De hedendaagse commerciële vliegtuigen zijn niet bepaald zuinig met brandstof. De gemiddelde 747 verbrandt bijvoorbeeld elke seconde dat hij vliegt een liter brandstof op basis van kerosine. En aangezien tegen 2037 naar verwachting jaarlijks 8,2 miljard mensen de lucht in zullen gaan, zullen koolstofvrije alternatieven voor Jet A-1 nodig zijn om de impact van de industrie op de opwarming van de aarde te compenseren. We naderen het tijdperk van elektrische vliegtuigen.
Baanbrekende onderzoekers, wetenschappers en ondernemers werken sinds de tweede helft van de 19e eeuw aan de droom van geëlektrificeerd vliegen, toen zware loodzuurbatterijen in vroege luchtschepen werden geladen om hun propellers aan te drijven. We hebben door de jaren heen ook een aantal, eh, nieuwe manieren gezien om vliegtuigen tijdens de vlucht van stroom te voorzien, van geleidende koorden die zich tot op de grond uitstrekken tot zonnepanelen tot microgolfenergietransmissie, maar het was pas met de komst van relatief Nikkel-cadmium (NiCad) batterijtechnologie met meer vermogen, waardoor vrij vliegende elektrische vliegtuigen op menselijke schaal technisch haalbaar werden.
Maar zelfs nu de batterijchemie is geëvolueerd en de energiedichtheid is gestegen in de afgelopen decennia, de moderne lithium-ioncellen vormen voor de luchtvaartindustrie hetzelfde dilemma als voor de auto: hoe de energie-gewichtsverhouding van hun batterijen op de juiste manier in evenwicht te brengen.
“Als een jumbo jet de batterijen van vandaag zou gebruiken, zou 1,2 miljoen pond aan batterijen nodig zijn om de kracht van de straalmotor die hij zou vervangen op te wekken,” meende Emily Pickrell, Energy Fellow van de University of Houston, in Forbes eerder dit jaar.
Maar om eerlijk te zijn, als gevolg van inefficiënties die inherent zijn aan interne verbrandingsmotoren, daalt dat cijfer tot ongeveer 14 keer de energiedichtheid van een li-ionbatterij als je gelijke gewichten van brandstof en batterijen vergelijkt.
Voor de op li-ion gebaseerde batterij van een Tesla Model 3 heeft bijvoorbeeld een energiedichtheid van 260 Wh/kg, terwijl CATL eerder dit jaar aankondigde dat het een natrium-ionbatterij had gebouwd met een dichtheid van 160 Wh/kg (hoewel het hoopt dat te bereiken tot 200 Wh/kg in 2023). Lithium-zwavelbatterijen hebben aangetoond dat ze tot 600 Wh/kg kunnen bevatten, hoewel die technologie te maken heeft met aanzienlijke hindernissen voor de levensduur (d.w.z. de chemie heeft de neiging om door elektroden te eten) voordat ze op grote schaal kunnen worden gebruikt. Momenteel werken kleine 2- en 4-persoonsvliegtuigen die zijn uitgerust met elektrische energiesystemen doorgaans met 250-270 Wh/kg specifieke energie, maar experts uit de industrie verwachten dat de energiedichtheid 350 – 400 Wh/kg zal moeten bereiken voordat de elektrische luchtvaartindustrie echt uit — iets dat de komende jaren zou kunnen gebeuren, volgens Tesla CEO, Elon Musk.
400 Wh/kg *met * hoge levensduur, geproduceerd in volume (niet zomaar een lab) is niet ver. Waarschijnlijk 3 tot 4 jaar.
— Elon Musk (@elonmusk) 24 augustus 2020
Het voorkomen en verminderen van thermische runaway is een andere kritische test voor elektrische luchtvaart.
Wanneer een cel barst, kan deze de omliggende cellen beschadigen en oververhitten, waardoor een trapsgewijze storing ontstaat die leidt tot explosie en brand. Als dat gebeurt met een Chevy Volt, zal de auto waarschijnlijk worden afgeschreven (vingers gekruist hebben niet ook je huis in brand gestoken), maar als zo’n storing zich tijdens de vlucht voordoet op een geëlektrificeerde 747, zal het verlies van mensenlevens zou catastrofaal zijn.
Om de kans op een volledige runaway te minimaliseren, is vroege detectie van celstoringen essentieel. Aangezien ontgassing meestal plaatsvindt minuten voordat een cel scheurt, kan de aanwezigheid van een bewakingssysteem dat sensoren die dicht bij een li-ionbatterij zijn geplaatst, vergelijkt met die verzameld door een referentiesensor verder weg, waarschuwen voor de aanwezigheid van een defecte cel. En om al vrijgekomen gassen te elimineren, kunnen ook brandblussystemen worden gebruikt die zijn bewapend met inert gas – om te voorkomen dat de afgassen een brandbaar niveau bereiken wanneer ze worden gemengd met zuurstof uit de lucht. Natuurlijk helpen regelmatig onderhoud en robuuste inspecties ook celstoringen te voorkomen voordat de situatie explosief wordt.
Thermische wegloop is een zeer reële zorg voor de Rolls – Royce-team, want ze zullen deze batterijen tijdens de vlucht tot het uiterste drijven.
Mocht een cel oververhit raken tot het punt waarop de rookgassen worden afgevoerd, is het vliegtuig ook uitgerust met een inertgasonderdrukkings- en ventilatiesysteem.
Op 15 september maakte de Spirit of Innovation zijn eerste testvlucht vanaf het vliegveld Boscombe Down van het Britse Ministerie van Defensie, met een vlucht van 15 minuten. Het bedrijf hoopt de Nemesis voor het einde van dit jaar klaar te hebben voor een officiële run op het record.
“De eerste vlucht van de Spirit of Innovation is een geweldige prestatie… We zijn gefocust op het produceren de technologische doorbraken die de samenleving nodig heeft om het vervoer door de lucht, over land en over zee koolstofarm te maken en de economische kansen van de overgang naar netto nul te benutten”, zei Warren East, CEO van Rolls-Royce, in een verklaring. “Dit gaat niet alleen om het verbreken van een wereldrecord; de geavanceerde batterij- en voortstuwingstechnologie die voor dit programma is ontwikkeld, heeft opwindende toepassingen voor de Urban Air Mobility-markt.”
Rolls-Royce is verre van het enige bedrijf dat elektrische vliegtuigtechnologie nastreeft, hoeveel sneller het ook is dan de competitie. Van kleine startups tot standvastige bedrijven – zelfs NASA – bedrijven en regeringen over de hele wereld racen om commercieel levensvatbare elektrische vliegtuigen te ontwikkelen, zowel voor passagiersvluchten als vrachtvervoer.
- Advertisement -
