O echipă de ingineri din Olanda a gândit genial şi a reproiectat un avion electric de 90 de pasageri, ce ar putea atinge 800-1.000 km autonomie

Acum o săptămână, când publicam un articol despre un nou electromotor 12-fazat pentru avioanele electrice, trecusem în revistă toate elaborările importante din ultimii ani în acest domeniu şi constatasem că în esenţă, avioanele electrice create până acum au fost în cea mai mare parte limitate la mărimi mici şi autonomie de până la 200 km, unele din ele sperând maxim 400 km, şi sarcină utilă foarte mică. Bateriile sunt foarte grele, iar un avion are nevoie de portanţă pentru a rămâne în aer, prin urmare, bateriile nu pot creşte la infinit şi afectează grav parametrii acestuia. În lista acelor elaborări am menţionat şi cel mai mare avion electric anunţat până acum, Elysian E9X, conceput în Olanda, la o capacitate de 90 de pasageri. Noi am scris despre acest avion pentru prima dată în ianuarie 2024, când el fusese prezentat ca un concept general de design, cu dorinţa de a atinge 800 km în autonomie şi de accedere într-o nouă clasă de capacitate şi zboruri regionale, dar încă de atunci inginerii spuneau că proiectul va fi modificat după cercetări profunde. Şi iată că acum, o echipă de ingineri din Olanda — formată atât din cei care muncesc la Elysian, cât şi din cercetători şi ingineri de la Universitatea Tehnică din Delft — au anunţat, după o perioadă de muncă asigură comună, că au reproiectat avionul electric E9X într-un mod în care în multe locuri au gândit genial şi au schimbat total paradigma de gândite.

Foto: Noul avion reproiectat Elysian E9X

Densitatea energetică a bateriilor e elementul cheie ca aviaţia propulsată electric să poată deveni viabilă, ea fiind importantă şi în relaţie cu volumul său, dar ales gravimetric, cu valori exprimate în Wh/kg. Chiar ieri vorbeam despre noile baterii litiu-ion de la CATL, una din care avea 280 Wh/kg la nivel de celulă. Dar exista şi a doua, inspirată din proiectul de aviaţie a celor de la CATL, unde aceştia încearcă ă atingă 500 Wh/kg cu electrolit semisolid, iar transpunerea aceleiaşi tehnologii în lumea maşinilor a adus bateria la 350 Wh/kg.

Chiar şi aşa, un set de baterii pentru 200 km de autonomie a unui avion mic de 30 de pasageri, precum Heart ES-30, cântărea peste 5 tone la 330 Wh/kg densitate. Respectiv, când avionul devine de 3 ori mai încăpător în capacitatea pasagerilor, iar autonomia creşte de 4-5 ori, combinaţia acestor factori ne poate duce într-o zonă în care bateriile ajungă să cântărească atât de mult, încât avionul aproape că nu-şi mai poate luat zborul.

Foto: Avionul Heart ES-30, cu bateriile la baza fuzelajului

Dar echipa de ingineri din Olanda a spulberat toate aceste supoziţii şi a declarat că greutatea mare nu e o problemă atât de gravă precum se crede în aviaţie. „Avioanele mai vechi şi mai ineficiente aveau la bordul lui mult mai mult combustibil, raportat la greutatea lor, şi puteau decola şi zbura, pentru că raportul dintre elevare şi rezistenţă era mai bun.”, spun olandezii Prin urmare, din acest punct, inginerii şi-au asumat că e nevoie să convieţuiască inevitabil cu greutatea mare şi n-au mai încercat s-o privească doar ca o povară, ci s-o folosească în avantajul lor, regândind construcţia. Iar construcţia trebuie gândită exact după principiul maşinilor electrice de succes — acestea trebuind proiectate de la zero, cu platforme proprii, nu doar prin adaptarea platformelor de maşini cu combustie.

Exact asta trebuie făcut şi-n aviaţie, spun inginerii olandezi — e nevoie ca noile avioane electrică să nu fie bazate pe cele cu motoare cu elice convenţionale, găsindu-se doar un loc unde să se stocheze bateriile şi eventual un turbogenerator de rezervă. Dacă se face asta, spune ei, atunci penalitatea de greutate devin mai puţin gravă, iar creşterea în dimensiuni a unui avion electric nu se traduce într-o creştere la fel de directă de consum de energie. Exact această schimbare de paradigmă au aplicat-o inginerii în reproiectarea avionului lor, iar rezultatul e de-a dreptul uimitor.

