Designer fremtidens elektriske flymotor - med maks virkningsgrad og minimal støy

Senior Principal Engineer Dr. Roy Fulayter har konstruert jetmotorer i Rolls Royce i elleve år. Fossilmotorer altså. Nå har han latt seg lokke over til det som kan blir en mer fornybar fremtid: Han er ansvarlig for å konstruere en ny motor for Zunums elektriske fly, som de håper skal i lufta ferdig utviklet og sertifisert i 2022.

– Vennene mine spør hvorfor jeg bytter fra en sikker jobb med jetmotorer til dette, men når jeg forklarer dem om min beslutning og hvorfor jeg tar dette spranget fra fossile til elektriske motorer så lurer de på hvorfor jeg ikke har gjort det før, sier han.

Fulayter mener en elektrisk flymotor har stort potensial, både for effektivitet, sikkerhet og økonomi.

Vifta og motoren er en enhet og industrien har bred og lang erfaring med begge deler. Utfordringen de må løse er ikke først og fremst motoren, det er batteriene.

• For to år siden ble Avinor-sjefen idioterklært: Det har endret seg formidabelt (for abonnenter)

Fossilmotoren er kompleks

Dagens jetmotorer er teknisk sett fantastiske innretninger, med svært lang holdbarhet. Men de har også en bakside, i tillegg til at de forurenser, og det er at de er svært komplekse og kostbare.

– En jetmotor kan inneholde mange tusen komponenter og noen av dem er svært kostbare. Noen av viftebladene i et langdistansefly kan koste så mye som en liten bil, og når det er opptil tusen av dem sier det seg selv at motoren blir kostbar. Det gjør at selv små regionale jetfly blir svært kostbare og at store langdistansefly koster mange hundre millioner dollar.

Det er nesten utrolig at moderne jetmotorer fungerer. For å få så høy effekt som mulig er temperaturen på det varmeste høyere enn smeltepunktet på legeringene rundt, men på grunn av måten luftstrømmen er designet på så går det bra.

– Det trengs ganske mye eksotiske og svært kostbare metaller for å lage moderne jetmotorer, men de har også veldig høy virkningsgrad. Problemet er selvfølgelig forurensing, og at den høye temperaturen gjør at de slipper ut mye NOx-gasser. De store motorprodusentene har klart å presse ut rundt to til tre prosent mer virkningsgrad for hvert tiår, sier Fulayter.

Det store spørsmålet er hvordan ny teknologi skal kunne bidra med å endre dagens fly drastisk.

Han tror det vil ta svært lang til før det er mulig å gjøre noe med langdistanseflyvning. Det er kanskje mindre viktig også, for de største utslippene per passasjerkilometer kommer på korte distanser hvor opp- og nedstigning til marsjhøyde er en så stor del av flytiden.

Elfly på korte distanser

– På kort sikt og på korte distanser er elektriske fly løsningen. Men vi kan ikke klare oss med batterier på lenge ennå. Slike passasjerfly må være hybride i lang tid fremover. Det løser to utfordringer. For det første vil de ha en rekkevidde som ikke er begrenset av batteriene, som er på rundt 30 mil inklusive oppstigningen. Slike ruter kan flys helelektrisk, men det stilles sterke krav til å kunne fly mye lenger på grunn av sikkerhet, og da må vi ha en turbingenerator om bord. For det andre så vil en slik turbingenerator kunne utformes for og gå på et mer optimalt turtall enn en vanlig jetmotor, sier han.

Med en tradisjonell jetmotor må man ta hensyn til at den skal kunne ta flyet opp til marsjhøyde som er en type hard belastning, og så over i en mye lavere belastning for å skyve flyet fremover. Hvis hybriddriften settes i gang, så skal turbinen bare ta seg av batterilading og vil være utformet bare for det formålet. Fordi den ikke trenger å forholde seg til et register av belastninger vil den ha mye større virkningsgrad.

• For første gang: Se samferdselsministeren fly elektrisk

Høy virkningsgrad

En moderne vanlig jetmotor har turbojet som kjerne, men det aller meste av skyvekraften kommer fra selve viften som suger inn luft og sender den bakover. Det såkalte bypass-forholdet sier hvor mye som passerer forbi motorkjernen i forhold til den mengden luft som suges inn i den.

Problemet er at vifta roterer med samme omdreiningstall som motorkjernen, og det er ikke optimalt. En nyere konstruksjon girer med vifta til et lavere turtall enn motoren og det hjelper mye på virkningsgraden, men uansett er en slik motor full av kompromisser.

– Den motoren vi konstruerer vil ha svært høy virkningsgrad. Ser vi på vifta alene vil den komme opp mot 95 prosent. Men vi må selvfølgelig også regne inn virkningsgraden for elmotoren, kraftelektronikken og batteriene, så i starten regner jeg med at vi vil ligge ned mot 70 prosent. Men dette vil bli bedre over tid, sier Fulayter.

Han sier at jobben hans har endret seg. Nå er det ikke bare jetmotorer og gassturbiner det dreier seg om. Nå må folk fra hans side jobbe sammen med de som kan batterier og elektromotorer for å bygge en så god motor som mulig. Zunum vil også bygge sin egen elmotor slik at den passer best mulig til formålet. Generatoren og turbinen som skal monteres inne i flykroppen vil være basert på kommersielt tilgjengelige komponenter.

Mens Fulayter før jobbet i årevis for hver prosent forbedring av virkningsgraden, har den jobben han nå har et helt annet mål. Motoren han er med å bygge skal ha 50 prosent bedre virkningsgrad enn en fossilmotor.

– Dette har selvfølgelig med måten hele flyet designes på også. Vi bygger det for korte ruter og det er langt fra optimalt for en jetmotor. Det vi måler på er kWh forbrukt per passasjer på de ulike rutene, sier han.

Ikke propell

Det å bruke propeller har ikke vært aktuelt. Propeller bråker mye mer, og støyfrihet har vært et viktig kriterium. De er heller ikke så effektive som en innelukket vifte hverken i lydstyrke eller lydtype.

– Vi designer viften lik at den skal ha en hastighet på enden av viftebladene på under Mach 1. De fleste vanlige jetmotorer ligger over lydhastigheten, og det har mye å si for støynivået. Det er ikke unikt for oss at vi jobber mod lavere støy. Det gjør produsenter av konvensjonelle jetmotorer også, men vi har en del fordeler de ikke kan slå, sier han.

Han anslår støynivået til mellom 85 dB på lav belastning og opp til 95 dB på maksimal belastning.

• Innsikt: Norge skal bli først og størst på elektrisk luftfart

Tester

Den første elmotoren er allerede under testing og viftebladene skal snart under lupen. De vil se ut som de som sitter i jetmotorer, men det vil være langt færre av dem. Et sted mellom 10 og 20.

– Vi designer for høy virkningsgrad og lav støy, men samtididig kommer de til å være mer pålitelige enn i en fossilmotor. Vi slipper den raske oppvarmingen og avkjølingen som jetmotorer må ha. Prismessig vil motoren bli billigere også. Jeg tror dette vil bli det vi kaller en industriell disrupsjon som bare så vidt har startet og det vil etter hvert gå opp for den tradisjonelle motorindustrien. Spesielt når batteriene blir mye bedre. Og det blir de, sier Fulayter.

Motoren designes for å gi flyet en hastighet på mellom 300 og 350 km/t. Det kan høres sakte ut, men sakte fart sparer strøm, og flyet kan bringe folk fra flyplasser som er mye nærmere der de bor og mye nærmere dit de skal. Det mer enn oppveier for hastigheten.