Nguyên mẫu Alice của Eviation. Ian Langsdon / EPA

Chính phủ Anh có kế hoạch cấm bán xe chạy bằng xăng và dầu diesel thông thường mới bởi 2040. Rõ ràng kế hoạch dành cho tất cả công dân là lái xe ô tô điện hoặc hybrid, hoặc - tốt hơn là vẫn đi xe đạp. Nhưng liệu điện khí hóa có thể giúp cắt giảm khí thải từ hình thức vận chuyển hành khách sử dụng nhiều carbon khác, bay không?

Đây là một câu hỏi phức tạp và một trong những vấn đề kích thước. Có thể cho máy bay nhỏ được cung cấp điện. Trên thực tế, một số công ty đã phát triển máy bay điện nhỏ và họ có thể xuất hiện trên thị trường Vài năm tới.

Nhưng đối với các máy bay lớn, tất cả chúng ta đều sử dụng thường xuyên hơn, điều đó khó có thể xảy ra bất cứ lúc nào sớm. Vấn đề không phải là công nghệ đẩy mà là dự trữ năng lượng. Nhiên liệu máy bay phản lực chứa năng lượng gấp 3 lần mỗi kg so với pin lithium-ion tiên tiến nhất hiện có.

Máy bay chở khách lớn nhất thế giới, Airbus A380, có thể bay hành khách 600 hàng km trong một chuyến bay. Nhưng, theo tính toán của tôi, với pin, nó chỉ có thể bay một chút trên 15,000 km. Ngay cả khi tất cả hành khách và hàng hóa được thay thế bằng pin, phạm vi vẫn sẽ ít hơn 1,000 km. Để giữ phạm vi hiện tại của nó, máy bay sẽ cần pin có trọng lượng 2,000 gấp nhiều lần so với lượng nhiên liệu hiện tại của nó, nghĩa là nó sẽ không bao giờ rời khỏi mặt đất.

Sự đánh đổi này đặc biệt tồi tệ đối với các chuyến bay đường dài vì nhiên liệu chiếm một nửa trọng lượng của máy bay khi cất cánh. Hơn nữa, một chiếc máy bay thông thường trở nên nhẹ hơn khi nhiên liệu được tiêu thụ, nhưng một chiếc máy bay điện sẽ phải mang cùng trọng lượng pin cho toàn bộ chuyến bay. Như tôi đã nói, vấn đề kích thước.

Đối với máy bay hạng nhẹ năm đến mười chỗ ngồi, nhiên liệu có khả năng chiếm tới 10% đến 20% trọng lượng của máy bay. Chỉ cần trao đổi nhiên liệu cho pin vẫn có thể giảm khoảng cách máy bay có thể bay với một lượng không thực tế. Nhưng việc thay thế hai hoặc ba hành khách bằng pin bổ sung sẽ cung cấp phạm vi 500 km thành 750 km, so với phạm vi chạy bằng nhiên liệu trên 1,000km.

Mô hình thương mại đầu tiên

Tuy nhiên, có thể có một lựa chọn khác. Công ty Israel Trốn tránh gần đây đã tiết lộ một phiên bản nguyên mẫu của những gì nó tuyên bố sẽ là máy bay chở khách chạy bằng điện thương mại đầu tiên trên thế giới. Máy bay có tên Alice, không chỉ trao đổi nhiên liệu máy bay cho pin mà là một khái niệm thiết kế hoàn toàn mới giúp cải thiện cách hệ thống động cơ được tích hợp vào khung máy bay. Chở chín hành khách với phạm vi 1,000km, Alice dự kiến ​​sẽ tham gia dịch vụ tại 2022.

Alice có thể là một sự thay thế thực tế cho các chuyến đi nhỏ trong khu vực nhưng không phải cho hầu hết các chuyến bay chở khách theo lịch trình, ngay cả những chuyến bay ngắn. Vậy làm thế nào để điện khí hóa có thể giúp đỡ ở đây? Cải tiến công nghệ pin là một lựa chọn. Một công nghệ mới được gọi là pin lithium-air về mặt lý thuyết có thể đạt mật độ năng lượng tương đương với nhiên liệu máy bay. Tuy nhiên, họ vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm. Với bản chất cực kỳ an toàn của ngành hàng không, không có khả năng lập kế hoạch cho máy bay trong tương lai về công nghệ chưa được chứng minh.

Những gì chúng ta có thể thấy nhiều hơn cho các chuyến bay ngắn trong các năm 20 đến 30 tiếp theo là máy bay lai kết hợp động cơ phản lực hiện tại với hệ thống động cơ điện mới. Hệ thống hybrid linh hoạt hơn này có thể được tối ưu hóa để cung cấp lực đẩy cao cần thiết cho việc cất cánh và mật độ năng lượng cần thiết cho một hành trình dài.

