Beneficiile neaşteptate din ingineria avioanelor electrice şi provocările care încă mai stau în calea adoptării lor pe larg

Anul 2021 a fost unul care a mişcat puternic lucrurile înainte nu doar pentru automobilele electrice, dar şi pentru mobilitatea electrică în aviaţie. Da, avioane electrice. În septembrie, Rolls-Royce a efectuat primul zbor de test cu avionul său electric compact, iar în noiembrie a şi bătut un record cu acesta, pentru ca în decembrie, startup-ul american Eviation să anunţe versiunea de producţie, omologată, pentru avionul său electric, la care a lucrat în ultimii ani, Eviation Alice. Parametrii tehnici sunt curioşi, dar sunt şi mai curioase diferenţele majore pe care le aduce însăşi ideea ca avioanele să treacă la propulsie electrică, după exemplul maşinilor. Însă pentru că avioanele operează, totuşi, într-un mediu diferit de cel al maşinilor, ne-am gândit să cercetăm mai profund ce beneficii neaşteptate şi schimbări poate aduce ingineria avioanelor electrice în lumea noastră, dar şi care sunt provocările majore, care încă mai stau în calea adoptări pe larg a avioanelor electrice.

Ideea unui avion electric e simplă, în esenţă. Propulsia e asigurată de motoare electrice în locul celor cu ardere internă sau reactive, folosite în prezent. Respectiv, rezervoarele de combustibil se înlocuiesc cu surse de electricitate. În prezent, avioanele electrice viabile folosesc motoare electrice, care propulsează elice, nu turbine de genul celor pe care le vedem la avioanele cu reacţie. Şi, fireşte, deocamdată toate avioanele electrice care au demonstrat o minimă viabilitate sunt de dimensiuni compacte, cu promisiunea ca dezvoltarea să ajungă şi la cele mai mare.

Să începem cu beneficiile neaşteptate şi marile schimbări care le poate aduce ingineria avioanelor electrice în aviaţie şi în lumea noastră. Prima schimbare e una ecologică, fireşte, or, avioanele însumează peste 2% din emisiile de CO2 la nivel global, iar o problemă mai gravă e că acele emisii de CO2 şi NOx au loc la altitudine mare, afectând stratul de ozon mai tare. Respectiv, avioanele electrice au zero emisii locale, acolo sus, prin urmare nu mai produc poluare la altitudine.

Foto: Avionul electric cu un singur electromotor al celor de la Rolls-Royce

Zgomotul e un beneficiu neaşteptat şi deosebit de important. Din nou, aviaţia a responsabilă de cea mai mare parte a poluării sonore la nivel global. În cazul avioanelor electrice, rămâne doar zgomotul aerodinamic, în timp de turuitul sonor al motoarelor dispare cu totul din ecuaţie. Iar asta ne va face să nu mai facem ca-n copilărie, ridicând capul sus când se auzea un avion, pentru că acesta nu se va mai auzi.

Avioanele electrice folosesc electromotoare cu flux axial, pentru că sunt mult mai eficiente în a folosi fluxul magnetic şi a asigura direcţia dorită a turaţiilor din prima secunde, fiind şi mai uşoare şi compacte în comparaţie cu forţa generată. Iar asta le-a asigurat o eficienţă energetică de circa 90% în comparaţie cu circa 50% la motoarele cu reacţie.

Electromotoarele avioanelor nu au nevoie de sistem de demarare şi de transmisie, cum e şi în cazul maşinilor. Pot porni imediat, fără necesitatea mecanismelor auxiliare, fiind direct corelate cu elicea. De asemenea, motoarele avioanelor electrice asigură o reacţie instantanee la intenţia de sporire a turaţiilor, în timp ce motoarele cu reacţie au o întârziere după sporirea combustibilului livrat lor. Iar asta va permite manevrarea avioanelor electrice cu o mult mai mare precizie şi reacţii de răspuns minime.

Această calitate a electromotoarelor dă şansa gestionării diferite a mai multor procese de zbor. De exemplu, la avioanele cu propulsie convenţională, uneori schimbarea mai rapidă a efectului de forţă de propulsie are loc prin schimbarea ughiului palelor elicei. La avioane electrice, efectul rapid poate fi obţinut şi prin schimbarea turaţiilor motorului, schimbarea unghiului palelor devenind un instrument auxiliar, folosit mai ales la revers, frâna de aer la aterizare, sau alte situaţii specifice. Acelaşi efect dă beneficiu şi la decolare, motoarele atingând turaţiile şi forţa necesară mai repede, iar decolarea devine mai simplă.

Un alt efect interesant e aplicarea puterii diferenţiate pe motoare la avioane electrice, cu o precizie mult mai mare. Şi la motoarele cu reacţie există posibilitatea manevrării individuale al fiecărui motor şi uneori piloţii folosesc asta pentru manevre în situaţii de urgenţă. Totuşi, virările în aer se fac cu ajutorul eleroanelor şi chilei. La avioane electrice, însă, diferenţierea e mai rapidă şi poate fi folosită pentru a ajuta la precizia virărilor, pe lângă acţionarea eleroanelor şi chilei. Iar la aterizarea în vânt perpendicular aceeaşi capacitate poate fi de ajutor, dar probabil mai mult în regim automatizat.

