Az űrügynökségek és a kereskedelmi repülőgépek egyik fő célja manapság az űrkutatás kapcsolódó költségeinek csökkentése. Amiről szó van, még mindig nagyon költséges rakétákat pályára küldeni, és nem számít a Földön túlra küldeni. De nem csak a rakományok űrbe küldésének költségei (és az általa okozott szennyezés) aggasztják az olyan ügynökségeket, mint a NASA.
A repüléshez kapcsolódó (gazdasági és környezetvédelmi) költségek is felmerülnek. A sugárhajtómű-üzemanyag sem olcsó, és a kereskedelmi célú légiközlekedést teszik ki 4-9% az antropogén üvegházhatású gázok kibocsátása (és ez növekszik). Emiatt a NASA a kereskedelmi iparral társult a fejlesztés érdekében elektromos repülőgép , amely reményeik szerint 2035-re üzemanyag- és költséghatékony alternatívát kínál majd a kereskedelmi repülőgépekhez.
Ez jelentős kihívást jelent, mivel a működőképes elektromos repülőgépek létrehozásához szükséges alkatrészek közül sok meglehetősen nagy és nehéz. Különösen a NASA-é Advanced Air Vehicles Program (AAVP) könnyű és kompakt invertereket keres – egy elektromos rendszer központi elemét, amely az elektromos motor meghajtásához szükséges energiát biztosítja.
Az inverterek kritikus fontosságúak az elektronikus meghajtórendszerek számára, mivel a motorra szerelt generátorok és a propellerek által hajtott villanymotorok által generált váltakozó áramot (AC) nagyfeszültségű egyenárammá (DC) alakítják át. Sajnos az ilyen mennyiségű energia előállításához szükséges alkatrészek – generátorok, teljesítményátalakító elektronika, motorok stb. – a történelem során túl nagyok és nehezek voltak ahhoz, hogy elférjenek egy repülőgépben.
Ez egyfajta rejtélyt okoz, mivel a szükséges emeléshez szükséges energiamennyiség még nehezebb elektronikát igényel. Ezért vizsgálja a NASA a legmodernebb anyagtudományt, hogy könnyebb és kisebb elektronikát hozzon létre. Ennek érdekében nemrégiben aláírták a 12 millió dolláros szerződés a General Electric-kel (GE), amely a világ egyik vezető vállalata a legmodernebb szilícium-karbid (SiC) technológia fejlesztésében.
Ezt a félvezető ásványt magas hőmérsékletű, nagyfeszültségű elektronikák gyártásához használják, és a GE azt reméli, hogy a NASA által meghatározott méret-, teljesítmény- és hatékonysági követelmények teljesítése érdekében felhasználhatja. Ezek a specifikációk olyan invertert írnak elő, amely nem nagyobb, mint egy bőrönd, és képes megawatt (MW) villamos energia előállítására.
Ahogy Jim Heidmann, a NASA Advanced Air Transport Technology Project menedzsere elmagyarázta egy NASA-ban sajtóközlemény :
„A repülés történetének kritikus időszakában vagyunk, mert lehetőségünk van olyan rendszerek kifejlesztésére, amelyek csökkentik a költségeket, az energiafogyasztást és a zajt, miközben új piacokat és lehetőségeket nyitnak meg az amerikai vállalatok előtt. Elengedhetetlen, hogy együttműködjünk az iparral és az akadémiával annak biztosítására, hogy a megfelelő technológiák álljanak rendelkezésre a jövőbeni utasok és fuvarozók igényeinek kielégítésére.”
A GE és a NASA 12 millió dolláros programban működött együtt az elektromos repülés fejlesztése érdekében. hitel: GE Kutatás
Leegyszerűsítve, egy megawatt óriási mennyiségű villamos energia, és ennek a fajta teljesítménynek a biztonságos kezelése komoly kihívást jelent. Például a NASA-é Egyfolyosós turbóelektromos repülőgép hátsó határréteggel (STARC-ABL) – amely fejlett meghajtási technológiát alkalmaz az üzemanyag-felhasználás, a károsanyag-kibocsátás és a zaj csökkentésére – 2,4 MW teljesítményre van szükség a működéséhez, ami 2000 otthon működtetéséhez elegendő áram.