E-Fan X lai. Airbus

Đây là một lĩnh vực đang được tích cực theo đuổi trong Quạt điện tử dự án, liên quan đến Airbus, Rolls-Royce và Siemens hợp tác để phát triển một máy bay trình diễn động cơ đẩy điện hybrid. Sử dụng máy bay BAe 146, thường chở theo hành khách 100, họ dự định thay thế một trong bốn động cơ phản lực Honeywell của máy bay bằng quạt đẩy được điều khiển bởi động cơ điện hai megawatt.

Trong các giai đoạn ban đầu của dự án, điện thực sự sẽ được cung cấp bởi một tuabin khí Rolls-Royce AE2100 được đặt trong thân máy bay (thân chính). Nhưng E-FanX vẫn sẽ là một bước quan trọng trong sự phát triển của công nghệ điện hybrid. Airbus nói họ muốn làm cho công nghệ này có sẵn cho máy bay chỗ ngồi 100 của 2030.

Cũng có thể trang bị cho một chiếc máy bay nhiều động cơ điện nhỏ trong một hệ thống động cơ phân tán được gọi là hiệu quả hơn so với thiết kế truyền thống sử dụng hai động cơ phản lực lớn. Ý tưởng này có thể được thực hiện xa hơn bằng cách kết hợp thân máy bay và cánh riêng biệt thành một chiếc duy nhấtcơ thể cánhThân, tích hợp hiệu quả hơn các động cơ đẩy với khung máy bay trong một thiết kế khí động học hơn. Điều này có thể làm giảm lượng năng lượng mà máy bay sẽ cần bằng 20%.

Nhưng cả hai nhà sản xuất máy bay chính của thế giới, Boeing và Airbus, đều không tích cực theo đuổi công nghệ cánh pha trộn. Một sự thay đổi thiết kế lớn như vậy có quá nhiều thách thức kỹ thuật để làm cho nó thương mại khả thi ngay bây giờ. Ví dụ, hầu hết các sân bay sẽ không thể chứa một máy bay cánh hỗn hợp.

Không có thay thế

Thật không may, đối với các loại chuyến bay mà hầu hết chúng ta thực hiện hiện tại không có sự thay thế thực tế nào cho các động cơ phản lực chạy bằng nhiên liệu phản lực. Vì lý do này, các nhà sản xuất động cơ máy bay chính đang đầu tư mạnh vào việc cải thiện công nghệ động cơ hiện tại của họ. Hiệp hội vận tải hàng không quốc tế ước tính rằng mỗi thế hệ máy bay mới trung bình tiết kiệm nhiên liệu hơn so với mô hình mà nó thay thế, và các hãng hàng không sẽ đầu tư hàng nghìn tỷ đô la Mỹ vào máy bay mới trong thập kỷ tới.

Ví dụ: động cơ gần đây nhất của Rolls-Royce, XWB cung cấp năng lượng cho cái mới Airbus A350, được tiếp thị là “động cơ máy bay cỡ lớn hiệu quả nhất thế giới”. Airbus tuyên bố động cơ này sẽ giúp A350 đạt được “chi phí vận hành, đốt cháy nhiên liệu và CO? lượng khí thải khi so sánh với máy bay thế hệ trước”.

Thế hệ tiếp theo của động cơ Rolls-Royce, UltraFanTM, sẽ giúp giảm thêm 20% đến 25% mức tiêu thụ nhiên liệu và CO? phát thải và dự kiến ​​sẽ được đưa vào sử dụng vào năm 2025.

Nhưng cần nhớ rằng ngành hàng không hiện chỉ đóng góp 2% đến 3% lượng CO30 toàn cầu? khí thải. Con số này so với khoảng 35% đến 30% đối với toàn ngành giao thông vận tải và 35% đến XNUMX% đối với sản xuất điện.

Số lượng hành khách hàng không là dự kiến ​​sẽ tăng gấp đôi trong hai thập kỷ tới nhưng tổng lượng khí thải cũng vậy nên điều này khó có thể khiến hàng không trở thành một phần lớn của vấn đề. Giảm phát thải hàng không bằng 20% mỗi thế hệ máy bay có thể không phải là một cải tiến bền vững. Nhưng nếu máy bay lai được biến thành hiện thực thì việc bay thực sự có thể trở thành ít đóng góp cho tổng lượng khí thải hơn so với hiện nay.

Giới thiệu về Tác giả

Duncan Walker, Giảng viên cao cấp về Khí động lực học ứng dụng, Đại học Loughborough

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.