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Eine leistungsstarke neue Batterie könnte uns Elektroflugzeuge bescheren, die die Umwelt nicht verschmutzen
Ein Herstellungstrick mit Magnetfeldern erzeugt eine Batterie, die sich schnell genug entladen kann, um ein Flugzeug vom Boden abzuheben. 30. Oktober 2018
Simon Simard
Molekulare Modelle in leuchtenden Farben zieren zwei Wände von Yet-Ming Chiangs Büro am MIT. Chiang, Professor für Materialwissenschaften und mehrfacher Batterieunternehmer, hat einen Großteil seiner Karriere damit verbracht, zu untersuchen, wie leicht unterschiedliche Anordnungen dieser Stäbchen und Kugeln zu radikal unterschiedlichen Ergebnissen bei der Energiespeicherung führen.
Aber er und sein Kollege Venkat Viswanathan , verfolgen einen anderen Ansatz, um ihr nächstes Ziel zu erreichen, indem sie nicht die Zusammensetzung der Batterien, sondern die Ausrichtung der darin enthaltenen Verbindungen verändern. Durch die Anwendung magnetischer Kräfte, um den gewundenen Weg zu begradigen, den Lithiumionen durch die Elektroden navigieren, glauben die Wissenschaftler, dass sie die Rate, mit der das Gerät Elektrizität entlädt, erheblich steigern könnten.
Dieser Energieschub könnte eine Verwendung eröffnen, die Batterien lange Zeit entgangen ist: die Bewältigung der enormen Anforderungen eines Passagierflugzeugs beim Start. Wenn es wie erhofft funktioniert, würde es regionale Pendlerflüge ermöglichen, die weder Treibstoff verbrennen noch direkte Klimaemissionen verursachen.
Viswanathan, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon, initiierte und leitet das Forschungsprojekt. Er und Chiang arbeiten nun mit 24M, dem 2010 von Chiang mitbegründeten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien, und Zunum Aero, einem Flugzeug-Startup mit Sitz in Bothell, Washington, zusammen, um Prototypen von Batterien zu entwickeln und zu testen, die speziell für die Anforderungen eines fortschrittlichen Hybridflugzeugs entwickelt wurden.
Venkat Viswanathan, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon. Mit freundlicher Genehmigung der Carnegie Mellon University
Hohe Einsätze
Die Beseitigung der Treibhausgasemissionen von Flugzeugen ist eine der schwierigsten Herausforderungen im Klimapuzzle. Flugreisen sind für rund 2 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen verantwortlich und eine der am schnellsten wachsenden Quellen der Treibhausgasbelastung.
Doch für mehr als ein winziges Stückchen Flugreisen gibt es heute keine sauberen Alternativen, denn die Batterien für Elektroautos sind noch zu teuer, schwer und ansonsten für die Luftfahrt schlecht geeignet.
Mehr als ein Dutzend Unternehmen, darunter Uber, Airbus und Boeing, untersuchen bereits das Potenzial zur Elektrifizierung kleiner Flugzeuge und schaffen das Äquivalent zu fliegenden Taxis, die mit einer Ladung rund 100 Meilen (161 Kilometer) zurücklegen können. Die Hoffnung ist, dass diese Ein- oder Zwei-Personen-Fahrzeuge – in den meisten Fällen als autonome vertikal startende und landende Flugzeuge gedacht – Pendelwege verkürzen, Staus entlasten und Fahrzeugemissionen reduzieren könnten. Aber diese würden Autofahrten für Reiche weitgehend ersetzen, Flugreisen nicht verdrängen.
Viswanathan und Chiang streben nach Höherem. Der ursprüngliche Plan sieht vor, eine Batterie zu entwickeln, die ein 12-Personen-Flugzeug mit einer Reichweite von 400 Meilen (644 Kilometer) antreiben könnte – genug, um beispielsweise von San Francisco nach Los Angeles oder von New York nach Washington zu fliegen. In einer zweiten Phase hoffen sie, ein elektrisches Flugzeug zu ermöglichen, das 50 Personen die gleiche Entfernung befördern kann.
Solche Flugzeuge wären immer noch mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet und würden Treibstoff mitführen. Aber der Treibstoff wäre größtenteils an Bord, um die Reserveanforderung der US-Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration zu erfüllen, die Flugzeuge anweist, genug zu tragen, um auf einem Flughafen 200 Meilen (322 Kilometer) vom beabsichtigten Ziel entfernt zu landen. Bei einem normalen Flug sollten die Flugzeuge diesen Treibstoff nicht anzapfen müssen.
