Ett av de främsta målen för rymdorganisationer och kommersiellt flyg är att minska de associerade kostnaderna för rymdutforskning. När det kommer till kritan är det fortfarande väldigt dyrt att skicka raketer i omloppsbana, strunt i att skicka dem bortom jorden. Men det är inte bara kostnaden för att skicka nyttolaster ut i rymden (och föroreningarna det orsakar) som berör byråer som NASA.
Det finns också kostnaden (ekonomisk såväl som miljömässig) förknippad med flyget. Flygbränsle är inte heller billigt, och kommersiella flygresor står för 4 till 9 % av antropogena växthusgaser (och är på uppgång). Av denna anledning har NASA samarbetat med den kommersiella industrin för att utveckla elektriska flygplan , som de hoppas kommer att ge ett bränsle- och kostnadseffektivt alternativ till kommersiella jetplan 2035.
Detta utgör en betydande utmaning eftersom många av de komponenter som behövs för att skapa ett fungerande elektriskt flygplan är ganska stora och tunga. I synnerhet NASA Avancerat flygfordonsprogram (AAVP) letar efter lätta och kompakta växelriktare – en central komponent i ett elektriskt system som ger kraft för att driva elmotorn.
Växelriktare är avgörande för elektroniska framdrivningssystem eftersom de omvandlar växelström (AC) – genererad av motormonterade generatorer och elmotorer som drivs av propellrar – till högspänningslikström (DC). Tyvärr har komponenterna som behövs för att generera den mängden ström – generatorer, kraftomvandlingselektronik, motorer etc. – historiskt sett varit alldeles för stora och tunga för att passa i ett flygplan.
Detta skapar något av en gåta eftersom mängden energi som behövs för att generera det nödvändiga lyftet skulle kräva ännu tyngre elektronik. Det är därför NASA undersöker banbrytande materialvetenskap för att skapa lättare och mindre elektronik. För detta ändamål undertecknade de nyligen en 12 miljoner dollar kontrakt med General Electric (GE), en av världens ledande inom utvecklingen av den senaste tekniken för kiselkarbid (SiC).
Detta halvledande mineral används vid tillverkning av högtemperatur- och högspänningselektronik, och GE hoppas kunna använda det för att möta storleks-, effekt- och effektivitetskraven som specificeras av NASA. Dessa specifikationer kräver en växelriktare som inte är större än en resväska och som kan generera en megawatt (MW) el.
Som Jim Heidmann, chef för NASAs Advanced Air Transport Technology Project, förklarade i en NASA pressmeddelande :
'Vi befinner oss i en kritisk tidpunkt i flygets historia eftersom vi har en möjlighet att utveckla system som kommer att minska kostnader, energiförbrukning och buller, samtidigt som vi öppnar upp nya marknader och möjligheter för amerikanska företag. Det är absolut nödvändigt att vi samarbetar med industri och akademi för att säkerställa att rätt teknik finns tillgänglig för att möta kraven från framtida passagerare och transportörer.'
GE och NASA har samarbetat i ett program på 12 miljoner dollar för att främja elektrisk flygning. Kredit: GE Forskning
Enkelt uttryckt är en megawatt en enorm mängd el och att hantera den typen av kraft säkert är en stor utmaning. Till exempel NASA Turboelektriskt flygplan med en gång med ett bakre gränsskikt (STARC-ABL) – som använder avancerad framdrivningsteknik för att minska bränsleförbrukning, utsläpp och buller – kräver 2,4 MW effekt för att fungera, vilket är tillräckligt med el för att driva 2 000 hem.
Men tack vare framsteg som gjorts inom området elektronik och hybridmotorteknik de senaste åren kan dessa krav vara inom räckhåll. Sa Amy Jankovsky, chef för delprojektet Hybrid Gas-Electric Propulsion vid NASA:s Glenn Research Center:
'Med de senaste framstegen inom material och kraftelektronik börjar vi övervinna utmaningarna när det gäller att utveckla energireducerande elektrifieringskoncept, och detta växelriktararbete är ett kritiskt steg i våra ansträngningar för framdrivning av elektrifierade flygplan. Vårt partnerskap med GE är nyckeln till att utveckla flygvikts- och flygfärdiga komponenter i megawattklassen för framtida transportflygplan.”
Kiselkarbid är särskilt lovande för högeffektsflygtillämpningar på grund av dess materialegenskaper. Den erbjuder höga driftstemperaturer, hög spänning och en hög effekthanteringskapacitet. Dessa fördelar kommer att ge ingenjörer möjligheten att designa komponenter som är mindre i storlek och lättare samtidigt som de ökar uteffekten.
Konstnärens koncept av NASA:s X-57 Maxwell-flygplan, ett nytt elektriskt X-plan som är tystare, effektivare och mer miljövänligt. Tack: NASA Langley/Advanced Concepts Lab, AMA, Inc
'Vi packar i princip en megawatt effekt i storleken på en kompakt resväska som kommer att omvandla tillräckligt med elektrisk kraft för att möjliggöra hybridelektriska framdrivningsarkitekturer för kommersiella flygplan.' sa Konrad Weeber, chefsingenjör för Electric Power på GE Research. 'Vi har framgångsrikt byggt och demonstrerat växelriktare på marknivå som uppfyller kraft-, storleks- och effektivitetskraven för elektrisk flygning.'
Utvecklingen av dessa elektriska system pågår för närvarande kl NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) i Sandusky, Ohio, som tidigare var NASAs Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Den första i sitt slag, denna omkonfigurerbara testbädd har till uppgift att designa, utveckla, montera och testa de elektriska kraftsystemen för flygplan som kommer att gå till skapandet av allt från två-personsflygplan till 20 MW flygplan.
Tillbaka i maj kunde NEAT genomföra sitt första test i megawattskala tack vare de enorma mängder ström som anläggningen har tillgång till. Detta och det nyligen undertecknade partnerskapet med GE kommer strax efter att NASA tillkännagav ytterligare ett lukrativt partnerskap med GE och två stora flygbolag – Boeing och United Technologies Pratt & Whitney – att studera möjliga fördelar och risker med flygdemonstrationer i megawattskala.
Som Barb Esker, biträdande direktör för NASAs Advanced Air Vehicles Program, uttryckte det:
'Flygdemonstrationen är en viktig del av teknikutvecklingen eftersom de erbjuder våra ingenjörer och industripartners möjligheten att arbeta fram problem och bevisa koncept i en realistisk miljö, samtidigt som de tar itu med utmaningarna som elektrifierad framdrivning står inför inom flyget.'
Mellan hotet om klimatförändringar och det faktum att världens befolkning förväntas nå nära 10 miljarder år 2050 , är det tydligt att alternativa metoder för tillverkning, energiproduktion och transporter måste utvecklas. Det är bra att veta att vi vid sidan av el- och hybridbilar kan se fram emot el- och hybridplan.
Vidare läsning: NASA