Elektroautos, Züge, Straßenbahnen und Boote gibt es bereits. Das führt logischerweise zu der Frage: Warum sehen wir keine großen Elektroflugzeuge? Und werden wir sie bald sehen?
Warum haben wir Elektroautos und -züge, aber nur wenige Elektroflugzeuge? Der Hauptgrund ist, dass es viel einfacher ist, ein Auto oder einen Zug radikal zu modifizieren, auch wenn sie von außen traditionellen Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen sehr ähnlich sehen.
Landfahrzeuge können die zusätzliche Masse aus Stromspeichern oder elektrischen Antriebssystemen problemlos bewältigen, Flugzeuge sind jedoch viel empfindlicher.
Beispielsweise führt eine Erhöhung der Masse eines Autos um 35% zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs von 13-20%. Für ein Flugzeug ist der Energieverbrauch jedoch direkt proportional zur Masse: Wenn die Masse um 35% erhöht wird, benötigt das Flugzeug 35% mehr Energie (alle anderen Faktoren sind gleich).
Das ist aber nur ein Teil der Geschichte. Flugzeuge reisen auch viel weiter als Landfahrzeuge, was bedeutet, dass ein Flug viel mehr Energie benötigt als eine durchschnittliche Straßenfahrt. Das Flugzeug muss an Bord die gesamte Energie speichern, die erforderlich ist, um seine Masse für jeden Flug zu bewegen (im Gegensatz zu einem Zug, der an ein Stromnetz angeschlossen ist). Die Verwendung einer schweren Energiequelle bedeutet daher, dass mehr Energie für einen Flug benötigt wird, was zu zusätzlicher Masse usw. führt.
Für ein Flugzeug ist die Masse von entscheidender Bedeutung, weshalb Fluggesellschaften ihr Gepäck sorgfältig wiegen. Elektroflugzeuge benötigen Batterien mit genügend Energie pro Kilogramm Batterie, oder die Massenstrafe bedeutet, dass sie einfach keine langen Strecken fliegen können.
Flugzeuge mit kurzer Reichweite
Trotzdem sind Elektroflugzeuge am Horizont - aber Sie werden in Kürze keine elektrischen 747s mehr sehen.
Die derzeit besten verfügbaren Lithium-Ionen-Akkus liefern ungefähr 200 Wattstunden (Wh) pro Kilogramm 60 mal weniger als aktueller Flugzeugtreibstoff. Dieser Batterietyp kann kleine elektrische Lufttaxis mit bis zu vier Passagieren über eine Entfernung von ungefähr 100km versorgen. Für längere Fahrten werden energiedichtere Zellen benötigt.
Elektrische Nahverkehrs-Pendlerflugzeuge, die beispielsweise für weniger als 30km bis zu 800 Personen befördern, benötigen speziell zwischen 750 und 2,000Wh / kg, was etwa 6-17% des Energiegehalts von Kerosin-basiertem Düsentreibstoff entspricht. Auch größere Flugzeuge benötigen immer leichtere Batterien. Zum Beispiel verbraucht ein Flugzeug, das 140-Passagiere für 1,500km befördert, ungefähr 30kg Kerosin pro Passagier. Mit der aktuellen Batterietechnologie werden fast 1,000kg Batterien pro Passagier benötigt.
Um regionale Pendlerflugzeuge vollelektrisch zu machen, muss das Batteriegewicht um das Vier- bis Zehnfache reduziert werden. Die langfristige historische Verbesserungsrate der Batterieenergie lag bei 3-4% pro Jahr und verdoppelte sich ungefähr alle zwei Jahrzehnte. Ausgehend von einer Fortsetzung dieses historischen Trends könnte die vierfache Verbesserung, die für ein vollelektrisches Pendlerflugzeug erforderlich ist, möglicherweise um die Mitte des Jahrhunderts erreicht werden.
Dies scheint zwar unglaublich lange zu dauern, entspricht jedoch dem Zeitrahmen für Änderungen in der Luftfahrtindustrie in Bezug auf den Lebenszyklus der Infrastruktur und des Flugzeugdesigns. Die Entwicklung eines neuen Flugzeugs dauert ungefähr 5-10 Jahre und wird dann zwei bis drei Jahrzehnte in Betrieb bleiben. Einige Flugzeuge fliegen noch Jahre nach ihrem ersten Flug 50.
Hier kommen die Hybriden
Bedeutet das, dass das Langstreckenfliegen immer von fossilen Brennstoffen abhängt? Nicht unbedingt.
Während vollelektrische Großflugzeuge eine wesentliche, noch nicht erfundene Änderung der Energiespeicherung erfordern, gibt es andere Möglichkeiten, die Umweltbelastung durch das Fliegen zu verringern.
Hybrid-Elektroflugzeuge kombinieren Kraftstoffe mit elektrischem Antrieb. Diese Flugzeugklasse umfasst ein Design ohne Batterien, bei dem das elektrische Antriebssystem dazu dient, den Schubwirkungsgrad zu verbessern und die benötigte Kraftstoffmenge zu reduzieren.
Hybrid-Elektroflugzeuge mit Batterien sind ebenfalls in der Entwicklung, bei denen die Batterien unter bestimmten Umständen zusätzliche Leistung liefern können. Batterien können dann beispielsweise für einen sauberen Start und eine saubere Landung sorgen, um Emissionen in der Nähe von Flughäfen zu reduzieren.
Elektroflugzeuge sind auch nicht die einzige Möglichkeit, den direkten CO2-Fußabdruck beim Fliegen zu verringern. Alternative Kraftstoffe wie Biokraftstoffe und Wasserstoff werden ebenfalls untersucht.
Biokraftstoffe, aus denen Kraftstoffe gewonnen werden Pflanzen oder Algenwurden erstmals auf einem kommerziellen Flug in 2008 und Mehrere Fluggesellschaften haben Versuche durchgeführt mit ihnen. Obwohl dies noch nicht weit verbreitet ist, werden derzeit in erheblichem Umfang nachhaltige Biokraftstoffe untersucht, die keine Auswirkungen auf die Süßwasserquellen oder die Lebensmittelproduktion haben.
Obwohl Biokraftstoffe immer noch CO2 produzieren, erfordern sie keine wesentlichen Änderungen an bestehenden Flugzeugen oder der Flughafeninfrastruktur. Wasserstoff hingegen erfordert eine völlige Neugestaltung der Betankungsinfrastruktur des Flughafens und hat auch erhebliche Auswirkungen auf das Design des Flugzeugs selbst.
Während Wasserstoff sehr leicht ist - enthält Wasserstoff dreimal mehr Energie pro Kilogramm als Kerosin – seine Dichte ist sehr gering, selbst wenn es als Flüssigkeit bei -250 °C gelagert wird. Das bedeutet, dass Treibstoff nicht mehr in der Tragfläche gelagert werden kann, sondern in relativ schwere und sperrige Tanks im Rumpfinneren transportiert werden muss. Trotz dieser Nachteile können wasserstoffbetriebene Langstreckenflüge verbrauchen Bis zu 12% weniger Energie als Kerosin.
Über den Autor
Dries Verstraete, Dozent für Luft- und Raumfahrtdesign und Antriebstechnik, Universität von Sydney
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
Video: Future Aircraft - NASA-Dokumentation
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