overhovedet flytter sig. Han erkender, at kommercielle fly 100 procent på batterier ligger en del år ude fremtiden, mens hybridfly, hvor en del af fremdriften sker med batteridrift, slet ikke er urealistisk:

»Under takeoff skal der for eksempel bruges meget kraft, og det kan passende ske med batterikraft. Når først flyet er i luften, kan en optimeret jetmotor tage over, og ved descent (når højden reduceres, red.) kan propellerne bruges til at oplade batterierne, præcis som vi ser det med opsamling af bremseenergi i en hybridbil,« siger Mark Voskuijl.

Men elmotorer har endnu et par tricks oppe i ærmet. For i modsætning til forbrændingsmotorer så er der ikke særlig stor forskel på virkningsgraden, hvad enten motoren er stor eller lille. Der er altså ikke så meget at hente ved at bruge store elmotorer. Samtidig skal der bare føres en forsyningsledning og et signalkabel hen til en elmotor for at få den til at fungere. Det er langt simplere end en forbrændingsmotor, hvor der skal føres brændstof gennem rør:

»Det giver nogle helt nye muligheder for design. For eksempel vil fremdriften være mest effektiv, hvis der er et stort flow af luft, men en lille acceleration af luften. Det kan opnås ved at placere en masse små propeller langs vingen. Samtidig kan de små propeller tilsammen levere den samme thrust som en enkelt stor propel,« forklarer Mark Voskuijl.

Princippet hedder Distributed Electric Propulsion (DEP), og det gør det også muligt at gøre selve vingen mere effektiv og modstanden mindre. Det skyldes, at de mange små propeller giver et bedre flow hen over vingen. Vingen bliver simpelthen mere 'glat', ved at de små propeller accelererer luften. Det giver mindre turbulens på vingens overflade og dermed mindre modstand.

Fem gange mere effektivt

Sådan et fly har Nasa udviklet. Det hedder X-57 og startede sit liv som Tecnam P2006T, et traditionelt to-motorers fly fra italienske Tecnam.

Men Nasa har ombygget det, så der nu er 14 elmotorer placeret langs vingen. De to yderste er større end de øvrige 12 og bruges til cruise, når flyet er i luften. Men det er ikke nogen nem opgave, har chefingeniør Matthew Redifer forklaret:

»Montering af alle de styresystemer og elektronik, der skal til ved at sætte motorerne ud på vingerne, er en enorm integrationsopgave.«

Men ingeniørerne hos Nasa er også overbeviste om, at fordelene ved den her type elfly er enorme. Beregninger viser, at flyet vil være i stand til at flyve hurtigere og mere stille end det produktionsfly, konceptet bygger på:

»Og det vil ske med fem gange mindre energi,« siger Matthew Redifer. Første testflyvninger skulle ske i 2017.