Forskere finder nye veje til batterier i elektriske fly
Hvis elektriske fly skal gøre vores luftrum grønnere, skal der udvikles særlige batterier til formålet. Og nu har et forskerhold gjort en vigtig opdagelse.
Magnetiske nanopartikler og magnetfelter i lithium-ion-batterierne kan skabe bedre betingelser for, at elektricitet kan afgives med tilstrækkeligt kraft til at bringe fly i luften.
»Det er en hel ny åbning for, hvad vi kan få ud af de batterier, som vi bruger i lufttrafikken,« siger MIT-professor Yet-Ming Chiang til Technology Review tidligere i år.
Sammen med sin kollega fra Carnegie Mellon, Venkat Viswanathan, har Chiang således bragt os et skridt nærmere den grønne flytrafik.
Stort potentiale
Flytrafikken er som bekendt et af klimaudfordringens væsentlige punkter. Den udgør i alt to procent af den globale CO2-udledning og giver altså anledning til ønsker om forbedring.
Det er derfor ikke uden grund, at forskere og erhvervspartnere i flere år har jagtet muligheden for at lave elektriske og hybridelektriske fly og dermed gøre den ellers brændstofstunge industri mere grøn.
Men det kræver særlige batterier.
Mens elbilernes batterier er for tunge, har de mindre tunge batterier ofte vist sig utilstrækkelige. De kan ikke afgive nok elektricitet til at få flyet i luften – i hvert fald ikke uden omgående behov for genopladning til resten af turen.
Magnettricket
Løsningen er at få batteriets ioner og elektroner til at bevæge sig hurtigere, eksempelvis ved at rette den ellers krogede elektrode af kul og kobolt op.
Og det er her magneterne kommer ind i billedet. For booster man batteriets elektrode med magnetiske nanopartikler og kombinerer batteriet med tilhørende magnetfelter, kan man lette lithium-ionernes passage gennem batteriets elektroder og derved muliggøre, at batteriets hurtigere afgiver elektricitet til flyet.
Sådan lød i hvert fald resultatet af et studie, offentliggjort i tidsskriftet Nature tilbage i 2016 af bl.a. Chiang og hans MIT-kollega Jonathan Sander.
Dobbelt så gode
Sammenlignet med almindelige lithiumbatterier har de første forsøg med de magnet-boostede batterier præsteret dobbelt så godt, målt på hvor hurtigt og kraftfuldt de afgav elektricitet.
Og Chiang og Viswanathans opdagelser kan således betyde radikale ændringer i, hvordan energi lagres og udnyttes i batterier.
Hidtil har man nemlig ikke formået at udforme batterier, der kan kompensere brændstofsbehovet ved take-off.
Ikke i mål endnu
Dog er batterierne på nuværende tidspunkt hverken i produktion eller afprøvet i luften.
Chiang og Viswanathan arbejder i første omgang sammen med det amerikanske 24M, der udvikler og producerer lithiumbatterier. Chiang er selv medstifter og forskningsleder.
Næste skridt vil være et egentligt testforløb. Forskerduoen flirter allerede med det entreprenante Zunum, der specifikt interesserer sig for batterier til elektriske eller hybridelektriske versioner af de bevingede konstruktioner.
Og Zunum er optimistiske. De har allerede indgået aftale med fly-giganten Boeing om udvikling af et kombineret hybridelektrisk system, der kan flyve over 1.000 km, og forventer i øvrigt, at hybridfly allerede i 2035 kan tilbagelægge distancer længere end 2.000 kilometer.
Dog har vi en egentlig produktion og test at Chiang og Viswanathans batterier til gode. Kritikere peger stadig på batteriernes vægt som en forhindring, der kan være svær at overkomme. Udvikling og testforløb vil i de kommende år afklare disse forhold.
På hangarskibe, bruger man et træk til at få flyene op i fart, inden de forlader den korte startbane. Svævefly bliver også nogen gange trukket op af et spil eller af et kabel bag en (tung og kraftig) bil.
Kunne man ikke bruge en lignende metode til at give elektriske fly et boost ved start? F.eks. lade dem blive trukket op i fart af et køretøj. Dermed kan man mindske dels spidsbelastningen og dels batterikapaciteten.
Tror det hjælper som en skrædder i helvede. Du sparer 30s @ 100% motorydelse - småtterier i forhold til hvad du bruger på at klatre til marchhøjde. Fly der lander på hangarskibe er i øvrigt ekstra forstærkede hvilket alt andet lige koster vægt.
Det eneste der hjælper er at flyve mindre - så er den ikke længere.
Grunden til at man anvender katapulter på hangarskibe er, at landingsbanen er for kort.
Grunden til den ekstra forstærkning er at landingen foregår ved at en krog griber fat i en wire pga den korte landingsbane. Denne ekstra forstærkning vil ikke være nødvendig på et eletrisk fly, som har adgang til en alm. landingsbane.
