Nasas elektriske fly ved navn X-57 har ennå ikke vært i lufta, men det forventes at de kommer på vingene i 2017. Legg merke til de smale vingene: Ved å sette en rekke propeller langs vingen blir det mindre turbulens på overflaten av vingen, og den blir dermed mer effektiv. Dermed kan selve vingen gjøres smalere.
Nasas elektriske fly ved navn X-57 har ennå ikke vært i lufta, men det forventes at de kommer på vingene i 2017. Legg merke til de smale vingene: Ved å sette en rekke propeller langs vingen blir det mindre turbulens på overflaten av vingen, og den blir dermed mer effektiv. Dermed kan selve vingen gjøres smalere. (Bilde: Nasa)

Elektriske fly

Elektriske fly gir muligheter for ny design og lavere forbruk

Med batterier som gir drivkraft til fly får flyingeniørene en rekke helt nye muligheter innen motor- og vingedesign.

  • Industri

Før du lener deg tilbake i setet og forventer å bli sendt til Mallorca eller kanskje bare til et mer lokalt møte i et lydløst elfly, er det noen ganske avgjørende teknologiske utfordringer som må løses først.

Det skyldes først og fremst at vi med dagens batteriteknologi riktig nok er i stand til å få et fly til å lette fra bakken, men det vil ikke komme særlig langt før batteriene er tomme.

De batteriene vi har til rådighet i dag, kan optimalt inneholde 200-250 Wh/kg. Det er ikke mye sammenlignet med flydrivstoff, som ligger i området 12.000 Wh/kg. Det innebærer at et fly med batterier grovt sett – og hvis det tas hensyn til at elmotorer er mindre og mer effektive enn flymotorer – må ha med 60 ganger så stor vekt, hvis batterier skal erstatte flydrivstoffet.

Det finnes massevis av forskning og utvikling på batteriområdet, og ingen tviler på at det vil komme enda bedre batterier. Men når, og hva prisen blir, er ekspertene uenige om.

De er likevel enige om at den hellige gralen innen batteriteknologi heter litium-luft-batterier, hvor det teoretiske potensialet for energiinnhold ligger på over 11.000 Wh/kg – noe som altså stort sett tilsvarer energiinnholdet i en liter bensin. Men utfordringene er enorme, og ikke alle forskere tror at dette er mulig.

Jetmotorene har vokst

Elektriske fly på gang

Elektriske passagerfly er i kjømda. Kanskje ikke akkurat i år, men innenfor de neste 10-20 årene forventer eksperter at vi vil se hybridfly i ulike versjoner – og på litt lengre sikt kan vi få reelle elfly som vil kunne betjene kortere ruter.

I de kommende dagene ser vi på noen av aspektene og utfordringene ved elfly:

Men det hindrer ikke flyingeniørene i å komme med nye og innovative flykonstruksjoner. For bruken av elmotorer åpner helt andre muligheter for å optimere driften enn dagens propell- og jetmotorer. Dette gjelder spesielt jetmotorer, hvor den grunnleggende regelen fram til nå har vært klar: Jo større motor, desto mer effektiv og energibesparende er den.

Samtidig er det bruk for motorer som har stor effekt ved start, men som bare nipper til det dyrebare drivstoffet når flyet har kommet seg i lufta. Problemet er bare at det er vanskelig å produsere en motor som er god til begge deler.

Den siste utgaven av GEs jetmotor, som skal brukes på de kommende Boeing-flyene 777-8 og 777-9, er over 3,5 meter i diameter.
Den siste utgaven av GEs jetmotor, som skal brukes på de kommende Boeing-flyene 777-8 og 777-9, er over 3,5 meter i diameter. Foto: General Electrics Aviation

Utviklingen har også ført til motorer med en ekstrem diameter, fordi det er hensiktsmessig å lede en stor del av luftstrømmen utenfor forbrennings-kammeret: Det sparer drivstoff, og gir mindre støy.

