Ett av huvudmålen för rymdbyråer och kommersiell flyg- och rymdföretag idag är att minska de tillhörande kostnaderna för rymdutforskning. Men det är inte bara kostnaden för att skicka nyttolaster ut i rymden (och den föroreningar det orsakar) som berör byråer som NASA.
Det finns också kostnaderna (ekonomisk såväl som miljö) som är förknippade med luftfarten. Jetbränsle är inte billig, och kommersiella flygresor står för 4 till 9% av antropogena växthusgaser (och ökar). 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 jetflygplan fram till 2035.
Detta representerar en betydande utmaning eftersom många av komponenterna som behövs för att skapa ett fungerande elektriska flygplan är ganska stora och tunga. I synnerhet letar NASA: s Advanced Air Vehicles Program (AAVP) efter lätta och kompakta växelriktare - en central komponent i ett elektriskt system som ger kraft för att driva elmotorn.
Inverterare är avgörande för elektroniska framdrivningssystem eftersom de omvandlar växelström (AC) - genererad av motormonterade generatorer och elmotorer som drivs av propeller - till högspänningens likström (DC). Tyvärr har komponenterna som behövs för att generera den mängden kraft - generatorer, kraftomvandlingselektronik, motorer etc. - historiskt sett varit alltför stora och tunga för att passa in i ett flygplan.
Detta skapar något av en conundrum eftersom den mängd energi som krävs för att generera den nödvändiga hissen kräver ännu tyngre elektronik. Därför undersöker NASA banbrytande materialvetenskap för att skapa lättare och mindre elektronik. För detta ändamål tecknade de nyligen ett kontrakt på 12 miljoner dollar med General Electric (GE), en av världens ledande inom utveckling av banbrytande kiselkarbid (SiC) -teknologi.
Detta halvledande mineral används för tillverkning av högtemperatur, högspänningselektronik, och GE hoppas kunna använda det för att uppfylla kraven på storlek, effekt och effektivitet som anges 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 NASA: s Advanced Air Transport Technology Project, förklarade i ett pressmeddelande från NASA:
”Vi befinner oss på en kritisk tidpunkt i flyghistorien eftersom vi har en möjlighet att utveckla system som kommer att minska kostnader, energiförbrukning och buller, samtidigt som vi öppnar nya marknader och möjligheter för amerikanska företag. Det är viktigt att vi arbetar med industrin och akademin för att säkerställa att rätt teknik är tillgänglig för att möta framtida passagerares och transportörers krav. "
Enkelt uttryckt är en megawatt en enorm mängd el och att hantera den typen av kraft på ett säkert sätt är en stor utmaning. Till exempel NASA: s
Men tack vare framstegen inom elektronik och hybridmotorteknik under 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 de utmaningar som står inför utvecklingen av energireducerande elektrifieringskoncept, och detta inverterarbete är ett kritiskt steg i våra elektrifierade framdrivningsinsatser för flygplan. Vårt partnerskap med GE är nyckeln till att främja flygvikt och flygklara komponenter i megawatt-klassen för framtida transportflygplan. ”
Kiselkarbid är särskilt lovande för applikationer med hög effekt på luftfart på grund av dess materialegenskaper. Den erbjuder höga driftstemperaturer, högspänning och hög effekthanteringskapacitet. Dessa fördelar gör det möjligt för ingenjörerna att designa komponenter som är mindre i storlek och lättare samtidigt som de ökar effekten.
"Vi packar i huvudsak en megawatt kraft till storleken på en kompakt resväska som kommer att konvertera tillräckligt med elkraft för att möjliggöra hybridelektriska framdrivningsarkitekturer för kommersiella flygplan," säger Konrad Weeber, chefstekniker för elkraft vid GE Research. "Vi har framgångsrikt byggt och demonstrerat växelriktare på marknivå som uppfyller kraven för kraft, storlek och effektivitet för elektrisk flygning."
Utvecklingen av dessa elektriska system som för närvarande äger rum vid NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) i Sandusky, Ohio, som tidigare var NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Den första i sitt slag, denna omkonfigurerbara testbädd är laddad med att designa, utveckla, montera och testa de elektriska flygplans kraftsystem som kommer att gå in i skapandet av allt från tvåpersonsflygplan till 20 MW flyglinjer.
Tillbaka i maj kunde NEAT utföra sitt första megawatt-skala-test tack vare de enorma mängder kraft som anläggningen har tillgång till. Detta och det nyligen undertecknade partnerskapet med GE kommer strax efter att NASA tillkännagav ett nytt lukrativt partnerskap med GE och två stora flyg- och rymdföretag - Boeing och United Technologies Pratt & Whitney - för att studera de möjliga fördelarna och riskerna med flygdemonstrationer i megawatt-skala.
Som Barb Esker, biträdande chef för NASA: s Advanced Air Vehicles Program, uttryckte det:
"Flygdemonstrationerna är en viktig del av teknikutvecklingen eftersom de erbjuder våra ingenjörer och industripartners möjlighet att utarbeta frågor och bevisa koncept i en realistisk miljö och samtidigt ta itu med de utmaningar som står inför elektrifierad framdrivning inom luftfarten.
Mellan hotet om klimatförändringar och det faktum att världens befolkning beräknas nå nära 10 miljarder år 2050 är det uppenbart att alternativa tillverkningsmetoder, energiproduktion och transport behöver utvecklas. Det är bra att veta att vi tillsammans med el- och hybridbilar kan se fram emot el- och hybridplan.
