A medida que los automóviles y camiones eléctricos aparecen cada vez más en las carreteras de los EE. UU., Surge la pregunta: ¿cuándo los vehículos eléctricos comercialmente viables saldrán al cielo? Hay una serie de ambiciosos esfuerzos para construir aviones con motor eléctrico, incluidos aviones y aviones regionales que pueden cubrir distancias más largas. La electrificación está comenzando a permitir un tipo de transporte aéreo que muchos esperaban, pero que aún no han visto, un automóvil volador.
Un desafío clave en la construcción de aviones eléctricos implica la cantidad de energía que se puede almacenar en una cantidad determinada 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. En última instancia, 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 en el equipaje en parte para limitar la cantidad de aviones que deben transportar. Los vehículos de carretera pueden manejar baterías más pesadas, pero existen preocupaciones similares. Nuestro grupo de investigación ha analizado la relación peso-energía en camionetas eléctricas y tractocamiones o semirremolques.
El concepto de este artista del diseño experimental del avión eléctrico de la NASA muestra 14 motores a lo largo de las alas. (NASA) 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 diésel de hoy en día podría diseñarse para viajar hasta 500 millas con una sola carga y al mismo tiempo transportar la carga de aproximadamente el 93 por ciento de todos los viajes de carga.
Las baterías necesitarán ser más baratas antes de que tenga sentido económico comenzar el proceso de convertir la flota de camiones de los EE. UU. En energía eléctrica. Parece probable que eso suceda a principios de la década de 2020.
Los vehículos voladores están un poco más lejos, porque tienen diferentes necesidades de potencia, especialmente durante el despegue y el aterrizaje.
¿Qué es un e-VTOL?
A diferencia de los aviones de pasajeros, los drones pequeños que funcionan con baterías que transportan paquetes personales a distancias cortas, mientras vuelan a menos de 400 pies, ya están en uso. Pero transportar personas y equipaje requiere 10 veces más energía, o más.
Observamos cuánta energía necesitaría una pequeña aeronave con batería capaz de despegar y aterrizar verticalmente. Por lo general, están diseñados para lanzarse en línea recta como helicópteros, cambiar a un modo de avión más eficiente girando sus hélices o alas completas durante el vuelo, y luego volver al modo de helicóptero para aterrizar. Podrían ser una forma eficiente y económica de navegar por zonas urbanas ocupadas, evitando carreteras obstruidas.
Requisitos energéticos de los aviones e-VTOL
Nuestro grupo de investigación ha creado un modelo de computadora que calcula la potencia necesaria para un e-VTOL de un solo pasajero a lo largo de las líneas de diseños que ya están en desarrollo. Un ejemplo de ello es un e-VTOL que pesa 1, 000 kilogramos, incluido el pasajero.
La parte más larga del viaje, en crucero en modo avión, necesita la menor energía por milla. Nuestra muestra de e-VTOL necesitaría entre 400 y 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 de pasajeros eléctrico.
Sin embargo, el despegue y el aterrizaje requieren mucha más potencia. Independientemente de cuán lejos 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 autos eléctricos compactos, como un Nissan Leaf.
Para un vuelo completo, con las mejores baterías disponibles en la actualidad, calculamos que un e-VTOL de un solo pasajero diseñado para transportar a una persona de 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, lo que no es muy eficiente: si necesita hacer una visita rápida para comprar en una ciudad cercana, no se subirá a la cabina de un camión con remolque completamente cargado para ir allí.
A medida que las baterías mejoren en los próximos años, podrán acumular aproximadamente un 50 por ciento más de energía para el mismo peso de la batería. Eso ayudaría a hacer que e-VTOLS sea más viable para viajes de corto y mediano alcance. Pero, se necesitan algunas cosas más antes de que las personas realmente puedan comenzar a usar e-VTOLS regularmente.
Deslice el control deslizante de "energía específica" de lado a lado para ver cómo mejorar las baterías puede cambiar las necesidades de energía de los vehículos. Venkat ViswanathanNo es solo energía
Para vehículos terrestres, es suficiente determinar el rango útil de viaje, pero no para aviones y helicópteros. Los diseñadores de aeronaves también necesitan examinar de cerca el poder, o la rapidez con la que está disponible la energía almacenada. Esto es importante porque subir para despegar en un jet o empujar 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 calientan mucho más. Al igual que el ventilador de su computadora portátil gira a toda velocidad cuando intenta transmitir un programa de televisión mientras juega y descarga un archivo grande, la batería de un vehículo debe enfriarse aún más rápido cada vez que se le pide que produzca más energía.
Las baterías de los vehículos de carretera no se calientan tanto durante la conducción, por lo que pueden enfriarse con el aire que pasa o con refrigerantes simples. Sin embargo, un taxi e-VTOL generaría una enorme cantidad de calor en el despegue que tardaría mucho tiempo en enfriarse, y en viajes cortos puede que ni siquiera se enfríe por completo antes de calentarse nuevamente al aterrizar. En relación con el tamaño del paquete de baterías, para la misma distancia recorrida, la cantidad de calor generada por una batería e-VTOL durante el despegue y el aterrizaje es mucho más que los autos eléctricos y los semirremolques.
Ese calor adicional acortará la vida útil de las baterías e-VTOL y posiblemente las hará más susceptibles a incendiarse. Para preservar tanto la confiabilidad como la seguridad, las aeronaves eléctricas necesitarán sistemas de enfriamiento 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 enfriamiento, porque eso agregaría costos sin ayudar al rendimiento. Solo la investigación especializada encontrará estos avances vitales para los aviones eléctricos.
Nuestro próximo tema de investigación continuará explorando formas de mejorar la batería e-VTOL y los requisitos del sistema de enfriamiento para proporcionar suficiente energía para un alcance útil y suficiente potencia para despegar y aterrizar, todo sin sobrecalentamiento.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Venkat Viswanathan, profesor asistente de ingeniería mecánica, Universidad Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Candidato en Ingeniería Mecánica, Universidad Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, Asistente de Investigación en Ingeniería Mecánica, Universidad Carnegie Mellon
