Een van de belangrijkste doelen van ruimtevaartagentschappen en commerciële ruimtevaart is tegenwoordig het verminderen van de bijbehorende kosten van ruimteverkenning. Maar het zijn niet alleen de kosten van het verzenden van ladingen de ruimte in (en de vervuiling die het veroorzaakt) die agentschappen zoals NASA bezighouden.
Er zijn ook de kosten (zowel economisch als milieu) die verband houden met de luchtvaart. Vliegtuigbrandstof is ook niet goedkoop en commerciële vliegreizen zijn goed voor 4 tot 9% van de antropogene broeikasgassen (en nemen toe). Om deze reden werkt NASA samen met de commerciële industrie om elektrische vliegtuigen te ontwikkelen, waarvan zij hopen dat het tegen 2035 een brandstof- en kostenefficiënt alternatief zal zijn voor commerciële vliegtuigen.
Dit vormt een grote uitdaging, aangezien veel van de componenten die nodig zijn om een functionerend elektrisch vliegtuig te maken, vrij groot en zwaar zijn. In het bijzonder zoekt NASA's Advanced Air Vehicles Program (AAVP) naar lichtgewicht en compacte omvormers - een centraal onderdeel van een elektrisch systeem dat stroom levert voor de aandrijving van de elektromotor.
Omvormers zijn van cruciaal belang voor elektronische voortstuwingssystemen, omdat ze wisselstroom (AC) - opgewekt door op de motor gemonteerde generatoren en de door propellers aangedreven elektromotoren - omzetten in het hoogspanningsgelijkstroom (DC). Helaas zijn de componenten die nodig zijn om die hoeveelheid stroom op te wekken - generatoren, elektronica voor vermogensconversie, motoren, enz. - van oudsher veel te groot en te zwaar om in een vliegtuig te passen.
Dit zorgt voor een raadsel omdat de hoeveelheid energie die nodig is om de benodigde lift te genereren, nog zwaardere elektronica vereist. Vandaar dat NASA geavanceerde materiaalwetenschap onderzoekt om lichtere en kleinere elektronica te creëren. Daartoe tekenden ze onlangs een contract van $ 12 miljoen met General Electric (GE), een van de wereldleiders in de ontwikkeling van geavanceerde siliciumcarbide (SiC) -technologie.
Dit halfgeleidende mineraal wordt gebruikt bij de fabricage van hoge temperatuur, hoogspanningselektronica, en GE hoopt het te gebruiken om te voldoen aan de door NASA gespecificeerde vereisten voor grootte, vermogen en efficiëntie. Deze specificaties vragen om een omvormer die niet groter is dan een koffer en in staat is om een megawatt (MW) elektriciteit op te wekken.
Zoals Jim Heidmann, manager van NASA's Advanced Air Transport Technology Project, uitlegde in een NASA-persbericht:
"We bevinden ons op een kritiek moment in de geschiedenis van de luchtvaart omdat we de mogelijkheid hebben om systemen te ontwikkelen die de kosten, het energieverbruik en het geluid verminderen, terwijl we nieuwe markten en kansen openen voor Amerikaanse bedrijven. Het is absoluut noodzakelijk dat we samenwerken met de industrie en de academische wereld om ervoor te zorgen dat de juiste technologieën beschikbaar zijn om te voldoen aan de eisen van toekomstige passagiers en vervoerders. "
Simpel gezegd, een megawatt is een enorme hoeveelheid elektriciteit en het veilig beheren van dat soort stroom is een grote uitdaging. Bijvoorbeeld NASA's
Maar dankzij de vooruitgang die de afgelopen jaren is geboekt op het gebied van elektronica en hybride motortechnologie, zouden deze vereisten binnen handbereik kunnen zijn. Amy Jankovsky, manager van het subproject Hybrid Gas-Electric Propulsion bij NASA's Glenn Research Center:
“Met de recente vooruitgang op het gebied van materialen en vermogenselektronica beginnen we de uitdagingen bij het ontwikkelen van energiereducerende elektrificatieconcepten te overwinnen, en dit omvormerwerk is een cruciale stap in onze inspanningen voor de voortstuwing van elektrische vliegtuigen. Onze samenwerking met GE is essentieel voor het verbeteren van het gewicht en de vluchtklare componenten in de megawattklasse voor toekomstige transportvliegtuigen. ”
Siliciumcarbide is vooral veelbelovend voor luchtvaarttoepassingen met een hoog vermogen vanwege zijn materiaaleigenschappen. Het biedt hoge bedrijfstemperaturen, hoogspanning en een hoge belastbaarheid. Deze voordelen stellen ingenieurs in staat componenten te ontwerpen die kleiner en lichter zijn en tegelijkertijd het uitgangsvermogen verhogen.
"We verpakken in wezen één megawatt aan vermogen in de maat van een compacte koffer die voldoende elektrische energie zal omzetten om hybride-elektrische voortstuwingsarchitecturen voor commerciële vliegtuigen mogelijk te maken", zegt Konrad Weeber, hoofdingenieur van Electric Power bij GE Research. "We hebben met succes omvormers op de grond gebouwd en gedemonstreerd die voldoen aan de eisen op het gebied van vermogen, afmetingen en efficiëntie van elektrische vluchten."
De ontwikkeling van deze elektrische systemen vindt momenteel plaats op NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) in Sandusky, Ohio, voorheen de NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. De eerste in zijn soort, dit herconfigureerbare testbed is belast met het ontwerpen, ontwikkelen, assembleren en testen van de elektrische vliegtuigvermogenssystemen die in de creatie van alles zullen passen, van tweepersoonsvliegtuigen tot 20 MW-vliegtuigen.
In mei kon NEAT zijn eerste test op megawattschaal uitvoeren dankzij de enorme hoeveelheden stroom waartoe de faciliteit toegang heeft. Deze en de recent ondertekende samenwerking met GE komt net kort nadat NASA opnieuw een lucratieve samenwerking met GE en twee grote ruimtevaartbedrijven - Boeing en United Technologies Pratt & Whitney - aankondigde om de mogelijke voordelen en risico's van vluchtdemonstraties op megawattschaal te bestuderen.
Zoals Barb Esker, adjunct-directeur van NASA's Advanced Air Vehicles Program, het verwoordde:
"De vluchtdemonstraties zijn een belangrijk onderdeel van technologische ontwikkeling omdat ze onze ingenieurs en industriepartners de mogelijkheid bieden om problemen uit te werken en concepten te bewijzen in een realistische setting, terwijl ze de uitdagingen aanpakken waarmee de elektrische voortstuwing in de luchtvaart wordt geconfronteerd."
Tussen de dreiging van klimaatverandering en het feit dat de wereldbevolking tegen 2050 naar verwachting bijna 10 miljard zal bereiken, is het duidelijk dat alternatieve productiemiddelen, energieproductie en transport moeten worden ontwikkeld. Het is goed om te weten dat we naast elektrische en hybride auto's ook kunnen uitkijken naar elektrische en hybride vliegtuigen.
