Jednym z głównych celów agencji kosmicznych i komercyjnego przemysłu lotniczego jest ograniczenie związanych z tym kosztów eksploracji kosmosu. Ale nie tylko koszty wysyłania ładunków w kosmos (i powodowane przez nie zanieczyszczenia) dotyczą agencji takich jak NASA.
Z lotnictwem wiąże się również koszt (ekonomiczny i środowiskowy). Paliwo do silników odrzutowych również nie jest tanie, a komercyjne podróże lotnicze stanowią 4–9% antropogenicznych gazów cieplarnianych (i rośnie). Z tego powodu NASA współpracuje z przemysłem komercyjnym w celu opracowania samolotów elektrycznych, które, jak mają nadzieję, zapewnią tanią i oszczędną alternatywę dla komercyjnych samolotów do 2035 roku.
Stanowi to poważne wyzwanie, ponieważ wiele elementów potrzebnych do stworzenia funkcjonującego samolotu elektrycznego jest dość dużych i ciężkich. W szczególności program Advanced Air Vehicle Vehicles (AAVP) firmy NASA poszukuje lekkich i kompaktowych falowników - centralnego elementu układu elektrycznego zapewniającego moc do napędzania silnika elektrycznego.
Falowniki mają kluczowe znaczenie dla elektronicznych układów napędowych, ponieważ przekształcają prąd przemienny (AC) - generowany przez generatory montowane na silniku i silniki elektryczne napędzane przez śmigła - na moc prądu stałego o wysokim napięciu. Niestety, komponenty potrzebne do wytworzenia takiej ilości energii - generatory, elektronika przetwarzająca moc, silniki itp. - w przeszłości były zdecydowanie zbyt duże i ciężkie, aby zmieścić się w samolocie.
Stwarza to pewną zagadkę, ponieważ ilość energii potrzebnej do wygenerowania niezbędnego wzrostu wymagałaby jeszcze cięższej elektroniki. Dlatego NASA bada najnowocześniejsze badania materiałowe w celu stworzenia lżejszej i mniejszej elektroniki. W tym celu podpisali niedawno umowę o wartości 12 milionów dolarów z General Electric (GE), jednym ze światowych liderów w rozwoju najnowocześniejszej technologii węglika krzemu (SiC).
Ten półprzewodnikowy minerał jest wykorzystywany do produkcji wysokotemperaturowej, wysokonapięciowej elektroniki, a GE ma nadzieję, że wykorzysta go do spełnienia wymagań dotyczących wielkości, mocy i wydajności określonych przez NASA. Te specyfikacje wymagają falownika nie większego niż walizka i zdolnego do generowania megawata (MW) energii elektrycznej.
Jak wyjaśnił Jim Heidmann, kierownik projektu zaawansowanego transportu lotniczego NASA w komunikacie prasowym NASA:
„Jesteśmy w krytycznym momencie w historii lotnictwa, ponieważ mamy okazję opracować systemy, które obniżą koszty, zużycie energii i hałas, otwierając jednocześnie nowe rynki i możliwości dla amerykańskich firm. Konieczne jest, aby współpracować z przemysłem i środowiskiem akademickim, aby zapewnić dostępność odpowiednich technologii, aby sprostać wymaganiom przyszłych pasażerów i przewoźników ”.
Mówiąc prościej, megawat to ogromna ilość energii elektrycznej, a bezpieczne zarządzanie tego rodzaju energią jest poważnym wyzwaniem. Na przykład NASA
Ale dzięki postępom poczynionym w dziedzinie elektroniki i technologii silników hybrydowych w ostatnich latach wymagania te mogą być w zasięgu ręki. Amy Jankovsky, kierownik podprojektu Hybrid Gas-Electric Propulsion w NASA Glenn Research Center:
„Dzięki najnowszym osiągnięciom w dziedzinie materiałów i elektroniki mocy zaczynamy pokonywać wyzwania, jakie stoją przed opracowaniem koncepcji elektryfikacji zmniejszającej zużycie energii, a ta praca z falownikiem jest kluczowym krokiem w naszych wysiłkach zelektryfikowanych samolotów. Nasze partnerstwo z GE ma kluczowe znaczenie dla udoskonalania komponentów o masie lotu i gotowości do lotu w klasie megawatów dla przyszłych samolotów transportowych. ”
Węglik krzemu jest szczególnie obiecujący w zastosowaniach lotniczych o dużej mocy ze względu na swoje właściwości materiałowe. Oferuje wysokie temperatury pracy, wysokie napięcie i wysoką wydajność przenoszenia mocy. Te zalety pozwolą inżynierom na projektowanie elementów, które są mniejsze i lżejsze, jednocześnie zwiększając moc wyjściową.
„Zasadniczo pakujemy jeden megawat mocy w rozmiar kompaktowej walizki, która przetworzy wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby umożliwić architekturę napędu hybrydowo-elektrycznego dla samolotów komercyjnych” - powiedział Konrad Weeber, główny inżynier Electric Power w GE Research. „Z powodzeniem zbudowaliśmy i zademonstrowaliśmy falowniki na poziomie gruntu, które spełniają wymagania dotyczące mocy, wielkości i wydajności lotu elektrycznego”.
Rozwój tych systemów elektrycznych odbywa się obecnie w NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) w Sandusky, Ohio, który wcześniej był NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Pierwszy w swoim rodzaju, konfigurowalny testbed ma za zadanie zaprojektować, opracować, zmontować i przetestować systemy zasilania samolotów elektrycznych, które zostaną wykorzystane do stworzenia wszystkiego, od samolotów dwuosobowych po samoloty o mocy 20 MW.
W maju NEAT był w stanie przeprowadzić swój pierwszy test w skali megawatowej dzięki ogromnej mocy, do której ma dostęp ten zakład. To i niedawno podpisane partnerstwo z GE ma miejsce wkrótce po tym, jak NASA ogłosiła kolejną lukratywną współpracę z GE i dwiema dużymi firmami lotniczymi - Boeing i United Technologies Pratt & Whitney - w celu zbadania możliwych korzyści i ryzyka związanych z pokazami lotów w skali megawata.
Jak powiedział Barb Esker, zastępca dyrektora programu Advanced Air Vehicles Program NASA:
„Prezentacje w locie są ważną częścią rozwoju technologii, ponieważ oferują naszym inżynierom i partnerom branżowym możliwość wypracowania problemów i udowodnienia koncepcji w realistycznych warunkach, przy jednoczesnym sprostaniu wyzwaniom stojącym przed zelektryfikowanym napędem w lotnictwie.”
Pomiędzy zagrożeniem zmianami klimatu a prognozą, że do 2050 r. Populacja świata osiągnie blisko 10 miliardów, jasne jest, że należy opracować alternatywne środki produkcji, produkcji energii i transportu. Dobrze wiedzieć, że oprócz samochodów elektrycznych i hybrydowych możemy spodziewać się samolotów elektrycznych i hybrydowych.
