Et kraftigt nyt batteri kan give os elektriske fly, der ikke forurener

Et produktionstrick med magnetiske felter producerer et batteri, der kan aflades hurtigt nok til at få et fly fra jorden.

James Temple arkiv side

30. oktober 2018

Simon Simard

Farvede molekylære modeller langs to vægge af Yet-Ming Chiangs kontor på MIT. Chiang, professor i materialevidenskab og entreprenør af seriebatterier, har brugt meget af sin karriere på at studere, hvordan lidt forskellige arrangementer af disse pinde og kugler giver radikalt forskellige resultater i energilagring.

Men han og hans kollega, Venkat Viswanathan , tager en anden tilgang for at nå deres næste mål og ændrer ikke sammensætningen af batterierne, men justeringen af forbindelserne i dem. Ved at anvende magnetiske kræfter til at rette den snoede vej, som lithium-ioner navigerer gennem elektroderne, mener forskerne, at de kunne øge den hastighed, hvormed enheden aflader elektricitet, markant.

Det kraftskud kunne åbne op for en anvendelse, der længe har unddraget sig batterier: at opfylde de enorme krav fra et passagerfly ved opstart. Hvis det fungerer som håbet, vil det muliggøre regionale pendlerflyvninger, der ikke forbrænder brændstof eller producerer direkte klimaemissioner.

Viswanathan, en assisterende professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon, påbegyndte og leder forskningsprojektet. Han og Chiang samarbejder nu med 24M, lithium-ion-batteriproducenten Chiang, der blev grundlagt i 2010, og Zunum Aero, en flystartup baseret i Bothell, Washington, for at udvikle og teste prototypebatterier, der er specielt designet til behovene i et avanceret hybridfly.

Venkat Viswanathan, assisterende professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon. Udlånt af Carnegie Mellon University

Stor risiko

Eliminering af drivhusgasemissioner fra fly er en af de sværeste udfordringer i klimapuslespillet. Flyrejser tegner sig for omkring 2 % af de globale kuldioxidemissioner og er en af de hurtigst voksende kilder til drivhusgasforurening.

Men der er ingen rene alternativer i dag til mere end en lille smule flyrejser, fordi batterierne til elbiler stadig er for dyre, tunge og ellers dårligt egnet til luftfart.

Mere end et dusin virksomheder, herunder Uber, Airbus og Boeing, er allerede ved at udforske potentialet for at elektrificere små fly, hvilket skaber det, der svarer til flyvende taxaer, der kan tilbagelægge omkring 100 miles (161 kilometer) på en opladning. Håbet er, at disse en- eller to-passager-køretøjer - i de fleste tilfælde forestillet som autonome lodrette start- og landingsfly - kan forkorte pendling, lette overbelastning og reducere køretøjsemissioner. Men disse ville i vid udstrækning erstatte bilture for de rige, ikke fortrænge flyrejser.

Viswanathan og Chiang sigter højere. Den oprindelige plan er at udvikle et batteri, der kan drive et 12-personers fly med 400 miles (644 kilometer) rækkevidde - nok til at tage ture fra for eksempel San Francisco til Los Angeles eller New York til Washington. I en anden fase håber de at muliggøre et elektrisk fly, der er i stand til at transportere 50 personer samme afstand.

Sådanne fly ville stadig være udstyret med en forbrændingsmotor og bære brændstof. Men brændstoffet ville stort set være ombord for at nå US Federal Aviation Administrations reservekrav til sikkerhed, som instruerer fly til at medbringe nok til at lande i en lufthavn 200 miles (322 kilometer) fra den påtænkte destination. I en normal flyvning skulle flyene ikke skulle bruge det brændstof.

Simon Simard

Luftbåren

Projektets tiltrækningskraft til en startup som Zunum er indlysende: Jo bedre batterier bliver til at opfylde flybehovene, jo større er markedet, som hybride eller elektriske fly potentielt kan adressere.

Sidste år, virksomheden annonceret planlægger at levere en linje af hybrid til elektriske fly med plads til 12 passagerer i 2022.

Ved lanceringen har virksomheden til hensigt at tilbyde et hybridfly med en gasturbine og to batteripakker, der er i stand til at flyve omkring 700 miles (1.127 kilometer), samt en helelektrisk version med tre batteripakker og en rækkevidde på mindre end 200 miles . (I modsætning til de fly Viswanathan og Chiang har i tankerne, ville hybridmodellen trække tungt på brændstoffet ombord.) Men det er afgørende, at flyet selv forventes at have en åben arkitektur, der giver ejerne mulighed for at skifte disse moduler ud over tid, hvilket gør det muligt dem til at opgradere til bedre batterier udviklet i fremtiden eller skifte fra hybrid til fuldelektrisk drift.

Zunum har sikret kapital fra Boeing, JetBlue og staten Washingtons Clean Energy Fund. JetSuite, et Dallas-baseret charterflyselskab, har accepteret at købe op til 100 af flyene. Andre startups, herunder Eviation Aircraft og Wright Electric, arbejder også på at udvikle små elektriske fly til pendlerflyvninger.

Dette klip viser, hvad der sker, når magnetiske kræfter påføres magnetiske mikrostave blandet med elektrodematerialer. Udlånt af MIT-forsker Jonathan Sander

Fly bruges sjældent til regionale rejser, hvilket repræsenterer mindre end 1 % af rejserne under 500 miles, ifølge US Bureau of Transportation Statistics . Flyselskaber har afskåret kortere flyvninger, hovedsagelig fordi det meste af brændstoffet forbrændes under start, hvilket betyder, at længere ruter er langt mere økonomiske. Og i betragtning af de høje omkostninger og besværet ved at flyve, vælger forbrugerne stort set biler, tog eller busser i stedet for denne rejseserie.