Simon Simard
In der Luft
Die Attraktivität des Projekts für ein Startup wie Zunum liegt auf der Hand: Je besser die Batterien die Anforderungen von Flugzeugen erfüllen, desto größer ist der potenzielle Markt für Hybrid- oder Elektroflugzeuge.
Im vergangenen Jahr das Unternehmen angekündigt plant, im Jahr 2022 eine Reihe von Hybrid-zu-Elektroflugzeugen mit Platz für 12 Passagiere auszuliefern.
Zum Start will das Unternehmen ein Hybridflugzeug mit einer Gasturbine und zwei Batteriepaketen anbieten, das rund 700 Meilen (1.127 Kilometer) fliegen kann, sowie eine vollelektrische Version mit drei Batteriepaketen und einer Reichweite von weniger als 200 Meilen . (Im Gegensatz zu den Flugzeugen, die Viswanathan und Chiang im Sinn haben, würde das Hybridmodell stark auf den Bordtreibstoff zurückgreifen.) Aber entscheidend ist, dass das Flugzeug selbst eine offene Architektur aufweisen soll, die es den Besitzern ermöglicht, diese Module im Laufe der Zeit auszutauschen, was es ermöglicht sie auf bessere, in der Zukunft entwickelte Batterien aufzurüsten oder vom Hybrid- auf den vollelektrischen Betrieb umzustellen.
Zunum hat sich Kapital von Boeing, JetBlue und dem Clean Energy Fund des Staates Washington gesichert. JetSuite, ein in Dallas ansässiges Charterflugunternehmen, hat sich bereit erklärt, bis zu 100 der Flugzeuge zu kaufen. Andere Startups, darunter Eviation Aircraft und Wright Electric, arbeiten ebenfalls an der Entwicklung kleiner Elektroflugzeuge für Pendlerflüge.
Dieser Clip zeigt, was passiert, wenn magnetische Kräfte auf magnetische Mikrostäbe ausgeübt werden, die mit Elektrodenmaterialien vermischt sind. Mit freundlicher Genehmigung des MIT-Forschers Jonathan Sander
Flugzeuge werden selten für regionale Reisen eingesetzt und machen weniger als 1% der Reisen unter 500 Meilen aus, so die Statistik des US Bureau of Transportation . Fluggesellschaften haben vor kürzeren Flügen vor allem deshalb zurückgeschreckt, weil der meiste Treibstoff beim Start verbrannt wird, was bedeutet, dass längere Strecken viel wirtschaftlicher sind. Und angesichts der hohen Kosten und Mühen des Fliegens entscheiden sich die Verbraucher für dieses Reiseangebot überwiegend für Auto, Bahn oder Bus.
Zunum-Geschäftsführer Ashish Kumar, zuvor leitender Angestellter bei Microsoft und Google, glaubt, dass Hybridflugzeuge diese Gewohnheiten ändern könnten – zum großen Teil durch Senkung der Treibstoffkosten und damit auch der Flugpreise. In den meisten Teilen der Welt könnten Sie Ihre Inlandsflugmeilen verdoppeln, wenn die Leute die Autobahn verlassen und in schnellere Flugzeuge steigen, sagt er.
Simon Simard
Mit der Verbesserung der Batterien können auch Hybrid- und Elektroflugzeuge einen viel größeren Anteil am Luftverkehr einnehmen. Bis 2035, so erwartet Kumar, werden Hybridflugzeuge Entfernungen von bis zu 2.414 Kilometern (1.500 Meilen) erreichen können, was dem Luftverkehr entspricht 82% von Reisen, laut BTS.
Eine gierige Batterie
Während eines Treffens in Chiangs Büro Anfang September unterstrich Viswanathan die Herausforderungen der Elektrifizierung der Luftfahrt, indem er ein Diagramm hochzog, das das Entladungsprofil eines Batteriepacks über eine Flugbahn zeigt. Es ist eine Alpenwand in den ersten Flugminuten. Dann fällt es dramatisch auf ein langes, flaches Plateau ab, wenn das Flugzeug die Reiseflughöhe erreicht.
Mit anderen Worten, eine Batterie muss in der Lage sein, beim Start eine enorme Menge an Leistung zu liefern und genügend Energiedichte zu haben, um mindestens Hunderte von Meilen weit zu fliegen. Aber um innerhalb der Grenzen der Flugzeugphysik und -ökonomie zu funktionieren, muss es auch so langlebig und leicht wie möglich sein und sich schnell aufladen lassen – oder zumindest, wie Zunum plant, einfach gegen einen voll geladenen Akku ausgetauscht werden können zwischen Flügen.
Viswanathan weist darauf hin, dass ein Standard-Akku im Tesla-Stil möglicherweise die ersten beiden Kästchen ankreuzt. Aber der Start wäre, als würde man ein Model S vier Minuten lang statt ein paar Sekunden im lächerlichen Modus fahren und dabei eine enorme Menge an Hitze erzeugen.
