Inovativní baterie představují létající auta eVTOL na obzoru

Tryskové motory, robotické služebné a létající auta – to vše bylo příslibem pro 21. století. Místo toho jsme dostali mechanizované autonomní vysavače. Nyní tým výzkumníků z Penn State zkoumá požadavky na elektrická vozidla s kolmým startem a přistáním (eVTOL) a navrhuje a testuje potenciální bateriové zdroje energie.

Electric VTOL upozorňuje na neuvěřitelný příslib a pokrok plně elektrických a hybridně elektrických letadel s kolmým vzletem a přistáním (eVTOL), přičemž se zaměřuje především na nevrtulníková letadla VTOL, která jsou dostatečně velká, aby mohla přepravovat cestující bez konvenčního řízení letu vrtulníku (i když jsou zde zahrnuty i letouny eHelos a eGyros). Elektrický pohon otevírá prostor pro konstrukci letadel VTOL využitím koncepcí, jako je distribuovaný elektrický pohon (DEP), a také usnadňuje nové přístupy k VTOL s křídly.

Inovativní baterie představují létající auta na obzoru

„Myslím, že létající auta mají potenciál eliminovat spoustu času, zvýšit produktivitu a otevřít dopravě nebeské koridory,“ uvedl v tiskové zprávě Chao-Yang Wang, vedoucí katedry strojního inženýrství Williama E. Diefendera a ředitel Centra elektrochemických motorů Penn State.

„Elektrická vozidla s kolmým vzletem a přistáním jsou však velmi náročnou technologií pro baterie.“ Výzkumníci definují technické požadavky na baterie pro létající auta a podávají zprávu o prototypu baterie v Joule.

„Baterie pro létající auta potřebují velmi vysokou hustotu energie, aby se mohly udržet ve vzduchu,“ řekl Wang. „A také potřebují velmi vysoký výkon při vzletu a přistání. K vertikálnímu letu nahoru a dolů je zapotřebí hodně energie.“

Wang podotýká, že baterie bude také nutné rychle dobíjet, takže by mohly být vysoké náklady v době dopravní špičky. Představuje si, že tato vozidla budou mít časté vzlety a přistání a budou se rychle a často dobíjet.

Jak se dají komerčně využít létající auta

„Z komerčního hlediska bych očekával, že tato vozidla uskuteční 15 jízd dvakrát denně během dopravní špičky, aby se náklady na vozidla vyplatily,“ řekl Wang. „První využití bude pravděpodobně z města na letiště, kde budou převážet tři až čtyři osoby asi 80 km.“

Revoluce v oblasti automobilových elektromobilů připravuje půdu pro městskou leteckou mobilitu, ale lidé si nesmí naivně myslet, že baterie elektromobilů budou pro elektrické létání stačit. Požadavky na rychlé nabíjení, 30 násobné zvýšení energetického výkonu a 3 násobné nároky na napájení vyžadují novou generaci baterií.

U těchto baterií je třeba brát v úvahu také hmotnost, protože vozidlo bude muset baterie zvedat a přistávat s nimi. Jakmile eVTOL vzlétne, při krátkých cestách by průměrná rychlost činila 160 km za hodinu a při dlouhých cestách by podle Wanga byla průměrná rychlost 300 km za hodinu.

Výzkumníci experimentálně vyzkoušeli dvě energeticky husté lithium-iontové baterie, které dokáží dobít dostatek energie pro 80 kilometrovou cestu eVTOL za pět až deset minut. Tyto baterie by mohly vydržet více než 2 000 rychlonabíjení po celou dobu své životnosti.

Wang a jeho tým použili technologii, na které pracovali pro baterie do elektromobilů. Klíčem je zahřátí baterie, které umožní rychlé nabíjení bez vzniku lithiových špiček, které baterii poškozují a jsou nebezpečné. Ukázalo se, že zahřívání baterie umožňuje také rychlé vybití energie uložené v baterii, což umožňuje vzlety a přistání.

Výzkumníci zahřívají baterie pomocí niklové fólie, která baterii rychle zahřeje na 60 stupňů Celsia.

Létající automobily musí vždy udržet určité nabití baterie

„Za normálních okolností působí tyto tři vlastnosti nezbytné pro baterii eVTOL proti sobě,“ řekl Wang. „Vysoká hustota energie snižuje rychlost nabíjení a rychlé nabíjení obvykle snižuje počet možných dobíjecích cyklů. My jsme však schopni splnit všechny tři parametry v jediné baterii.“

Jedním ze zcela unikátních aspektů létajících automobilů je, že baterie si musí vždy udržet určité nabití. Na rozdíl například od baterií mobilních telefonů, které fungují nejlépe, pokud jsou zcela vybité a znovu nabité, se baterie létajícího auta nesmí ve vzduchu nikdy zcela vybít, protože k udržení se ve vzduchu a k přistání je potřeba energie. Baterie létajícího auta musí mít vždy bezpečnostní rezervu.

Když je baterie vybitá, je vnitřní odpor při nabíjení nízký, ale čím vyšší je zbývající nabití, tím obtížnější je do baterie natlačit více energie. Dobíjení se obvykle zpomaluje s tím, jak se baterie plní. Zahříváním baterie však může doba dobíjení zůstat v rozmezí pěti až deseti minut.

„Doufám, že práce, kterou jsme doposud provedli, dá lidem solidní představu, že nepotřebujeme dalších 20 let, abychom se konečně dočkali těchto vozidel,“ řekl Wang. „Věřím, že jsme prokázali, že eVTOL je komerčně životaschopný.“