Ketika mobil dan truk listrik semakin terlihat di jalan raya AS, ia menimbulkan pertanyaan: Kapan kendaraan listrik yang layak secara komersial akan terbang ke langit? Ada sejumlah upaya ambisius untuk membangun pesawat bertenaga listrik, termasuk jet dan pesawat regional yang dapat menempuh jarak yang lebih jauh. Elektrifikasi mulai memungkinkan jenis perjalanan udara yang banyak diharapkan, tetapi belum melihat - mobil terbang.
Tantangan utama dalam membangun pesawat listrik melibatkan berapa banyak energi yang dapat disimpan dalam jumlah tertentu dari sumber energi on-board. Meskipun baterai terbaik menyimpan sekitar 40 kali lebih sedikit energi per unit berat daripada bahan bakar jet, sebagian besar energi mereka tersedia untuk menggerakkan gerakan. Pada akhirnya, untuk bobot tertentu, bahan bakar jet mengandung sekitar 14 kali lebih banyak energi yang dapat digunakan daripada baterai lithium-ion yang canggih.
Itu membuat baterai relatif berat untuk penerbangan. Perusahaan-perusahaan penerbangan sudah mengkhawatirkan berat badan - membebankan biaya bagasi sebagian untuk membatasi berapa banyak pesawat yang harus dibawa. Kendaraan darat dapat menangani baterai yang lebih berat, tetapi ada kekhawatiran yang sama. Kelompok penelitian kami telah menganalisis tradeoff energi-berat pada truk pickup listrik dan trailer traktor atau semi-truk.
Konsep seniman ini tentang desain pesawat listrik eksperimental NASA menunjukkan 14 motor di sepanjang sayap. (NASA) Dari truk listrik hingga kendaraan terbang
Kami mendasarkan penelitian kami pada deskripsi yang sangat akurat tentang energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan kendaraan bersama dengan detail proses kimia yang mendasari yang terlibat dalam baterai Li-ion. Kami menemukan bahwa semi-truk listrik mirip dengan yang bertenaga diesel saat ini dapat dirancang untuk melakukan perjalanan hingga 500 mil dengan sekali pengisian sekaligus dapat mengangkut kargo sekitar 93 persen dari semua perjalanan pengiriman.
Baterai perlu menjadi lebih murah sebelum masuk akal secara ekonomi untuk memulai proses konversi armada truk AS menjadi tenaga listrik. Itu sepertinya akan terjadi pada awal tahun 2020-an.
Kendaraan terbang sedikit lebih jauh, karena mereka memiliki kebutuhan daya yang berbeda, terutama saat lepas landas dan mendarat.
Apa itu e-VTOL?
Tidak seperti pesawat penumpang, drone bertenaga baterai kecil yang membawa paket pribadi jarak pendek, saat terbang di bawah 400 kaki, sudah mulai digunakan. Tetapi membawa orang dan barang bawaan membutuhkan energi 10 kali lebih banyak - atau lebih.
Kami melihat berapa banyak energi yang dibutuhkan pesawat terbang bertenaga baterai kecil yang dapat lepas landas dan mendarat secara vertikal. Ini biasanya dirancang untuk meluncurkan lurus ke atas seperti helikopter, beralih ke mode pesawat yang lebih efisien dengan memutar baling-baling atau seluruh sayap selama penerbangan, kemudian beralih kembali ke mode helikopter untuk mendarat. Mereka bisa menjadi cara yang efisien dan ekonomis untuk menavigasi daerah perkotaan yang sibuk, menghindari jalan yang tersumbat.
Kebutuhan energi pesawat e-VTOL
Kelompok penelitian kami telah membangun model komputer yang menghitung daya yang dibutuhkan untuk e-VTOL penumpang tunggal di sepanjang garis desain yang sudah dalam pengembangan. Salah satu contohnya adalah e-VTOL yang memiliki berat 1.000 kilogram, termasuk penumpang.
Bagian terpanjang dari perjalanan, berlayar dalam mode pesawat, membutuhkan energi paling sedikit per mil. Sampel e-VTOL kami akan membutuhkan sekitar 400 hingga 500 watt-jam per mil, dengan jumlah energi yang sama dengan yang dibutuhkan truk pickup listrik - dan sekitar dua kali konsumsi energi dari sedan penumpang listrik.
