Jednou z těchto alternativ k současným pohonům na fosilní paliva je pohon elektrický. Vrtule nebo proudový motor bude roztáčen elektromotorem. Diskuze se rozvíjí kolem toho, jakým způsobem tuto energii získat, jak ji skladovat a jak ji efektivně přivést k motoru.
Problémem prozatím zůstává vysoká energetická náročnost leteckého provozu, protože pro vzlet středně velkého dopravního letounu typu Airbus 320 je třeba přibližně 40 MW energie, at’ už ve formě současného tekutého uhlovodíkového paliva, nebo uskladněné elektrické energie. Když ponecháme stranou zdroj energie na palubě, jehož uspokojivé řešení dosud nemáme, zbývá otázka dopravy energie k pohonné části.
Jednou z největších překážek současného použití vysokovýkonných elektrických systémů na letadle je jejich neuspokojivý poměr výkon/hmotnost. Jinými slovy, dnešní systémy neumožňují instalaci potřebného výkonu bez přidání příliš velké hmotnosti, což je pro letadlo nežádoucí. Pokud by se podařilo překonat překážky ve formě příliš silných, a tedy těžkých vodičů a také hranici 30 kW/kg silové elektroniky, která v současnosti brání rozvoji elektrických systémů pohonu v letectví, otevřelo by to dveře novému směru vývoje.
Jedním takovým směrem je iniciativa Airbus UpNext. Snaží se o aplikovaný výzkum v oblasti supravodivosti, pro který připravuje demonstrátor svého projektu ASCEND (Advanced Superconducting & Cryogenic Experimental powertraiN Demonstrator).
Supravodivost jako fyzikální jev objevil nizozemský vědec Heike Kamerlingh Onnes v roce 1911 (roku 1913 za ni dostal Nobelovu cenu). Vlastností všech vodivých materiálů je elektrický odpor, který snižuje efektivitu přenosu (a také generuje nežádoucí teplo). Ovšem pronikavým snížením teploty specifického vodiče až na 20 K (-253 °C), pod tzv. kritickou teplotu, dochází u některých materiálů ke skokovému zmizení odporu a také k praktickému vyloučení magnetických siločar z vodiče (Meissnerův efekt), až na velmi tenkou vrstvu pod povrchem, tzv. Londonovu hloubku průniku.
Extrémně nízké teploty, za kterých se tento jev vyskytoval, bránily dalších 75 let praktickému využití, ale v roce 1986 objevili dva výzkumníci firmy IBM Bednorz a Müller supravodič založený na mědi (původní byl z pevné rtuti), který vykazoval kritickou teplotu 35 K. V současnosti existují materiály TBC-CO (thallium-barium-calcium) a HGBC-CO (rtut’-barium-calcium) s kritickou teplotou 125 K, resp. 133 K (-140 °C). Celkem běžně rozšířený tekutý dusík, s teplotou varu 77 K, lze pro takový vodič použít jako chladivo, a přestože se stále jedná o náročnou technickou realizaci, takový projekt již není omezen pouze na laboratoř, ale dá se počítat i s praktickým uplatněním.
Dnes jsou již supravodiče s úspěchem využívány v elektrických silových kabelech, v přístrojích zobrazování magnetické rezonance (MRI) a nukleární magnetické rezonance (NMR) a v urychlovačích částic a zařízeních pro magnetickou fúzi. Nicméně obor letectví na využití této technologie stále čeká.
Jakým způsobem kryogenní a supravodičové technologie pomáhají ve zvyšování efektivity elektrického pohonu
ASCEND je tříletý program, který má za úkol demonstrovat, že elektrický nebo hybridně-elektrický systém pohonu doplněný kryogenní a supravodičovou technologií může být dva- až třikrát lehčí než konvenční systémy, díky lehčím vodičům a zvýšení limitu výkonnosti přes 30 kW/kg, bez toho, aby negativně ovlivnil 97% efektivitu hnacího ústrojí.