Zunums administrerende direktør Ashish Kumar, som tidligere var direktør hos Microsoft og Google, mener, at hybridfly kan ændre disse vaner - i vid udstrækning ved at reducere omkostningerne til brændstof og til gengæld billetpriserne. I de fleste dele af verden kan du fordoble dine indenrigsflymile, når folk stiger af motorvejen og ind i hurtigere fly, siger han.

Simon Simard

Efterhånden som batterierne forbedres, kan hybride og elektriske fly også skære ind i en meget større andel af lufttransporten. I 2035, forventer Kumar, vil hybridfly kunne nå afstande så store som 1.500 miles (2.414 kilometer), hvorpå flyrejser repræsenterer 82 % af ture, ifølge BTS.

Et grådigt batteri

Under et møde på Chiangs kontor i begyndelsen af september understregede Viswanathan udfordringerne ved at elektrificere luftfarten ved at trække et kort op, der viser afladningsprofilen af en batteripakke på tværs af en flyvesti. Det er en alpevæg i de første minutter af flyvningen. Derefter falder det dramatisk til et langt, fladt plateau, når flyet når marchhøjde.

Med andre ord skal et batteri være i stand til at levere en enorm mængde strøm ved start og pakke nok energitæthed til at sejle i mindst hundredvis af miles. Men for at arbejde inden for rammerne af flyfysik og økonomi skal det også være så langtidsholdbart og let som muligt og i stand til hurtig opladning - eller i det mindste, som Zunum planlægger, nemt at kunne byttes til et fuldt opladet batteri mellem flyvninger.

Viswanathan bemærker, at en standard Tesla-lignende batteripakke kan kontrollere de to første felter. Men takeoff ville være som at køre en Model S i latterlig tilstand i fire minutter i stedet for et par sekunder, hvilket genererer en enorm mængde varme.

Du ville stege batteriet, siger han.

Det ville radikalt forkorte levetiden for meget dyre batteripakker.

Dette klip viser, hvad der sker, når magnetiske kræfter påføres magnetiske dråber blandet med elektrodematerialer. Udlånt af MIT-forsker Jonathan Sander

At få lithium-ion-batterier til at aflades med en hastighed, der er hurtig nok til fly kræver, at det bliver lettere for ioner og elektroner at strømme gennem batteriet, især elektroderne. En mulighed er at gøre elektrodematerialerne mere porøse eller tyndere, men hver af disse ændringer vil have en høj pris på energitætheden.

Så i stedet udforsker forskerne måder at rette de snoede veje gennem tætpakket kulstof, koboltforbindelser og andre materialer i elektroderne.

Som i mange en magiske illusion, er tricket afhængigt af magneter.

I en 2016 papir i Naturenergi , Chiang, MIT-forsker Jonathan Sander og kolleger viste, at blanding af magnetiske nanopartikler i elektrodematerialerne og påføring af et let magnetfelt hjalp med at skabe afstemte veje gennem elektroderne.

Efterfølgende test viste, at afladningskapaciteten af disse elektroder, eller den hastighed, hvormed elektroner kan rejse ud af batteriet, var mere end dobbelt så høj som konventionelle lithium-ion-batterier - uden at ofre energitætheden.

Det åbner en helt ny retning i, hvad vi kan få ud af batterier til elektrisk luftfart, sagde Chiang.

Forskerne arbejder nu sammen med 24M i Cambridge, Massachusetts, hvor Chiang også fungerer som chefforsker, for at udvikle og teste prototypebatterier ved hjælp af denne magnetiske tilgang. Hvis alt går vel, vil Zunum derefter arbejde sammen med forskerne om at evaluere prototyperne i det, der er kendt som kobberfugleforsøg, hvor alle flyets elsystemer evalueres på jorden. Til sidst kunne de også testes i faktiske flyvninger.

Simon Simard

Bare starten

Indtil batterierne faktisk er skabt og evalueret, er det stadig at se, hvor godt denne tilgang virkelig vil fungere. Og selv i det bedste tilfælde er feltet sandsynligvis stadig årtier væk fra at elektrificere mere end en brøkdel af de samlede luftmil.

Richard Anderson, en rumfartsingeniør og direktør for Embry-Riddle Aeronautical Universitys Eagle Flight Research Center, påpeger, at batterier er mindst 20 gange tungere end brændstof for en given mængde energi. Han er skeptisk over, at selskaber, der forfølger hybride pendlerflyvninger, som Zunum, kan finde nok måder at opveje den ekstra vægt i de næste par år. Han mener også, at feltet overvurderer, hvor hurtigt hybridfly vil være i stand til at nå længere afstande - mens de undervurderer de regulatoriske udfordringer, de vil stå over for.

MIT og Carnegie forskerne selv er hurtige til at sige, at andre store batteriforbedringer stadig vil være nødvendige for at udvide rækkevidden af elektriske fly, hvilket kan nødvendiggøre et skift til helt andre kemier. Oven i det, vil fly sandsynligvis skulle redesignes fundamentalt for at reducere energibehovet, potentielt ved at omfordele motorer eller ændre kroppens form for at reducere luftmodstanden, siger Viswanathan.

Men han og Chiang arbejder på at udvikle en teknisk kapacitet, der ville være påkrævet uanset andre fremskridt. Selvom andre batteriingeniører finder måder at få elektriske fly til at flyve tusinde miles på, har de stadig brug for nok strøm til at komme fra jorden.

211service.com