Foto: Designul iniţial al lui Elysian E9X, înainte de reproiectare, cu gri e indicată silueta comparabilă a lui Airbus A320

Ei aveau nevoie de un raport dintre elevare şi rezistenţă mai bun, numit de obicei L/D (lift-to-drag ratio). Simplu spus, suprafeţele care contribuie la elevare trebuiau să devină cât mai mare, iar cele care contribuie la rezistenţă, să devină cât mai mari, astfel ca acest raport să se îmbunătăţească. Un avion care are suprafeţe mai mari de elevare va fi mai stabil şi va putea avea sarcină utilă mai are. Un avion cu suprafeţe de rezistenţă mai mici va putea plana mai uşor, cu mai puţine pierderi energetice. Iar raportul excelent al acestor parametri îl poate face pe un avion să aibă nevoie de mult mai puţină energie în a-şi susţine propulsia.

Foto: Designul iniţial al lui Elysian E9X_

Asta i-a făcut pe ingineri să proiecteze un avion cu un fuzelaj mai subţire, dar mai lung, aproape atipic de lung în proporţii faţă de un avion cu propulsie obişnuită. În acelaşi timp, aripile au devenit uriaşe în lăţime, având acum o anvergură de tocmai 52 metri, faţă de 42 metri în ideea iniţială. De fapt anvergura e atât de mare, încât avionul nu s-ar încadra în standardele multor aeroporturi pentru această categorie, motiv din care capetele aripilor sunt pliabile, reducând anvergura la 36 metri. Deci, câte 8 metri de aripi din fiecare parte reprezintă un segment pliabil. Toate astea au permis atingerea unui raport L/D de 23, ceea ce excepţional pentru un avion de această talie.

A fost schimbat şi unghiul aripilor, acestea devenind mult mai perpendiculare faţă de fuzelaj, astfel atingându-se creşterea şi mai mare a suprafeţei de elevare. De asemenea, această formă a aripilor şi dimensiunea lor crescută beneficiază şi o altă soluţie de bază aplicată acum — dacă iniţial se estima că o parte din baterii va fi localizată în fuzelaj, iar alta în aripi, noile dimensiuni au permit localizarea integrată a bateriilor în aripi! Şi, spre deosebire de rezervoarele de combustibil care sunt de obicei plasate acolo, inginerii au gândit din nou ca în lumea auto şi au folosit bateriile drept elemente de rigiditate structurală, reducând greutatea necesară structurilor de bază. Astfel, bateriile din aripi vor fi parte din structura de rezistenţă a avionului.

Iar ca bateriile de o capacitate suficientă să încapă acolo, ele trebuie să aibă minim 320 Wh/kg în densitate energetică, preferabil 360 Wh/kg. E aproape exact valoarea anunţată ieri de CATL cu noile lor baterii cu materie condensată, pentru maşini, în timp ce cele pentru avioane, care sunt testate deja de chinezi, au 500 Wh/kg. Olandezii spun că până în 2030 vor exista baterii de minim 360-400 Wh/kg, ceea ce va face acest avion absolut viabil.

Integrarea bateriilor în aripi a permis conferirea unei siluete şi mai aerodinamice fuzelajului, fără obişnuita „burtă” imensă ce adăpostea bateriile la alte modele. De asemenea, odată ce aripile sunt elemente structurale, şasiurile laterale au fost integrate tot în aripi, deci roţile spate ale avionului nu vor mai ieşi din fuzelaj, ci din aripi. Efectiv, la acest avion aripile reprezintă structura de forţă, ambele susţinând şi un fuzelaj pe centru, toată construcţia pornind de la ele.

De asemenea, diametrul elicelor a fost foarte important, şi anume diametrul mic a putut permite plasarea trenului de rulare în aripi. Inginerii şi-au dorit motoare cu elice mici ca să îmbunătăţească acelaşi coeficient, chiar şi cu preţul de a avea mai multe. În varianta iniţială, era estimate 8 motoare, însă acum, datorită evoluţiei motoarelor şi densităţii lor, inginerii au dedus că 6 motoare ar fi varianta optimă.

Încă din start, se analiza versiunea în care bateriile vor fi responsabile de autonomia funcţională a avionului, iar autonomia rezervă, obligatorie în aviaţie, ar fi asigurată de turbogenerator. S-a ajuns la concluzia că e nevoie de două asemenea generatoare, instalate în zona posterioară. Însă ele vor fi pornite doar când avionul e redirecţionat la alt aeroport sau e impus să petreacă mai mult timp în aer.

Datorită formei diferite, reproiectate de la zero, avionul E9X în forma sa reproiectată poate atinge o rezistenţă minimalistă, apropiată de planoare. Iar asta a adus consumul avionului la o cifră de doar 167 Wh/km per pasager. Cifra e aproape incredibil de optimistă, or, maşinile electrice consumă cam 150 Wh per km per pasager, iar trenurile electrice — de la 50 la 150 în cazul celor mai vechi şi ineficiente. Prin urmare, inginerii olandezi, prin gândirea lor cu abordări geniale, aproape că se apropie de eficienţa în consum a unui transport terestru cu noul lor avion electric. Iar această eficienţă se atinge cu condiţia unei viteze de croaziere proiectate la 0,45 Mach, adică de circa 550 km.