K dosažení takového cíle disponuje ASCEND 500kW hnacím ústrojím, které obsahuje:
- supravodičový rozvodný systém, včetně kabelů a ochrany
- kryogenně chlazenou jednotku ovládání motoru
- supravodičový motor
- kryogenní systém
Základem uspořádání je nádrž obsahující kryogenní/podchlazenou kapalinu, která je rozváděna do dvou okruhů. První míří k ochrannému a bezpečnostnímu rozvodu, tedy proudovému omezovači a jističům, kde již začíná ochlazovat proudový přivaděč. Tento okruh dále pokračuje, spolu se stejnosměrným vedením, do řídicí jednotky motoru, přímo ovlivňující otáčky a kroutící moment, která sama komunikuje s letadlovou avionikou.
Druhý okruh se připojuje k vedení střídavého proudu, vystupujícího z řídicí jednotky, a pokračuje s ním do elektrického supravodičového motoru. Kryogenní systém má za úkol udržovat teplotu v obou okruzích na 30 K na vstupu a 120 K na výstupu.
Cílem tohoto demonstrátoru je ukázat, že vzhledem k současným technologiím je možné snížit hmotnost celého systému na polovinu, udržet napětí pod 500 V a snížit elektrické ztráty o polovinu. Záměrem je prokázat životaschopnost supravodivého hnacího ústrojí a později vydat doporučení pro uplatnění takových systémů v letadle.
Dalším cílem ASCEND, kromě optimalizace hmotnosti distribučního systému, je razantní zvýšení kapacity celého pohonného uspořádání. To je dost zásadní úvaha, protože zvýšení výkonu současných letadlových elektrických systémů z několika set kW do řádu MW, nutných pro plně elektrické letadlo, není rozhodně jednoduché. Jednoduše řečeno, víc výkonu zvyšuje hmotnost a složitost všech instalací a produkuje víc tepla.
Pokud by však na palubě byl k dispozici chladicí zdroj o teplotě 20 K (-253,15 °C), tedy tekutý vodík, mohl by být použit k chlazení elektrických systémů. S tím by souviselo zvýšení efektivity systémů letadla, díky menší hmotnosti a také menšímu prostoru, potřebného pro jednotlivé agregáty.
Největší evropské výzkumné zařízení věnující se možnostem a limitům budoucích pohonných technologií se nazývá E-Aircraft Systems House. Tady testují inženýři Airbusu nové iniciativy elektrifikace nejen pro účely své vlastní firmy, ale i pro další subjekty. Ve zkratce se jedná o zvýšení výkonu, snížení hmotnosti a redukci ceny.
Elektrifikace a hybridizace, ve spojení s vyšší autonomií a digitalizací, bude vyžadovat nové způsoby interakce a řízení pohonných systémů. Tyto systémy jsou, a budou, simulovány a testovány právě tady a výstupy budou použity nejen v letectví, ale i v jiných oborech zabývajících se elektrickou energií použitou pro dopravní systémy, jako třeba zamýšlený hyperloop evropského start-upu Zeleros.
E-Aircraft Systems House
Kdy a kde vzniknou nové koncepty letadel poháněných částečně nebo výlučně elektrickou energií, závisí na mnoha faktorech, mezi které patří cena suroviny (ropa / elektrická energie), dostupnost technologií, nová pravidla ve formě zákonů a vyhlášek vydaných jednotlivými státy, a také zvyšující se tlak na udržitelnost vývoje, tedy ochranu životního prostředí. A jednou z velmi zajímavých technologií je nový způsob uskladnění elektrické energie ve formě pevných baterií, tedy bez tekutého elektrolytu přítomného i v dnes nejlepších bateriích typu Li-ion.
Lithium-iontové baterie jsou všude okolo nás, od mobilních telefonů až po elektroauta. Za posledních deset let klesly ceny, díky objemu výroby a také vývoji, článků v sadách (pack) pro automobily téměř o 90 procent na současných zhruba 120 USD/kWh. Ale současné baterie mají pro letectví, kromě nedostatečné kapacity, také těžko překonatelnou překážku bezpečnostního charakteru. Díky elektrolytu jsou hořlavé. Dále nabíjení je pomalé a inovace ve formě zvyšování podílu niklu na úkor drahého kobaltu, přestože snižuje cenu a vylepšuje výkon, zvyšuje volatilitu baterií.
