Як розвиваються проекти створення електролітачка

Електромобілі екологічно чисті, безшумні, і майбутнє, схоже, належить їм, пише The Economist.
Американська компанія Tesla, яка багато зробила для того, щоб додати престижу і «крутості» образу електромобілів, ледве встигає задовольнити попит на свою Model 3 для середнього сегмента ринку (хоча це не завадило їй оголосити про плани випуску ще й електричних вантажівок). Шведський автовиробник Volvo анонсував, що до 2019-го всі машини, принаймні, частково будуть працювати від електрики. Volkswagen буде пропонувати варіанти з електродвигуном для всіх своїх марок, схожі заяви зробили і General Motors. Деякі країни, зокрема Китай, Великобританія і Франція, пропонують заборонити двигуни внутрішнього згоряння через кілька десятків років.
Однак, не всі види транспорту так легко електрифікувати. Одним з найважчих є авіація, де проблема потужності акумулятора накладається на серйозну іншу — вага. В перерахунку на кілограм ваги викопне паливо містить приблизно в 100 разів більше енергії, ніж літій-іонна батарея. На автошляхах цю проблему можна вирішити. Однак для машини, яка повинна підняти себе в небо, зробити це значно важче.
Важко, але не неможливо. Літаки з електричним приводом всіх форм і розмірів розробляють десятки компаній. Деякі схожі на літаючі автомобілі — такі фінансує співзасновник Google Ларрі Пейдж. Інші вміють зависати в повітрі, як дрони, і могли б працювати безпілотними повітряними таксі (ними дуже цікавиться Über). Словенська компанія Pipistrel вже виготовила двомісний електричний тренувальний літак. Інший двомісний апарат, E-Fan, запустив європейський авиагигант Airbus (хоча нещодавно він відмовився від цього проекту).
Причина стала відома 28 листопада, коли в Airbus оголосили про ще більш амбітні наміри. В команді з британським виробником реактивних двигунів Rolls-Royce і німецькою групою Siemens Airbus буде працювати над перетворенням невеликого авіалайнера на «літаючу експериментальну установку для перевірки технічної обґрунтованості гібридно-електричних двигунів. «Перед нами відкривається новий світ авіації», — заявив керівник підрозділу Siemens eAircraft Франк Антон. Він припускає, що електроенергія буде так само важлива для комерційної авіації, як і винахід реактивного двигуна.
Недостатньо. Поки що
В цілому в галузі панує думка, що технологія виготовлення акумуляторів поки що не досягла того рівня, коли можна будувати авіалайнери виключно з електричним приводом. Але якщо гібридні двигуни допомагають деяким електромобілям їздити на довгі відстані, то гібридні системи наближають створення і электросамолетов.
У команді Airbus планують модифікацію BAe 146 — 100-місцевого регіонального авіалайнера з чотирма звичайними реактивними двигунами. Першим кроком буде заміна одного з них двухмегаватным електричним блоком, який буде складатися з вбудованого в корпус пропелера.
Як і в гібридному автомобілі, останній буде приводитися в рух комбінацією з батареї і допоміжного двигуна для збільшення дальності (невеликого реактивного мотора, змонтованого в задній частині фюзеляжу і підключеного до генератора). Цей збільшувач дальності можна буде тимчасово включати протягом польоту для приведення в дію пропелерів або зарядки батареї. Він буде дуже ощадливо витрачати пальне, адже постійно буде працювати на оптимальній швидкості на відміну від реактивного двигуна, який безпосередньо приводить в рух літаків.
Льотні випробування повинні початися в 2020 році. Якщо вони пройдуть успішно, на літаку замінять ще один двигун. Команда сподівається, що результати дадуть достатньо інформації, щоб спроектувати повністю гібридно-електричний авіалайнер на 50-100 місць з нуля. Такий літак введуть в експлуатацію орієнтовно 2030-го.
До того в повітря можуть піднятися вже інші апарати. Стартап Zunum Aero, функціонуючий неподалік від Сіетла сподівається до 2022 року випустити для перевезення перших пасажирів свій гібридно-електричний рейсовий літак на 12 місць. У цьому йому допоможуть інвестиції американського аерокосмічного гіганта Boeing і успішного авіаперевізника JetBlue.