În fine, un alt avantaj e mentenanţa mult mai simplă, cu mai puţine piese care pot să se defecteze la partea de propulsie, ceea ce ar putea reduce costurile şi complexitatea de mentenanţă, şi ar putea reduce numărul accidentelor aviatice, eventual. Fireşte, mentenanţa mai simplă reduce şi costurile de întreţinere. La fel de importantă e şi reducerea costurilor de energie, în raport cu combustibilul aviatic folosit în prezent.

Până aici, par a fi doar avantaje. Marea provocare, însă, vine de la sursa de energie pentru avioanele electrice. Deocamdată modelele funcţionale construite utilizează baterii pentru a stoca această electricitate, gestionate atent prin sisteme de management, care trebuie să aibă grijă de o mulţime de situaţii, care să asigure funcţionarea optimă. Iar bateriile sunt grele, foarte grele. Eviation Alice, de exemplu, pentru a asigura autonomie de 440 mile nautice, sau 815 km, are 3,460 kg de baterii la bord! Pentru că bateriile consumă atât de mult din sarcina utilă, au rămas doar 1,125 kg disponibile care pot fi luate la bord sub forma a 9 pasageri şi bagaje mici.

Iar aici vine un specific foarte diferit al avioanelor electrice. La cele cu propulsie tradiţionale, greutatea maximă de decolare e întotdeauna mai mare decât cea de aterizare, pentru că decolarea are loc la viteză mai mare, iar până la aterizare avionul arde o pate de combustibil şi devine mai uşor. Avioanele electrice consumă electricitatea din baterii, însă greutatea acestora rămâne neschimbată. Şi în aer ele nu pot scăpa de greutate. Prin urmare, la modul practic greutatea de decolare e egală cu cea de aterizare.

O altă problemă vine de la faptul că la altitudinea de croazieră temperatura aerului e de circa -40, -50 grade Celsius, iar uneori şi mai puţin. Iar la temperaturi joase bateriile litiu-ion devin mult mai puţin performante, ceea ce impune un sistem de management termic, care să le menţină la temperatura optimă de funcţionare. Iar funcţionarea acestui sistem devine practic la fel de vitală ca însăşi funcţionarea propulsiei. Iar asta consumă energie, pe lângă energia consumată de motoare.

Degradarea bateriilor în timp e o altă provocare imensă. Dacă la o maşină electrică ele degradează cu 10-12% într-un an, atunci la un avion asta înseamnă că peste un an acelaşi avion poată să nu mai fie capabil să execute aceeaşi rută. Pentru că în aviaţie există cerinţe stricte faţă de autonomie, siguranţa zborului presupunând că avionul, la destinaţie, trebuie să aibă suficientă autonomie rămas pentru a se putea redirecţiona către cel mai apropiat aeroport şi a se învârti de câteva ori în aer înainte de aterizare, dacă e nevoie.

Testele Eviation au arătat că bateriile puse acum pe avionul lor electric rezistă 3,000 ore pe zbor, după care vor trebui înlocuite din motive de siguranţă şi vor costa, la estimările actuale, cam 250,000 dolari setul. Deci avantajul economiei de combustibil se subţiază. Însă e la fel de adevărat că acesta e jumătate din costul reparaţiei majore a unui motor convenţional. Până la producţia de serie a avioanelor electrice mai mari, însă, aceste costuri se pot schimba, însă durata de viaţă, cu tehnologiile actuale ale bateriilor, va evolua mai greu.

Şi, în fine, timpul lung de încărcare la sol e o altă provocare. Eviation estimează că va încărca avioanele sale cu camioane specializate, asemenea celor cu cisterne, care vor veni şi se vor conecta la avion. Nu se specifică prin ce metodă acestea vor genera electricitate, sperăm că va fi una verde, dar Eviation estimează că fiecare oră de zbor va necesita cam 30 minute de încărcare la sol a bateriilor.

Aşadar, deocamdată primele avioane electrice sunt mici şi destinate unor zboruri mai scurte, de până la vreo 500-600 km realist vorbind. Dar aşa a fost şi cu maşinile electrice, la început ele fiind doar de oraş. Cert e că ne aflăm în momente cruciale ale istoriei, când există încă multe provocări de rezolvat ca lucrurile să funcţioneze cu adevărat şi anume asemenea provocări stimulează de obicei cel mai mare progres ingineresc. Deşi deocamdată pare improbabil şi îndepărtat, s-ar putea la fel de bine ca peste un deceniu să ajungem să călătorim cu avioane electrice cel puţin pe rute mai scurte, precum Chişinău-Bucureşti, de exemplu.