Na druhou stranu pevné baterie (baterie v pevném stavu, neobsahující žádné tekutiny) jsou bezpečnější, levnější a mohou být používány delší dobu, víc cyklů bez zhoršení vlastností, tedy v důsledku mají menší nároky na spotřebu vzácných a drahých surovin. Mohou být stavěny na sebe, jako cihly, a je možné jimi vyplnit různě tvarované prostory. Jsou lehčí, dosáhnou plné kapacity za zhruba deset minut a hlavně mají vyšší energetickou hustotu, čímž mohou poskytnout např. dvojnásobnou délku dojezdu u automobilu. Při výrobě je úplně možné vynechat grafit a kobalt, a také proces recyklování baterií je jednodušší a bezpečnější.
Elektrolyt, oddělující zápornou a kladnou elektrodu baterie, je navržen ke zvýšení stability obou elektrod. Hlavním ingredientem, co do objemu, elektrolytu současných Li-ion baterií je karbonetylen, který je hořlavý a představuje nejen riziko hoření, ale i toxických plynů. Z pochopitelných důvodů je toto uspořádání pro letadlo nevhodné.
Energetická hustota akumulátorů
Pevné (solid-state) baterie, které jsou zatím ve vývojové fázi, používají pro elektrolyt materiál v pevném stavu, který je nehořlavý – nebo alespoň odolný vůči samozápalu. Jedná se o keramické materiály (oxidy, sulfáty, fosfáty), sklo nebo pevné polymery. Mohou mít několikrát vyšší energetickou hustotu. Nehořlavé vlastnosti snižují také riziko thermal runaway, což umožní těsnější skladování, a tím i lepší charakteristiku objemové hustoty.
Pevné baterie jsou známy již velmi dlouhou dobu, s úspěchem se používají např. v kardiostimulátorech. Ale vždy se vyznačovaly extrémně vysokou cenou, což je ospravedlnitelné, pokud se jedná o miniaturní zařízení s malým výkonem, zvlášt’ když přispívá ke zdraví nebo dokonce k záchraně života. S industriálním rozšířením elektromobilů ale výzkum dostal konečně k dispozici potřebné finanční zázemí, bez kterého není možné dosáhnout kvalitativně nové úrovně.
Zásadním problémem použití baterií v letadle, na rozdíl od automobilů, je teplota. Všeobecně baterie mají největší kapacitu nad 10 °C, do 5 °C mají dobré vlastnosti, ale se snižující se teplotou rapidně klesá výkon. Nicméně letadla se normálně pohybují v teplotách -56 °C, což je standardní teplota atmosféry v jedenácti kilometrech výšky. I malé turbovrtulové stroje pro regionální dopravu létají v hladině 25 000 stop, kde je běžně -35 °C. Nejnovější výzkum zatím naznačuje, že pevné baterie mohou mít odolnost proti vlivu nízkých teplot až do -20 °C, což je za letu přibližně šestikilometrová výška. Čím delší let, vyšší letová hladina, větší zeměpisná šířka (na severu, ale také na jihu) a dokonce i roční sezóna, tím rychleji dochází k prochladnutí celé konstrukce letadla. U dnešních strojů není výjimkou, že teplota paliva v křídlech klesá až k -40 °C, což je mimochodem „alert temperature“ pro palivo Jet A, pod kterou by mohlo dojít k zamrznutí kerosenu v nádržích.
Pokud se baterie jako zdroj energie pro pohonné jednotky na letadlech skutečně objeví, budou muset být teplotně izolovány nebo uloženy ve vyhřívaném prostoru tak, aby k takovému prochladnutí nedocházelo. Anebo, vzhledem o obrovským současným investicím do elektromobility, budou v blízké budoucnosti objeveny nové materiály, které takovým teplotám odolají. Budoucnost je ted’.
