¿Cuándo exactamente volarán los aviones eléctricos a los cielos? Los ingenieros pesan en

A medida que los automóviles y camiones eléctricos aparecen cada vez más en las autopistas de EE. UU., Surge la pregunta: ¿Cuándo los vehículos eléctricos comercialmente viables subirán al cielo? Hay una serie de esfuerzos ambiciosos para construir aviones de propulsión eléctrica, incluidos aviones y aviones regionales que pueden cubrir distancias más largas. La electrificación está comenzando a permitir un tipo de transporte aéreo que muchos han estado esperando, pero aún no han visto, un automóvil volador.

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

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Eso hace que las baterías sean relativamente pesadas para la aviación. Las compañías aéreas ya están preocupadas por el peso: imponen aranceles sobre 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 compensación del peso y la energía en las camionetas eléctricas y en los remolques o semirremolques.

De camiones eléctricos a vehículos voladores

Basamos nuestra investigación en una descripción muy precisa de la energía requerida para mover el vehículo junto con los detalles de los procesos químicos subyacentes involucrados en las baterías de ion-litio. Descubrimos que un semirremolque eléctrico similar a los diésel actuales podría diseñarse para viajar hasta 500 millas con una sola carga, mientras que puede 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. Parece probable que eso suceda a principios 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 pequeños drones que funcionan con baterías que transportan paquetes personales en distancias cortas, mientras vuelan a menos de 400 pies, ya están en uso. Pero llevar personas y equipaje requiere 10 veces más energía, o más.

Examinamos cuánta energía necesitaría un pequeño avión a batería capaz de despegar y aterrizar verticalmente. Estos están típicamente diseñados para lanzarse hacia arriba como helicópteros, cambiar a un modo de avión más eficiente girando sus hélices o sus alas completas durante el vuelo, luego hacer la transición al modo de helicóptero para aterrizar. Podrían ser una forma eficiente y económica de navegar por zonas urbanas ocupadas, evitando las carreteras obstruidas.

Requisitos energéticos de las aeronaves e-VTOL

Nuestro grupo de investigación ha construido un modelo de computadora que calcula la potencia necesaria para un e-VTOL de un solo pasajero en 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, en crucero en modo avión, necesita la menor cantidad de energía por milla. Nuestra e-VTOL de muestra necesitaría aproximadamente de 400 a 500 vatios-hora por milla, aproximadamente la misma cantidad de energía que una camioneta eléctrica necesitaría, y aproximadamente el doble del consumo de energía de un sedán eléctrico para 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 autos eléctricos compactos, como un Nissan Leaf.

Para un vuelo completo, con las mejores baterías disponibles en la actualidad, calculamos que un e-VTOL para un solo pasajero diseñado para transportar a una persona de 20 millas o menos requeriría de 800 a 900 vatios-hora por milla. Eso es aproximadamente la mitad de la cantidad de energía que un semirremolque, lo cual no es muy eficiente: si necesitara hacer una visita rápida para comprar en una ciudad cercana, no saltaría a la cabina de un tractor-remolque completamente cargado para ir allí.

A medida que las baterías mejoran en los próximos años, pueden 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, se necesitan algunas cosas más antes de que la gente pueda comenzar a usar e-VTOLS con regularidad.

No es solo energía

Para los vehículos terrestres, basta con determinar el rango útil de viaje, pero no para aviones y helicópteros. Los diseñadores de aeronaves también deben examinar detenidamente la potencia, o la rapidez con la que está disponible la energía almacenada. Esto es importante porque subir para despegar en un avión 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 en 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 la velocidad máxima 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 mientras conducen, 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 tal vez ni siquiera se enfríe por completo antes de volver a calentarse durante el aterrizaje. En relación con el tamaño del paquete de baterías, para la misma distancia recorrida, la cantidad de calor generado por una batería e-VTOL durante el despegue y el aterrizaje es mucho más que los automóviles eléctricos y los semirremolques.

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Ese calor adicional acortará la vida útil de las baterías e-VTOL y posiblemente las hará más susceptibles a incendiarse. Para preservar la confiabilidad y 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 su potencia de salida o sus sistemas de refrigeración, porque eso agregaría costos sin mejorar el rendimiento. Sólo la investigación especializada encontrará estos avances vitales para los aviones eléctricos.

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

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Venkat Viswanathan, Shashank Sripad y William Leif Fredericks. Lee el artículo original aquí.