Namun, lepas landas dan mendarat membutuhkan daya lebih besar. Terlepas dari seberapa jauh perjalanan e-VTOL, analisis kami memprediksi lepas landas dan pendaratan gabungan akan membutuhkan antara 8.000 dan 10.000 watt-jam per perjalanan. Ini sekitar setengah energi yang tersedia di sebagian besar mobil listrik kompak, seperti Nissan Leaf.
Untuk seluruh penerbangan, dengan baterai terbaik yang tersedia saat ini, kami menghitung bahwa e-VTOL penumpang tunggal yang dirancang untuk mengangkut seseorang 20 mil atau kurang membutuhkan sekitar 800 hingga 900 watt-jam per mil. Itu sekitar setengah dari jumlah energi sebagai semi-truk, yang tidak terlalu efisien: Jika Anda perlu melakukan kunjungan singkat ke toko di kota terdekat, Anda tidak akan naik ke kabin truk traktor yang penuh muatan untuk Kesana.
Saat baterai meningkat selama beberapa tahun ke depan, mereka mungkin dapat mengemas sekitar 50 persen lebih banyak energi untuk bobot baterai yang sama. Itu akan membantu menjadikan e-VTOLS lebih layak untuk perjalanan jarak pendek dan menengah. Tetapi, ada beberapa hal lagi yang diperlukan sebelum orang benar-benar dapat mulai menggunakan e-VTOL secara teratur.
Geser panel geser 'energi spesifik' ke sisi untuk melihat bagaimana membuat baterai lebih baik dapat mengubah kebutuhan energi kendaraan. Venkat ViswanathanBukan hanya energi
Untuk kendaraan darat, menentukan rentang perjalanan yang berguna sudah cukup - tetapi tidak untuk pesawat dan helikopter. Desainer pesawat terbang juga perlu memeriksa dengan seksama kekuatan - atau seberapa cepat energi yang tersimpan tersedia. Ini penting karena bersandar untuk lepas landas dengan jet atau menekan gravitasi di helikopter membutuhkan daya lebih besar daripada memutar roda mobil atau truk.
Oleh karena itu, baterai e-VTOL harus dapat mengeluarkan daya dengan laju kira-kira 10 kali lebih cepat daripada baterai pada kendaraan jalan listrik. Ketika baterai lebih cepat habis, baterai menjadi jauh lebih panas. Sama seperti kipas laptop Anda berputar dengan kecepatan penuh ketika Anda mencoba untuk streaming acara TV sambil bermain game dan mengunduh file besar, paket baterai kendaraan harus didinginkan lebih cepat setiap kali diminta menghasilkan daya lebih besar.
Baterai kendaraan jalan tidak memanas hampir sebanyak saat mengemudi, sehingga dapat didinginkan oleh udara yang lewat atau dengan pendingin sederhana. Namun, taksi e-VTOL akan menghasilkan panas dalam jumlah besar saat lepas landas yang akan membutuhkan waktu lama untuk mendinginkan - dan pada perjalanan singkat mungkin bahkan tidak sepenuhnya dingin sebelum memanas lagi saat mendarat. Relatif dengan ukuran paket baterai, untuk jarak yang sama yang ditempuh, jumlah panas yang dihasilkan oleh baterai e-VTOL selama tinggal landas dan mendarat jauh lebih banyak daripada mobil listrik dan semi-truk.
Panas ekstra itu akan mempersingkat masa pakai baterai e-VTOL, dan mungkin membuatnya lebih rentan terhadap kebakaran. Untuk menjaga keandalan dan keselamatan, pesawat listrik akan membutuhkan sistem pendingin khusus - yang akan membutuhkan lebih banyak energi dan berat.
Ini adalah perbedaan penting antara kendaraan jalan listrik dan pesawat listrik: Desainer truk dan mobil tidak perlu secara radikal meningkatkan output daya atau sistem pendingin mereka, karena itu akan menambah biaya tanpa membantu kinerja. Hanya penelitian khusus yang akan menemukan kemajuan vital ini untuk pesawat listrik.
Topik penelitian kami selanjutnya akan terus mengeksplorasi cara-cara untuk meningkatkan baterai e-VTOL dan persyaratan sistem pendingin untuk menyediakan energi yang cukup untuk rentang yang berguna dan daya yang cukup untuk lepas landas dan mendarat - semuanya tanpa kepanasan.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Venkat Viswanathan, Asisten Profesor Teknik Mesin, Universitas Carnegie Mellon
Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat Teknik Mesin, Universitas Carnegie Mellon
William Leif Fredericks, Asisten Peneliti Teknik Mesin, Universitas Carnegie Mellon
