Perché non abbiamo aerei elettrici?

Perché non abbiamo aerei elettrici?CC BY-ND

Auto elettriche, treni, tram e barche esistono già. Ciò logicamente porta alla domanda: perché non stiamo vedendo grandi velivoli elettrici? E li vedremo presto?

Perché abbiamo auto elettriche e treni, ma pochi aerei elettrici? Il motivo principale è che è molto più semplice modificare radicalmente un'auto o un treno, anche se sembrano molto simili ai tradizionali veicoli a combustibile fossile all'esterno.

I veicoli terrestri possono facilmente far fronte alla massa aggiuntiva proveniente dall'accumulo di elettricità o dai sistemi di propulsione elettrica, ma gli aerei sono molto più sensibili.

Ad esempio, aumentare la massa di un'auto di 35% comporta un aumento del consumo di energia di 13-20%. Ma per un piano, l'uso di energia è direttamente proporzionale alla massa: aumentando la sua massa di 35% significa che ha bisogno di 35% di energia in più (a parità di tutte le altre cose).

Ma questa è solo una parte della storia. Gli aeromobili viaggiano anche molto più lontano dei veicoli terrestri, il che significa che un volo richiede molta più energia di un viaggio su strada medio. L'aeromobile deve immagazzinare a bordo tutta l'energia necessaria per spostare la sua massa per ogni volo (a differenza di un treno collegato a una rete elettrica). L'uso di una fonte di energia pesante significa quindi che è necessaria più energia per un volo, il che porta a una massa extra, e così via.

Per un aereo, la massa è cruciale, motivo per cui le compagnie aeree pesano meticolosamente i bagagli. Gli aerei elettrici hanno bisogno di batterie con energia sufficiente per chilogrammo di batteria, o la penalità di massa significa che semplicemente non possono volare su lunghe distanze.

Aerei a corto raggio

Nonostante ciò, i velivoli elettrici sono all'orizzonte, ma presto non vedrai 747 elettrici.

I migliori pacchi batteria agli ioni di litio oggi disponibili forniscono circa 200 wattora (Wh) per chilogrammo, circa 60 volte inferiore rispetto all'attuale carburante per aeromobili. Questo tipo di batteria può alimentare piccoli taxi elettrici con fino a quattro passeggeri a una distanza di circa 100km. Per viaggi più lunghi, sono necessarie celle più dense di energia.

Gli aerei pendolari elettrici a corto raggio che trasportano fino a 30 persone per meno di 800km, per esempio, richiedono specificamente tra 750 e 2,000Wh / kg, che è un po 'di 6-17% del contenuto di energia del combustibile per jet a base di cherosene. Anche i velivoli più grandi richiedono batterie sempre più leggere. Ad esempio, un aereo che trasporta passeggeri 140 per 1,500km consuma circa 30kg di cherosene per passeggero. Con l'attuale tecnologia delle batterie, sono necessari quasi 1,000kg di batterie per passeggero.

Per rendere il velivolo per pendolari regionale completamente elettrico è necessaria una riduzione da quattro a dieci volte del peso della batteria. Il tasso storico di miglioramento a lungo termine dell'energia della batteria è stato di circa 3-4% all'anno, raddoppiando circa ogni due decenni. Sulla base di una continuazione di questa tendenza storica, il quadruplo miglioramento necessario per un aereo pendolare completamente elettrico potrebbe potenzialmente essere raggiunto intorno alla metà del secolo.

Sebbene possa sembrare un'attesa incredibilmente lunga, ciò è coerente con il calendario dei cambiamenti nel settore dell'aviazione per i cicli di vita delle infrastrutture e della progettazione degli aeromobili. Un nuovo aeromobile impiega circa 5-10 per progettare e rimarrà in servizio per due o tre decenni. Alcuni aerei volano ancora su 50 anni dopo il loro primo volo.

Ecco gli ibridi

Questo significa che i voli a lunga distanza dipenderanno sempre dai combustibili fossili? Non necessariamente.

Mentre gli aeromobili di grandi dimensioni completamente elettrici richiedono un cambiamento importante, ma ancora da inventare, nello stoccaggio di energia, ci sono altri modi per ridurre l'impatto ambientale del volo.

I velivoli ibridi-elettrici combinano carburanti con propulsione elettrica. Questa classe di aeromobili comprende la progettazione senza batterie, in cui il sistema di propulsione elettrica serve a migliorare l'efficienza di spinta, riducendo la quantità di carburante necessaria.

Sono inoltre in fase di sviluppo aeromobili ibridi elettrici con batterie, in cui le batterie possono fornire energia extra in circostanze specifiche. Le batterie possono quindi, ad esempio, fornire decollo e atterraggio puliti per ridurre le emissioni nei pressi degli aeroporti.

Gli aerei elettrici non sono inoltre l'unico modo per ridurre l'impronta di carbonio diretta del volo. Anche i carburanti alternativi, come i biocarburanti e l'idrogeno, sono allo studio.

Biocarburanti, che sono carburanti derivati ​​da piante o alghe, sono stati utilizzati per la prima volta su un volo commerciale in 2008 e diverse compagnie aeree hanno effettuato prove con loro. Sebbene non ampiamente adottato, una ricerca significativa sta attualmente studiando biocarburanti sostenibili che non incidono sulle fonti di acqua dolce o sulla produzione alimentare.

Sebbene i biocarburanti producano ancora CO₂, non richiedono cambiamenti significativi alle infrastrutture di aeromobili o aeroporti esistenti. L'idrogeno, d'altra parte, richiede una riprogettazione completa dell'infrastruttura di rifornimento dell'aeroporto e ha anche un impatto significativo sulla progettazione del velivolo stesso.

Mentre l'idrogeno è molto leggero, l'idrogeno contiene tre volte più energia per chilogrammo rispetto al cherosene: la sua densità è molto bassa, anche se conservata come liquido a -250 ℃. Ciò significa che il carburante non può più essere immagazzinato nell'ala ma deve essere spostato in serbatoi relativamente pesanti e voluminosi all'interno della fusoliera. Nonostante questi inconvenienti, i voli a lunga percorrenza alimentati a idrogeno possono consumare fino a 12% di energia in meno rispetto al cherosene.

Circa l'autore

Dries Verstraete, Docente senior di progettazione e propulsione aerospaziale, Università di Sydney

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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