A medida que los automóviles y camiones eléctricos aparecen cada vez más en las carreteras de EE. UU., plantea la pregunta:¿Cuándo llegarán a los cielos los vehículos eléctricos comercialmente viables? Hay una serie de esfuerzos ambiciosos para construir aviones de propulsión eléctrica, incluidos jets regionales y aviones que pueden cubrir distancias más largas. La electrificación está comenzando a permitir un tipo de transporte aéreo que muchos esperaban, pero no he visto todavía - un coche volador.

Un desafío clave en la construcción de aviones eléctricos implica cuánta energía se puede almacenar en una determinada cantidad de peso de la fuente de energía a bordo. Aunque las mejores baterías almacenan aproximadamente 40 veces menos energía por unidad de peso que el combustible para aviones, una mayor parte de su energía está disponible para impulsar el movimiento. Por último, para un peso dado, El combustible para aviones contiene aproximadamente 14 veces más energía utilizable que una batería de iones de litio de última generación.

Eso hace que las baterías sean relativamente pesadas para la aviación. Las compañías aéreas ya están preocupadas por el peso, imponiendo tarifas al equipaje en parte para limitar la cantidad de aviones que deben transportar. Los vehículos de carretera pueden soportar baterías más pesadas, pero existen preocupaciones similares. Nuestro grupo de investigación ha analizado la compensación peso-energía en camionetas pickup eléctricas y tractocamiones o semirremolques.

Desde camiones eléctricos hasta vehículos voladores

Basamos nuestra investigación en una descripción muy precisa de la energía requerida para mover el vehículo junto con detalles de los procesos químicos subyacentes involucrados en las baterías de iones de litio. Descubrimos que un semirremolque eléctrico similar a los que funcionan con diésel de hoy en día podría diseñarse para viajar hasta 500 millas con una sola carga y poder transportar la carga de aproximadamente el 93 por ciento de todos los viajes de carga.

Las baterías deberán ser más baratas antes de que tenga sentido económico comenzar el proceso de conversión de la flota de camiones de EE. UU. A energía eléctrica. Es probable que eso suceda a principios de la década de 2020.

Los vehículos voladores están un poco más lejos porque tienen diferentes necesidades de energía, especialmente durante el despegue y el aterrizaje.

¿Qué es un e-VTOL?

A diferencia de los aviones de pasajeros, pequeños drones a batería que transportan paquetes personales en distancias cortas, mientras vuela por debajo de 400 pies, ya están entrando en uso. Pero transportar personas y equipaje requiere diez veces más energía, o más.

Observamos cuánta energía necesitaría una pequeña aeronave a batería capaz de despegar y aterrizar en vertical. Estos suelen estar diseñados para lanzarse hacia arriba como helicópteros, cambiar a un modo de avión más eficiente girando sus hélices o alas enteras durante el vuelo, luego vuelva al modo de helicóptero para el aterrizaje. Podrían ser una forma eficiente y económica de navegar por áreas urbanas concurridas, evitando carreteras atascadas.

Requisitos energéticos de los aviones e-VTOL

Nuestro grupo de investigación ha construido un modelo informático que calcula la potencia necesaria para un e-VTOL de un solo pasajero siguiendo las líneas de diseños que ya están en desarrollo. Un ejemplo es un e-VTOL que pesa 1, 000 kilogramos, incluido el pasajero.

La parte más larga del viaje navegando en modo avión, necesita la menor cantidad de energía por milla. Nuestro e-VTOL de muestra necesitaría alrededor de 400 a 500 vatios-hora por milla, aproximadamente la misma cantidad de energía que necesitaría una camioneta eléctrica, y aproximadamente el doble del consumo de energía de un sedán eléctrico de pasajeros.

Sin embargo, el despegue y el aterrizaje requieren mucha más potencia. Independientemente de lo lejos que viaje un e-VTOL, nuestro análisis predice que el despegue y el aterrizaje combinados requerirán entre 8, 000 y 10, 000 vatios-hora por viaje. Esto es aproximadamente la mitad de la energía disponible en la mayoría de los coches eléctricos compactos. como un Nissan Leaf.

Durante todo un vuelo, con las mejores baterías disponibles en la actualidad, Calculamos que un e-VTOL para un solo pasajero diseñado para transportar a una persona a 20 millas o menos requeriría entre 800 y 900 vatios-hora por milla. Eso es aproximadamente la mitad de la cantidad de energía que un semirremolque, que no es muy eficiente:si necesita hacer una visita rápida para comprar en una ciudad cercana, no se subiría a la cabina de un tractor-remolque completamente cargado para llegar allí.

A medida que las baterías mejoran en los próximos años, es posible que puedan acumular aproximadamente un 50 por ciento más de energía por el mismo peso de la batería. Eso ayudaría a que e-VTOLS sea más viable para viajes de corto y mediano alcance. Pero, Hay algunas cosas más necesarias antes de que las personas puedan realmente comenzar a usar e-VTOLS con regularidad.

No es solo energía

Para vehículos terrestres, determinar el rango útil de viaje es suficiente, pero no para aviones y helicópteros. Los diseñadores de aeronaves también deben examinar de cerca la potencia, o qué tan rápido está disponible la energía almacenada. Esto es importante porque acelerar para despegar en un jet o empujar hacia abajo contra la gravedad en un helicóptero requiere mucha más potencia que girar las ruedas de un automóvil o camión.

Por lo tanto, Las baterías e-VTOL deben poder descargarse a velocidades aproximadamente 10 veces más rápidas que las baterías de los vehículos eléctricos de carretera. Cuando las baterías se descargan más rápidamente, se ponen mucho más calientes. Así como el ventilador de su computadora portátil gira a toda velocidad cuando intenta transmitir un programa de TV mientras juega un juego y descarga un archivo grande, la batería de un vehículo debe enfriarse aún más rápido cuando se le pide que produzca más energía.

Las baterías de los vehículos de carretera no se calientan tanto mientras se conduce, para que se enfríen con el aire que pasa o con refrigerantes simples. Un taxi e-VTOL, sin embargo, generaría una enorme cantidad de calor en el despegue que tomaría mucho tiempo para enfriarse, y en viajes cortos podría ni siquiera enfriarse por completo antes de calentarse nuevamente al aterrizar. En relación con el tamaño de la batería, por la misma distancia recorrida, la cantidad de calor generado por una batería e-VTOL durante el despegue y el aterrizaje es mucho mayor que la de los coches eléctricos y los semirremolques.

Ese calor adicional acortará la vida útil de las baterías e-VTOL, y posiblemente hacerlos más susceptibles a incendiarse. Para preservar tanto la fiabilidad como la seguridad, Los aviones eléctricos necesitarán sistemas de refrigeración especializados, lo que requeriría más energía y peso.

Esta es una diferencia crucial entre los vehículos eléctricos de carretera y los aviones eléctricos:los diseñadores de camiones y automóviles no tienen ninguna necesidad de mejorar radicalmente ni su potencia ni sus sistemas de refrigeración. porque eso agregaría costos sin ayudar al desempeño. Solo la investigación especializada encontrará estos avances vitales para los aviones eléctricos.

Nuestro próximo tema de investigación continuará explorando formas de mejorar la batería del e-VTOL y los requisitos del sistema de enfriamiento para proporcionar suficiente energía para un alcance útil y suficiente potencia para el despegue y el aterrizaje, todo sin sobrecalentamiento.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.