De az elektronika és a hibrid motortechnológia terén az elmúlt években elért előrelépéseknek köszönhetően ezek a követelmények elérhetőek lehetnek. Amy Jankovsky, a NASA Glenn kutatóközpontjának hibrid gáz-elektromos meghajtás alprojektjének menedzsere ezt mondta:
„Az anyagok és a teljesítményelektronika terén elért közelmúltbeli fejlődésnek köszönhetően kezdjük leküzdeni az energiacsökkentő villamosítási koncepciók kidolgozása során felmerülő kihívásokat, és ez az inverteres munka kritikus lépést jelent a villamosított repülőgép-meghajtásra irányuló erőfeszítéseinkben. A GE-vel való együttműködésünk kulcsfontosságú a repülési tömegű és repülésre alkalmas alkatrészek megawatt osztályú fejlesztésében a jövő szállító repülőgépei számára.”
A szilícium-karbid anyagi tulajdonságai miatt különösen ígéretes a nagy teljesítményű repülési alkalmazásokban. Magas üzemi hőmérsékletet, nagy feszültséget és nagy teljesítménykezelési kapacitást kínál. Ezek az előnyök lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy kisebb méretű és könnyebb alkatrészeket tervezzenek, miközben növelik a teljesítményt.
A NASA X-57 Maxwell repülőgépének művészi koncepciója, egy új elektromos X-repülőgép, amely csendesebb, hatékonyabb és környezetbarátabb. Köszönetnyilvánítás: NASA Langley/Advanced Concepts Lab, AMA, Inc
„Lényegében egy megawatt teljesítményt pakolunk egy kompakt bőrönd méretűre, amely elegendő elektromos energiát képes átalakítani ahhoz, hogy hibrid-elektromos meghajtási architektúrákat tegyen lehetővé kereskedelmi repülőgépeken” mondott Konrad Weeber, a GE Research elektromos energia részlegének főmérnöke. „Sikeresen építettünk és mutattunk be olyan invertereket a talajszinten, amelyek megfelelnek az elektromos repülés teljesítmény-, méret- és hatékonysági követelményeinek.”
Ezen elektromos rendszerek fejlesztése jelenleg a NASA elektromos repülőgép tesztpad (NEAT) az ohiói Sanduskyban, amely korábban a NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility volt. Ez az első a maga nemében, ez az újrakonfigurálható tesztágy feladata az elektromos repülőgép-erőrendszerek tervezése, fejlesztése, összeszerelése és tesztelése, amelyek a kétszemélyes repülőgépektől a 20 MW-os repülőgépekig mindent elkészítenek.
Még májusban a NEAT képes volt rá elvégzi első megawattléptékű tesztjét a hatalmas mennyiségű áramnak köszönhetően, amelyhez a létesítmény hozzáfér. Ez és a GE-vel nemrégiben aláírt partnerség röviddel azután jött létre, hogy a NASA bejelentette, hogy újabb jövedelmező partnerséget köt a GE-vel és két nagy repülőgép-ipari vállalattal. Boeing és United Technologies Pratt & Whitney – a megawatt léptékű repülési bemutatók lehetséges előnyeinek és kockázatainak tanulmányozása.
Ahogy Barb Esker, a NASA Advanced Air Vehicles Program igazgatóhelyettese fogalmazott:
„A repülési bemutatók fontos részét képezik a technológiai fejlesztésnek, mert lehetőséget kínálnak mérnökeinknek és ipari partnereinknek, hogy reális környezetben dolgozzanak ki problémákat és bizonyítsák az elképzeléseket, miközben megbirkóznak a légi közlekedésben az elektromos meghajtás előtt álló kihívásokkal.”
Az éghajlatváltozás veszélye és az a tény között, hogy a világ népessége az előrejelzések szerint közel fog érni 10 milliárd 2050-ig , egyértelmű, hogy alternatív gyártási, energiatermelési és szállítási módokat kell fejleszteni. Jó tudni, hogy az elektromos és hibrid autók mellett számíthatunk az elektromos és hibrid repülőgépekre is.
További irodalom: NASA