À medida que carros e caminhões elétricos aparecem cada vez mais nas rodovias dos EUA, isso levanta a questão:quando os veículos elétricos comercialmente viáveis ​​chegarão aos céus? Há uma série de esforços ambiciosos para construir aviões elétricos, incluindo jatos regionais e aviões que podem cobrir distâncias mais longas. A eletrificação está começando a permitir um tipo de viagem aérea que muitos esperavam, mas não vi ainda - um carro voador.

Um desafio importante na construção de aeronaves elétricas envolve a quantidade de energia que pode ser armazenada em uma determinada quantidade de peso da fonte de energia a bordo. Embora as melhores baterias armazenem cerca de 40 vezes menos energia por unidade de peso do que o combustível de aviação, uma parcela maior de sua energia está disponível para impulsionar o movimento. Em última análise, para um determinado peso, o combustível de jato contém cerca de 14 vezes mais energia utilizável do que uma bateria de íon-lítio de última geração.

Isso torna as baterias relativamente pesadas para a aviação. As companhias aéreas já estão preocupadas com o peso - cobrando taxas sobre as bagagens em parte para limitar a quantidade de aviões que precisam carregar. Os veículos rodoviários podem lidar com baterias mais pesadas, mas existem preocupações semelhantes. Nosso grupo de pesquisa analisou a relação peso-energia em picapes elétricas e trator-reboque ou semi-caminhão.

De caminhões elétricos a veículos voadores

Baseamos nossa pesquisa em uma descrição muito precisa da energia necessária para mover o veículo, juntamente com detalhes dos processos químicos subjacentes envolvidos nas baterias de íon-lítio. Descobrimos que um semi-caminhão elétrico semelhante aos atuais movidos a diesel poderia ser projetado para viajar até 500 milhas com uma única carga, sendo capaz de transportar a carga de cerca de 93 por cento de todas as viagens de frete.

As baterias precisarão ficar mais baratas antes de fazer sentido do ponto de vista econômico começar o processo de conversão da frota de caminhões dos EUA em energia elétrica. Parece provável que isso aconteça no início de 2020.

Os veículos voadores estão um pouco mais distantes, porque eles têm necessidades de energia diferentes, especialmente durante a decolagem e aterrissagem.

O que é um e-VTOL?

Ao contrário dos aviões de passageiros, pequenos drones movidos a bateria que carregam pacotes pessoais em curtas distâncias, ao voar abaixo de 400 pés, já estão entrando em uso. Mas transportar pessoas e bagagens requer 10 vezes mais energia - ou mais.

Vimos quanta energia seria necessária uma pequena aeronave movida a bateria, capaz de decolagem e aterrissagem vertical. Estes são normalmente projetados para serem lançados diretamente como helicópteros, mudar para um modo de avião mais eficiente girando suas hélices ou asas inteiras durante o vôo, em seguida, faça a transição de volta para o modo de helicóptero para o pouso. Eles podem ser uma maneira eficiente e econômica de navegar em áreas urbanas movimentadas, evitando estradas congestionadas.

Requisitos de energia de aeronaves e-VTOL

Nosso grupo de pesquisa construiu um modelo de computador que calcula a potência necessária para um e-VTOL de passageiro único ao longo das linhas de projetos que já estão em desenvolvimento. Um exemplo é um e-VTOL que pesa 1, 000 quilogramas, incluindo o passageiro.

A parte mais longa da viagem, cruzeiro em modo avião, precisa de menos energia por milha. Nosso exemplo de e-VTOL precisaria de cerca de 400 a 500 watts-hora por milha, aproximadamente a mesma quantidade de energia que uma caminhonete elétrica precisaria - e cerca de duas vezes o consumo de energia de um sedã elétrico de passageiros.

Contudo, a decolagem e o pouso requerem muito mais potência. Independentemente da distância percorrida por um e-VTOL, nossa análise prevê que a decolagem e o pouso combinados exigirão entre 8, 000 e 10, 000 watts-hora por viagem. Isso é cerca de metade da energia disponível na maioria dos carros elétricos compactos, como um Nissan Leaf.

Para um voo inteiro, com as melhores baterias disponíveis hoje, calculamos que um e-VTOL para um único passageiro projetado para transportar uma pessoa por 20 milhas ou menos exigiria cerca de 800 a 900 watts-hora por milha. Isso é cerca de metade da quantidade de energia de um caminhão, o que não é muito eficiente:se você precisasse fazer uma visita rápida a uma loja em uma cidade próxima, você não entraria na cabine de um trailer totalmente carregado para chegar lá.

À medida que as baterias melhoram nos próximos anos, eles podem ser capazes de embalar em cerca de 50 por cento mais energia com o mesmo peso de bateria. Isso ajudaria a tornar o e-VTOLS mais viável para viagens de curto e médio alcance. Mas, são necessárias mais algumas coisas antes que as pessoas possam realmente começar a usar o e-VTOLS regularmente.

Não é apenas energia

Para veículos terrestres, determinar o alcance útil da viagem é o suficiente - mas não para aviões e helicópteros. Os projetistas de aeronaves também precisam examinar atentamente a potência - ou a rapidez com que a energia armazenada está disponível. Isso é importante porque aumentar a velocidade para decolar em um jato ou empurrar para baixo contra a gravidade em um helicóptero consome muito mais potência do que girar as rodas de um carro ou caminhão.

Portanto, As baterias e-VTOL devem ser capazes de descarregar a taxas aproximadamente 10 vezes mais rápidas do que as baterias em veículos rodoviários elétricos. Quando as baterias descarregam mais rapidamente, eles ficam muito mais quentes. Assim como a ventoinha do seu laptop gira em velocidade máxima quando você tenta transmitir um programa de TV enquanto joga e baixa um arquivo grande, uma bateria de veículo precisa ser resfriada ainda mais rápido sempre que for solicitada a produzir mais energia.

As baterias dos veículos rodoviários não esquentam tanto durante a condução, para que possam ser resfriados com a passagem do ar ou com refrigerantes simples. Um táxi e-VTOL, Contudo, geraria uma quantidade enorme de calor na decolagem que levaria muito tempo para esfriar - e em viagens curtas poderia nem mesmo esfriar completamente antes de esquentar novamente na aterrissagem. Em relação ao tamanho da bateria, pela mesma distância percorrida, a quantidade de calor gerada por uma bateria e-VTOL durante a decolagem e pouso é muito mais do que carros elétricos e semi-caminhões.

Esse calor extra vai encurtar a vida útil das baterias e-VTOL, e possivelmente torná-los mais suscetíveis a pegar fogo. Para preservar a confiabilidade e a segurança, aeronaves elétricas precisarão de sistemas de resfriamento especializados - o que exigiria mais energia e peso.

Esta é uma diferença crucial entre veículos rodoviários elétricos e aeronaves elétricas:os projetistas de caminhões e carros não precisam melhorar radicalmente sua produção de energia ou seus sistemas de refrigeração, porque isso aumentaria os custos sem ajudar no desempenho. Somente pesquisas especializadas encontrarão esses avanços vitais para aeronaves elétricas.

Nosso próximo tópico de pesquisa continuará a explorar maneiras de melhorar os requisitos de bateria e sistema de resfriamento e-VTOL para fornecer energia suficiente para alcance útil e potência suficiente para decolagem e pouso - tudo sem superaquecimento.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.