Sie würden die Batterie braten, sagt er.
Das würde die Lebensdauer sehr teurer Akkupacks radikal verkürzen.
Dieser Clip zeigt, was passiert, wenn magnetische Kräfte auf magnetische Tröpfchen ausgeübt werden, die mit Elektrodenmaterialien vermischt sind. Mit freundlicher Genehmigung des MIT-Forschers Jonathan Sander
Damit sich Lithium-Ionen-Batterien schnell genug für Flugzeuge entladen, müssen Ionen und Elektronen leichter durch die Batterie fließen, insbesondere durch die Elektroden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Elektrodenmaterialien poröser oder dünner zu machen, aber jede dieser Änderungen würde zu hohen Kosten für die Energiedichte führen.
Stattdessen erforschen die Forscher Wege, um die gewundenen Pfade durch dicht gepackten Kohlenstoff, Kobaltverbindungen und andere Materialien in den Elektroden zu begradigen.
Wie bei vielen magischen Illusionen beruht der Trick auf Magneten.
In einem 2016 Papier in Energie der Natur , Chiang, MIT-Forscher Jonathan Sander und Kollegen zeigten, dass das Mischen magnetischer Nanopartikel in die Elektrodenmaterialien und das Anlegen eines leichten Magnetfelds dazu beitrug, ausgerichtete Pfade durch die Elektroden zu schaffen.
Nachfolgende Tests ergaben, dass die Entladekapazität dieser Elektroden oder die Geschwindigkeit, mit der Elektronen aus der Batterie austreten können, mehr als doppelt so hoch war wie bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien – ohne Einbußen bei der Energiedichte.
Es eröffnet eine ganz neue Richtung, was wir aus Batterien für die elektrische Luftfahrt herausholen können, sagte Chiang.
Die Forscher arbeiten jetzt mit 24M in Cambridge, Massachusetts, zusammen, wo Chiang auch als leitender Wissenschaftler tätig ist, um Prototypbatterien mit diesem magnetischen Ansatz zu entwickeln und zu testen. Wenn alles gut geht, wird Zunum dann mit den Forschern zusammenarbeiten, um die Prototypen in sogenannten Kupfervogeltests zu evaluieren, bei denen alle elektrischen Systeme des Flugzeugs am Boden evaluiert werden. Schließlich könnten sie auch in tatsächlichen Flügen getestet werden.
Simon Simard
Nur der Anfang
Bis die Batterien tatsächlich erstellt und evaluiert sind, bleibt abzuwarten, wie gut dieser Ansatz wirklich funktioniert. Und selbst im besten Fall ist das Feld wahrscheinlich noch Jahrzehnte davon entfernt, mehr als einen Bruchteil der gesamten Flugmeilen zu elektrifizieren.
Richard Anderson, ein Luft- und Raumfahrtingenieur und Direktor des Eagle Flight Research Center der Embry-Riddle Aeronautical University, weist darauf hin, dass Batterien bei einer bestimmten Energieabgabe mindestens 20-mal schwerer sind als Treibstoff. Er ist skeptisch, ob Unternehmen wie Zunum, die hybride Pendlerflüge betreiben, in den nächsten Jahren genügend Möglichkeiten finden werden, um dieses zusätzliche Gewicht auszugleichen. Er glaubt auch, dass das Fachgebiet überschätzt, wie schnell Hybridflugzeuge größere Entfernungen erreichen können – während die regulatorischen Herausforderungen, denen sie gegenüberstehen, unterschätzt werden.
Die MIT- und Carnegie-Forscher selbst sagen schnell, dass noch weitere große Batterieverbesserungen erforderlich sein werden, um die Reichweite von Elektroflugzeugen zu erhöhen, was einen Wechsel zu völlig anderen Chemien erforderlich machen könnte. Darüber hinaus müssen Flugzeuge wahrscheinlich grundlegend umgestaltet werden, um den Energiebedarf zu senken, möglicherweise durch eine Umverteilung der Motoren oder eine Änderung der Körperform, um den Luftwiderstand zu verringern, sagt Viswanathan.
Aber er und Chiang arbeiten daran, eine technische Fähigkeit zu entwickeln, die unabhängig von anderen Fortschritten erforderlich wäre. Selbst wenn andere Batterieingenieure Wege finden, Elektroflugzeuge so zu bauen, dass sie tausend Meilen fliegen, brauchen sie immer noch genug Energie, um vom Boden abzuheben.
Dieser Artikel wurde aktualisiert, um die Rollen der Forscher zu verdeutlichen.