Конструктори сподіваються, що такі літаки стануть проміжними ланками на шляху до повністю електропривідним літакам в майбутньому. Складно буде подолати проблему ваги. Можливо, великі літаки, які обслуговують далекі маршрути, так і не вдасться повністю електрифікувати, хоча гібридні системи можуть знизити витрати пального для них. Але тут допоможуть зміни в конструкції. Наприклад, у Airbus вважають, що електродвигуни можна вмонтувати в фюзеляж для зменшення аеродинамічного опору. Електроенергія має деякі плюси, які врівноважують її великий недолік. Один з них — двигуни внутрішнього згоряння не надто ефективно перетворюють енергію палива в рух. Натомість більша частина її втрачається у формі теплоти. Реактивний двигун може мати близько 55% ККД під час руху з постійною круїзної швидкістю на ідеальною висоті. Але цей показник зменшується наполовину і більше під час зльоту, набору висоти, посадки і руху по злітно-посадковою смугою, а саме на це припадає більша частина польоту літаків, які обслуговують короткі маршрути.
Електричний двигун може працювати набагато ефективніше. Останні моделі мають більш 95% ККД, тому батареї, які забезпечують їх струмом, не повинні рівнятися по енергоємності пального для реактивних літаків. Також електродвигуни легше за реактивних, що частково вирівнює дисбаланс ваги. І вони складаються з набагато меншої кількості деталей, а отже, вимагають менше техобслуговування (це дуже витратна стаття в авіації).
З усіх цих причин в Zunum планують зосередити увагу (принаймні спочатку) на відносно коротких маршрутах, де електродвигуни принесуть найбільший виграш. Президент компанії Ашіш Кумар говорить, що головна ідея — обслуговувати сотні дрібних американських аеропортів, які залишилися за бортом, коли рейси перенесли у великі транспортні вузли. Літак цієї компанії буде мати круїзну швидкість близько 550 км/год (340 миль/год), а дальність польоту складе близько 1130 км (700 миль). Як і розробка Airbus, він буде використовувати єдиний невеликий реактивний двигун в задній частині фюзеляжу для обслуговування генератора, що зможе приводити в дію два 500-кіловатних пропелера і заряджати батареї, встановлені на крилах (після приземлення їх будуть міняти на свіжі). Завдяки цьому в деяких аеропортах час між рейсами можна буде зменшити до 10 хв.
Дальність польоту літака, за словами доктора Кумара, з часом буде зростати. Адже батареї мають ще одну перевагу порівняно з викопним паливом: як всяка не до кінця розроблена технологія, вони все ще пропонують багато простору для вдосконалення. З нарощуванням виробництва (де тон задають автомобільна та електронна галузі) ємність батарей зростає, а ціни падають.
Наприклад, минулого тижня у великій південнокорейської компанії Samsung Electronics заявили, що застосування графена (сверхмелкой форми вуглецю) в літій-іонної батареї дозволило підняти її енергоємність на 45%, а також надзвичайно знизити потрібне для перезарядки час. Зараз розробляється багато інших хімічних складових батарей. Серед перспективних ідей батарея з твердим літієм, який замінить рідкий електроліт нинішніх осередків твердим речовиною. Крім значного підвищення енергоємності такі батареї повинні бути дешевими в масовому виробництві. На думку доктора Кумара, вони дадуть можливість його розвиток до 2035 року збільшити дальність польоту до майже 2400 км, а можливо, навіть і відмовитися від бортового генератора.
Об’єднати всі ці плюси і мінуси в єдиному апараті непросто. Підлогу Єременко, головний технічний директор Airbus, каже, що вузькофюзеляжний гібридно-електричний авіалайнер буде «безпечним, ефективним і економним». Доктор Кумар з Zunum готовий піти ще далі і назвати конкретні цифри. Для авіаперевізників важливий показник — вартість наявної пасажиро-миль (CASM). Її обчислюють діленням операційних витрат на місткість (кількість місць в літаку, помножене на кілометраж польоту). У Zunum заявляють, що в їх літаку вартість пасажиро-миль дорівнює 8 центам. Консалтингова компанія Oliver Wyman вважає, що для американських авіаліній вона в середньому дорівнювала 11 центів в 2016-му.
Як і електромобілі, электросамолеты будуть мати ще деякі інші переваги, які не так просто виразити цифрами. Вони будуть тихіше ніж реактивні літаки, що привабливо для аеропортів, розташованих поблизу великих міст. А також екологічно чистіша, і цей показник буде поліпшуватися, якщо більше електроенергії буде вироблятися з низьковуглецевих носіїв. Скептики сумніваються, що вдасться вирішити проблему ваги належним чином; циніки підозрюють, що ці проекти робляться лише заради піару. Але мало хто припускав темпи електрифікації в інших галузях. Якщо электросамолет зможе запропонувати швидкі і одночасно дешеві рейси в обхід переповнених аеропортів, то авіапасажири будуть такої конкуренції тільки раді.