Totalt sett er de mest effektive jetmotorene blitt enormt store og tunge. Det siste skuddet på stammen er GE Aviations nyeste GE9X-motor, som skal sitte på Boeings kommende passasjerfly 777-8- og 777-9. Selve motorene er over 3,5 meter i diameter. De henger under vingene, som nå må være enda sterkere. De store motorene gir også ekstra luftmotstand.

Elmotorer gir nye konstruksjonsmuligheter

Men hvis jetmotorene kan byttes ut med elmotorer, gir det noen helt nye muligheter for å konstruere flyet. Det forteller Mark Voskuijl, som er flyingeniør på instituttet for Aerospace Engineering på Delfts tekniske universitet. Han har i en årrekke forsket på flydesign, både i forhold til selve flyets utforming og den motorteknologien som skal sikre at flyet overhodet flytter på seg.

Han innrømmer at kommersielle fly med 100 prosent batteridrift ikke vil komme på noen år, mens hybridfly – hvor en del av framdriften skjer med batteridrift, slett ikke er urealistisk:

– Under avgang må det for eksempel brukes mye kraft, og det kan gjerne skje med batterikraft. Når først flyet er i lufta, kan en optimert jetmotor ta over, og ved nedstigning kan propellene brukes til å lade opp batteriene, akkurat slik vi ser det med oppsamling av bremseenergien i en hybridbil, sier Mark Voskuijl.

Her tester Nasa en ny vingekonstruksjon utfra DEP-princippet (Distributed Electric Propulsion).
Her tester Nasa en ny vingekonstruksjon utfra DEP-princippet (Distributed Electric Propulsion). Foto: Nasa

Men elmotorer har også noen andre triks i ermet. For i motsetning til forbrennings-motorer, er det ikke særlig stor forskjell på virkningsgraden, enten motoren er stor eller liten. Det er altså ikke så mye å hente på å bruke store elmotorer. Samtidig trenger man bare å føre en forsyningsledning og en signalkabel inn til en elmotor for å få den til å fungere. Det er langt enklere enn med en forbrenningsmotor, hvor det skal føres inn drivstoff gjennom rør.

– Det gir helt nye muligheter innen design. For eksempel vil framdriften være mest effektiv hvis det er en stor strøm av luft, men en liten akselerasjon av lufta. Det kan oppnås ved å plassere mange små propeller langs vingen. Samtidig kan de små propellene til sammen levere samme skyvekraft som en enkel stor propell, forklarer Mark Voskuijl.

Prinsippet heter Distributed Electric Propulsion (DEP), og det gjør det også mulig å lage selve vingen mer effektiv og gjøre motstanden mindre. Det skyldes at de mange små propellene gir en bedre luftstrøm over vingen. Vingen blir ganske enkelt «glattere» ved at de små propellene akselererer luften. Det gir mindre turbulens på overflaten av vingen og dermed mindre motstand.

Fem ganger mer effektivt

Et slikt fly har Nasa utviklet. Det heter X-57, og begynte livet sitt som Tecnam P2006T; et tradisjonelt tomotors fly fra italienske Tecnam.

Men Nasa har bygd det om, slik at det nå er plassert 14 elmotorer langs vingen. De to ytterste er større enn de andre 12, og brukes til cruisefart når flyet er i lufta. Men det er ikke noen enkel oppgave, innrømmer sjefingeniør Matthew Redifer:

– Monteringen av alle styresystemene og elektronikken som må til ved å sette motorene ut på vingene, er en enorm integrasjonsoppgave.

Men ingeniørene hos Nasa er også overbeviste om at fordelene ved denne typen elfly er enorme. Beregninger viser at flyet vil være i stand til å fly raskere og stillere enn det produksjonsflyet som konseptet bygger på:

– Og det vil skje med en femdel av energiforbruket, sier Matthew Redifer. De første testflygningene skal foretas i 2017.

Artikkelen er opprinnelig publisert på Ing.dk

Kommentarer (28)

Kommentarer (28)