En elektrisk katapult til elektriske fly vil - som jeg umiddelbart ser det - højest kræve at næste hjulet bliver forstærket til at klare trækket. Men det er jo ikke nødvendigt at et eletrisk passager fly bliver slynget i luften på få meter, de vil jo være masser af start bane tilrådighed, så trækket behøves ikke at være voldsomt.
Man kunne evt. lave katapulten på de første 25% af startbanen, for at "hjælpe flyet i gang" hvorefter flyets egne motore tager over. Om det kan svare sig ved jeg ikke, men jeg syntes ikke at man umiddeltbart skal afskrive ideen :-)
Man må øyeblikkelig stoppe med denne latterlige tanken! Å få dagens fly i marsjhøyde krever 900s@100% (15 minuttet opp til marsjhøyde, 60 sekund x 15). Som Kristian Glejbøl sier kan en spare 30s@100% sekunder ved katapultstart. Man kan altså spare 3,3% av energien nødvendig til å få flyet opp i marsjhøyde. Legg så til forsterkninger som skal til for at flyet skal tåle en enorm punktbelastning, og vinningen går opp i spinningen (i tillegg til komplikasjoner og driftomkostninger ved katapult).
En Boeing 737 behøver ca 30.000 kW opp til marsjhøyde og ca 11.000 kW i cruise. Batterier (en form for katapult?) som tar flyet opp i marsjhøyde og deretter hybriddrift er en interessant løsning.
Jeg kom til at tænke på at "trække" flyet op i fart, ved at det på en eller anden smart måde er selve landingsbanen, der flytter sig, en slæde, som flyet står på, eller en form for skinner i landingsbanen, der kører. En slæde med mag-lev princip? Bare vilde tanker, men måske noget kunne bruges.
Altid en god indstilling at have når man vil udvikle noget nyt ;-)
[sarcasme]
Lad os da straks kaste ALLE tanker som virker bare en lille smule urealistiske væk - det er helt sikkert den rette måde at skabe inovation og udvikling på
[/sarcasme]
Har du en kilde til denne påstand? Så vidt jeg ved, er det sjældent at et passager fly bruger 100% motorkraft under take off. Hvis det er nødvendigt, vil flyet ikke være i stand til at vende om og lande sikkert i tilfælde af at en motor står af under/lige efter take off.
Om det er 10% eller 100% har ingenting med dette spørsmålet å gjøre! Problemet er forholdet mellom tid opp til marsjhøyde (med "fullt" pådrag hele tiden, normalt ca 80%)og tiden på rullebanen (3,3% av tiden).
Om en tar av med en motor, så tar det mye lengre tid opp til marsjhøyde, om flyet i det hele klarer å nå denne høyden (eller holde normal hastighet i denne høyden).
Jeg giver dig ret i, at det er urealistisk for traditionelle rutefly såsom Boeing 737 og Airbus A310. De er for tunge, og de flyver for højt og hurtigt til, at et træk gør den store forskel.
Men elektriske fly er mindre end traditionelle rutefly, og de er beregnet til kortere ruter, hvor man ikke kommer op i samme højde som større rutefly, og hvor hastigheden ikke behøver at være så høj. Her kan et træk give det ekstra skub, der skal til for at lette.
Ja den holdning efterlader ikke meget til nytænkning. Jeg synes nu også ideen med at trække flyet igang er god nok. Man kunne måske forestille sig at man trak den op i endnu højere take-off hastighed end normalt krævet, samt at man kunne trække den længere op end bare et par meter over jorden. Systemet ville nok have mest effekt på korte ruter. På en tur fra København til Aalborg virker det som om motererne arbejder hårdt de første 10 min, hvorefter flyet nærmest bare svæver resten af vejen.
Kortdistansefly går opp til ca 7.000+ m (Bombardier Dash 8) og 9.000+ m for Saab 2000 (mot ca 10.000 meter for Boeing 737 etc). I slike høyder må en ha trykksatt kabin (over 3.000 meter). Dess høyere et fly går dess mindre energi kreves per distanse. Så elfly bør nok fly over 7.000 meter for å minimere batterikapasitet og å fly over "været". Treningsfly og sportsfly kan fly på lave høyder uten særlige konskvenser. Slike fly kan gjerne "skytes" opp.
"Dess høyere et fly går dess mindre energi kreves per distanse."
Det er rigtigt for jetfly, men ikke for propelfly.
Så skal vi have opfundet en elektrisk jetmotor.
Jeg fandt nogle lidt bedagede tal - sat ind nederst (fra år 2000: http://www.airliners.net/forum/viewtopic.p...)
De burde give en nogenlunde ide om hvordan energimængderne til flyvningen er fordelt. Den vigtige detalje er den reserve der skal være når flyet når frem til destinationen. Den er det dobbelte af hvad der kræves for at stige til rejsehøjde. Så ved en flyvning hvor energiforbrug til opstigning helt kan elimineres ved alternativ startmetode og direkte til nedstigning (ingen rejseflyvning), kan der spares i omegnen 33% på batterikapaciteten. Ved lavere rejsehøjde eller længere rejse bliver besparelsen bare mindre. Vi skal nok heller ikke regne med at komme i rejsehøjde med de foreslåede metoder. Der spares næppe mere end 5% på batteripakken i fald vi skulle flyet i 500m over bane-enden.