Autonomia realistă a fost desemnată la 800 km, aici fiind inclusă doar autonomia funcţională, fără rezerve, pentru că acele rezerve ar fi asigurate de generatoare, după cum menţionam mai sus. Dacă se va ajunge la densitate de 400-500 Wh/kg la baterii în 2030, cu aceeaşi masă a bateriilor şi acelaşi amplasament, s-ar putea atinge 1.000 km autonomie. Şi asta nu mai e doar un deziderat, pe, CATL are deja asemenea baterii şi le testează acum, în anul 2026.

Ei bine, e nevoie să vorbim şi despre cât cântăreşte acest avion de 90 pasageri şi bateriile lui. Masa maximă de decolare la avioanele electrice e egală cu cea de aterizare, pentru că nu există combustibil care să fie ars în zbor. Şi ea e de 82,5 tone aici. Dar şi mai impresionant e că până la 43,8% din această masă totală maximă admisă e reprezentată de baterii, ceea e reprezintă 36,1 tone! După ce luăm în calcul şi celelalte componente proprii ale avionului, doar circa 9 tone mai rămân pentru sarcină utilă, adică vreo 100 kg per pasager, inclusiv bagaje.

Pentru comparaţie, avioanele de 90 de pasageri, precum MD-90 de cândva, aveau masa totală de decolare la 74 tone, în care se include şi construcţia avionului, şi sarcina utilă cu cei 90 de pasageri şi bagaje, şi combustibilul. Dar există şi alte comparaţii — avionul ATR 72-600, spre exemplu, poate lua la bord 72 de pasageri şi are o masă totală de decolare de 23 tone. În acelaşi timp, Embraer 175, cu 77-88 pasageri, în funcţie de configuraţie, are 40,4 tone în masă maximă de decolare. Prin urmare, doar bateriile noului avion electric olandez cântăresc cât mai mult decât un întreg ATR 72 şi aproape cât un Embraer 175 încărcat.

Foto: Avion ATR 72

Sunt baterii uriaşe la mijloc, deci, dar o parte din masa lor e compensată prin reducerea altor elemente structurale, odată ce ele iau acelaşi rol. Dar inginerii olandezi anunţă că primele avioane cu reacţie aveau o masă 40-50% rezervată combustibilului din cauza consumului mare.

Dar aici mai există un neajuns, bineînţeles. Bateriile sunt degradabile în timp, iar în aviaţie nu se poate aştepta până ajung la o stare de sănătate de 70%, cu risc de a eşua. Inginerii spun că în exploatarea de viaţă reală, bateriile vor fi limitate cel mai probabil la 1.300-2.100 cicluri. Iar la 36,1 tone de baterii şi o densitate de 360 Wh/kg, bateriile ar avea cam 13 MWh capacitate, ceea ce înseamnă că înlocuirea lor va fi scumpă, mai ales la cât de specific vor fi integrate structural acestea. E vorba de câteva milioane de dolari per operaţiune. Iar 1.300-2.100 cicluri, la un asemenea avion, care ar trebui să muncească intens, chiar şi cu timpul de încărcare luat în calcul, ar însemna între 1 an şi 2 ani. Deci, vreo 3-4 milioane de dolari pe un set nou de baterii la fiecare 1-2 ani nu e deloc puţin. Tradus per zbor, asta ar însemna între 1.370 şi până spre 3.000 dolari şi mai mult. Doar deprecierea bateriei ar avea un cost de 15-40 dolari per pasager transportat. Iar acest cost nu înlocuieşte total combustibilul aviatic, pentru că avionul va încărca electricitate, facturată separat. Şi inginerii olandezi recunosc că, deocamdată, limitarea ciclurilor bateriilor, posibile în aviaţie, reprezintă deocamdată una din piedicile cele mai importante.

Totuşi, ceea ce vedem aici e probabil cel mai profund calculat şi proiectat proiect de avion electric mare, care să iasă din strâmtoarea dimensiunilor şi autonomiilor mici. Pentru prima dată, cineva a proiectat profund un avion electric mare regional, care ar acoperi cam jumătate din zborurile existente în lume. Iar dacă între timp chinezii evoluează la fel de rapid cu performanţele bateriilor, prin 2030-2035 am putea să vedem aceste avioane deja în aeroporturi, operând şi făcând parte din normalitatea aviaţiei.