Et af hovedmålsætningerne for rumfartsagenturer og kommercielt luftfart i disse dage er at reducere de dermed forbundne omkostninger til rumfart. Men det er ikke kun omkostningerne ved at sende nyttelast ud i rummet (og den forurening, det forårsager), der vedrører agenturer som NASA.
Der er også omkostningerne (økonomiske såvel som miljømæssige) forbundet med luftfart. Jetbrændstof er heller ikke billigt, og kommercielle flyrejser tegner sig for 4 til 9% af menneskeskabte drivhusgasser (og er stigende). Af denne grund har NASA samarbejdet med den kommercielle industri om at udvikle elektriske fly, som de håber vil give et brændstof- og omkostningseffektivt alternativ til kommercielle jetfly inden 2035.
Dette repræsenterer en betydelig udfordring, da mange af de komponenter, der er nødvendige for at skabe et fungerende elektrisk fly, er ret store og tunge. Navnlig er NASAs Advanced Air Vehicles Program (AAVP) på udkig efter lette og kompakte omformere - en central komponent i et elektrisk system, der giver strøm til at drive den elektriske motor.
Invertere er kritiske for elektroniske fremdrivningssystemer, da de konverterer vekselstrøm (AC) - genereret af motormonterede generatorer og de elektriske motorer, der drives af propeller - til højspændingsjævnstrøm (DC). Desværre har komponenterne, der er nødvendige for at generere den mængde strøm - generatorer, kraftkonverteringselektronik, motorer osv. - historisk set været alt for store og tunge til at kunne passe ind i et fly.
Dette skaber noget af en conundrum, da den mængde energi, der er nødvendig for at generere den nødvendige løft, ville kræve endnu tungere elektronik. Derfor undersøger NASA banebrydende materialevidenskab for at skabe lettere og mindre elektronik. Med henblik herpå underskrev de for nylig en kontrakt på 12 millioner dollars med General Electric (GE), en af verdens førende inden for udvikling af avanceret siliciumkarbid (SiC) -teknologi.
Dette halvledende mineral bruges til fremstilling af højtemperatur, højspændingselektronik, og GE håber at kunne bruge det til at imødekomme de krav, størrelse og effekt, der er specificeret af NASA. Disse specifikationer kræver en inverter, der ikke er større end en kuffert og er i stand til at generere en megawatt (MW) elektricitet.
Som Jim Heidmann, manager for NASAs Advanced Air Transport Technology Project, forklarede i en NASA-pressemeddelelse:
”Vi er på et kritisk tidspunkt i luftfartshistorien, fordi vi har en mulighed for at udvikle systemer, der reducerer omkostninger, energiforbrug og støj, mens vi åbner nye markeder og muligheder for amerikanske virksomheder. Det er bydende nødvendigt, at vi samarbejder med industrien og den akademiske verden for at sikre, at de rigtige teknologier er tilgængelige for at imødekomme krav fra fremtidige passagerer og luftfartsselskaber. ”
Kort sagt, en megawatt er en enorm mængde elektricitet, og det er en stor udfordring at styre den slags strøm sikkert. F.eks. NASA'er
Men takket være de fremskridt, der er gjort inden for elektronik og hybridmotorteknologi i de senere år, kunne disse krav være inden for rækkevidde. Sa Amy Jankovsky, leder af delprojektet Hybrid gaselektrisk fremdrift ved NASAs Glenn Research Center:
”Med de nylige fremskridt inden for materialer og kraftelektronik begynder vi at overvinde de udfordringer, vi står overfor med at udvikle energireducerende elektrificeringskoncepter, og dette inverterarbejde er et kritisk trin i vores elektrificerede fremdrivningsindsats for fly. Vores partnerskab med GE er nøglen til at fremme flyvægt og fly-klar komponenter i megawatt-klassen til fremtidige transportfly. ”
Siliciumcarbid er især lovende til applikationer med høj effekt på luftfart på grund af dets materialegenskaber. Det tilbyder høje driftstemperaturer, højspænding og en høj effekthåndteringskapacitet. Disse fordele giver ingeniører mulighed for at designe komponenter, der er mindre i størrelse og lettere, samtidig med at de øger effekten.
”Vi pakker i det væsentlige en megawatt kraft i størrelsen på en kompakt kuffert, der vil konvertere nok elektrisk energi til at muliggøre hybridelektrisk fremdriftsarkitekturer til kommercielle fly,” sagde Konrad Weeber, chefingeniør for elektrisk kraft hos GE Research. "Vi har med succes bygget og demonstreret invertere på jordoverfladen, der opfylder kraften for strøm, størrelse og effektivitet i forbindelse med elektrisk flyvning."
Udviklingen af disse elektriske systemer, der i øjeblikket finder sted på NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) i Sandusky, Ohio, som tidligere var NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Den første af sin art, denne omkonfigurerbare testbed, har til opgave at designe, udvikle, montere og teste de elektriske flykraftsystemer, der skal gå i oprettelsen af alt fra to-personers fly til 20 MW flyledere.
Tilbage i maj var NEAT i stand til at gennemføre sin første test med megawatt-skala takket være de enorme mængder strøm, anlægget har adgang til. Dette og det for nylig underskrevne partnerskab med GE kommer lige kort efter, at NASA annoncerede endnu et lukrativt partnerskab med GE og to større luftfartsselskaber - Boeing og United Technologies Pratt & Whitney - for at studere de mulige fordele og risici ved megawatt-skala flydemonstrationer.
Som Barb Esker, vicechef for NASAs Advanced Air Vehicles Program, udtrykte det:
”Flydemonstrationerne er en vigtig del af teknologiudviklingen, fordi de tilbyder vores ingeniører og branchepartnere mulighed for at udarbejde problemer og bevise koncepter i en realistisk ramme, samtidig med at de tager fat på de udfordringer, som elektrificeret fremdrift i luftfarten står overfor.”
Mellem truslen om klimaændringer og det faktum, at verdens befolkning forventes at nå næsten 10 milliarder inden 2050, er det klart, at der er behov for at udvikle alternative produktionsmidler, energiproduktion og transport. Det er godt at vide, at vi sammen med el- og hybridbiler kan se frem til elektriske og hybridfly.