Men 5% har også ret. Jeg har aldrig prøvet damp-katapult - men forestiller mig den er et ret dyrt kompromis man indgår når man kun har mulighed for kort startbane og tilfældigvis har en stor dampgenerator tæt ved. Spilstart har jeg som svæveflyver derimod indgående kendskab til. Det er ikke nogen fornøjelse, men det er den billigste startmetode og fungerer glimrende det meste af tiden. Men wiren knækker nogen gange og nogen gange giver det wiresalat i spillet. Andre gange falder wire og forfang ned i skoven osv. Dertil kan spillet også strejke - trods omhyggelig vedligehold. Så ind i mellem må vi finde os i "produktionsstop" - 10-20 minutter hvis wiren blot skal splejses eller et par timer hvis man er knap så heldig. Der er ingen tvivl om at spilstart kan "professionaliseres" - men omkostningerne stiger voldsomt derved og lufthavnens kapacitet vil nok falde drastisk. Tænker det er billigere at flyene ikke reducerer deres batteripakke 5%.
Jeg er udmærket klar over at det kan være svært direkte at sammenligne el-fly med fossil-fly. Man har nok et bedre estimat af resterende energi i et el-fly og man kan regenerere under nedstigning. Men vi kommer ikke uden om at der skal være reserve til at ligge i venteposition eller flyve til alternativ lufthavn. Det er muligt at denne reserve kan reduceres fordi man kan lade op under nedstigning og mere præcist ved hvor meget der er tilbage.
Et svært interessant tall som viser at nedstigning i stor grad er glideflukt (slår av motorer i marsjhøyde før nedstigning). Tilsvarende viser tallet at potendialet for regenerering er lite for elfly.
Til Henrik Værø.
I marsjhøyde er luftetettheten ca en fjerdedel som ved bakken. Tilsvarende er luftmotstanden en brøkdel (ref Hyperloop). Boeing 737 behøver 30.000 kW ved oppstigning og 11.000 kW ved marsjhøyde, til tross for at marsjhastigheten er ca den dobbelte av oppstigningshastigheten.
Effekten som skal til å dra flyet opp i høyde er ca 7.300 kW for fullastet fly (30.000 kW - 7.300 kW er det effekten som behøves under oppstigning).
Kunne man forestille sig en gigantisk kondensator, som umiddelbart før takeoff bliver ladet op, og aflader sin effekt i løbet af et par minutter.
... Altså effekten?
Hvad med en lang ledning på en tromle nede på startbanen ?
Så kunne man blot drøne deropad og når den ikke er længere så
udløser man bare stikkontakten og tromler ledningen tilbage ?
Man kunne jo også have 2 forskellige typer fly:
a:
Et passagerfly, som skal kunne flyve højt og længe men ikke nødvendigvis
dimensioneret til selve opstigningen.
b:
En type uden passagerer eller fragtmulighed med masser af batteri og kræfter
som skal trække a: op til optimal flyvehøjde og hvor trækkablet eventuelt kan
elektricitet til a: under opstigningen.
Så var det nok bedre med et par strømskinner, men hold da op hvor det kommer til at se festligt ud.
Den ide adskiller sig ikke voldsomt fra ideen med et træk, bortset fra at energien gives til flyets motor. Metoderne kan teorien kombineres: Et kabel, der leverer både træk og strøm. Men om det er bedre end rent træk er tvivlsomt.
Til forskel fra de spil, der bruges til svævefly, var tanken, at kablet skal trækkes af en tung bil i stedet for at rulles op på et fastmonteret spil.
En start/landingsbane til rutefly er typisk 3-4km lang, men mindre fly behøver langt mindre. Så man kunne godt have et 500m langt kabel trukket bag en vogn. Når flyet er trukket op i ca. 300-400m højde, slippes kablet, som har en styrbar faldskærm i enden. Mens kablet daler, trækkes det ind af et spil på vognen, så det aldrig kommer til at slæbe hen ad jorden.
Henrik Værø !
Du skriver:
""Det er rigtigt for jetfly, men ikke for propelfly.
Så skal vi have opfundet en elektrisk jetmotor."""
Kunne du så ikke giver os uvidende tåber, en forklaring på, at den propeldrevne DC7 havde en service ceiling på 8000+ meter og trykkabine ? Hvis højden ikke havde indvirkning på groundspeed, ville det da være spild af brændstof at flyve så højt :)
SAS DC 7 var den første til at flyve over Nordpolen 24-2-1957
.......for starthjælpsraketterne de såkaldte Jato raketter er opfundet :)
https://en.wikipedia.org/wiki/JATO