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Una nuova potente batteria potrebbe darci aerei elettrici che non inquinino
Un trucco di fabbricazione con campi magnetici produce una batteria che potrebbe scaricarsi abbastanza velocemente da far decollare un aereo. 30 ottobre 2018
Simone Simard
Modelli molecolari dai colori vivaci allineano due pareti dell'ufficio di Yet-Ming Chiang al MIT. Chiang, professore di scienze dei materiali e imprenditore seriale di batterie, ha trascorso gran parte della sua carriera a studiare come disposizioni leggermente diverse di quei bastoncini e sfere si sommano a risultati radicalmente diversi nell'accumulo di energia.
Ma lui e il suo collega, Venkat Viswanathan , stanno adottando un approccio diverso per raggiungere il loro prossimo obiettivo, alterando non la composizione delle batterie ma l'allineamento dei composti al loro interno. Applicando forze magnetiche per raddrizzare il percorso tortuoso che gli ioni di litio attraversano attraverso gli elettrodi, gli scienziati ritengono che potrebbero aumentare significativamente la velocità con cui il dispositivo scarica l'elettricità.
Quel colpo di potenza potrebbe aprire un uso che è sfuggito a lungo alle batterie: soddisfare le enormi esigenze di un aereo passeggeri al decollo. Se funziona come sperato, consentirebbe voli di pendolari regionali che non consumano carburante o producono emissioni climatiche dirette.
Viswanathan, un assistente professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon, ha avviato e guida il progetto di ricerca. Lui e Chiang stanno ora collaborando con 24M, il produttore di batterie agli ioni di litio che Chiang ha cofondato nel 2010, e Zunum Aero, una startup di aeromobili con sede a Bothell, Washington, per sviluppare e testare prototipi di batterie specificamente progettate per le esigenze di un aereo ibrido avanzato.
Venkat Viswanathan, assistente professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon. Per gentile concessione della Carnegie Mellon University
Puntata alta
L'eliminazione delle emissioni di gas serra degli aeroplani è una delle sfide più difficili del puzzle climatico. I viaggi aerei rappresentano circa il 2% delle emissioni globali di anidride carbonica ed è una delle fonti di inquinamento da gas serra in più rapida crescita.
Ma oggi non ci sono alternative pulite per più di un minuscolo frammento di viaggio aereo, perché le batterie che alimentano le auto elettriche sono ancora troppo costose, pesanti e altrimenti poco adatte all'aviazione.
Più di una dozzina di compagnie, tra cui Uber, Airbus e Boeing, stanno già esplorando il potenziale per elettrificare piccoli aerei, creando l'equivalente di taxi volanti che possono coprire circa 161 chilometri a pagamento. La speranza è che questi veicoli a uno o due passeggeri, nella maggior parte dei casi concepiti come velivoli autonomi a decollo e atterraggio verticale, possano ridurre i pendolari, alleviare la congestione e ridurre le emissioni dei veicoli. Ma questi sostituirebbero in gran parte i viaggi in auto per i ricchi, non sostituirebbero i viaggi aerei.
Viswanathan e Chiang puntano più in alto. Il piano iniziale è sviluppare una batteria che possa alimentare un aereo da 12 persone con 400 miglia (644 chilometri) di autonomia, abbastanza per fare viaggi, diciamo, da San Francisco a Los Angeles, o da New York a Washington. In una seconda fase, sperano di realizzare un aereo elettrico in grado di trasportare 50 persone alla stessa distanza.
Tali aerei sarebbero comunque dotati di un motore a combustione e trasporterebbero carburante. Ma il carburante sarebbe in gran parte a bordo per soddisfare i requisiti di riserva per la sicurezza della Federal Aviation Administration degli Stati Uniti, che istruiscono gli aerei a trasportare abbastanza per atterrare in un aeroporto a 200 miglia (322 chilometri) dalla destinazione prevista. In un volo normale, gli aerei non dovrebbero attingere a quel carburante.
Simone Simard
Aviotrasportato
L'attrattiva del progetto per una startup come Zunum è evidente: meglio le batterie riescono a soddisfare le esigenze degli aerei, più grande è il mercato a cui gli aerei ibridi o elettrici possono potenzialmente rivolgersi.
L'anno scorso, l'azienda annunciato prevede di fornire una linea di aerei da ibridi a elettrici con spazio per 12 passeggeri nel 2022.
Al momento del lancio, la società intende offrire un aereo ibrido con una turbina a gas e due pacchi batteria in grado di volare per circa 700 miglia (1.127 chilometri), nonché una versione completamente elettrica con tre pacchi batteria e un'autonomia inferiore a 200 miglia . (A differenza degli aerei che Viswanathan e Chiang hanno in mente, il modello ibrido attirerebbe molto dal carburante di bordo.) Ma soprattutto, l'aereo stesso dovrebbe presentare un'architettura aperta che consenta ai proprietari di sostituire questi moduli nel tempo, consentendo per passare a batterie migliori sviluppate in futuro o passare dal funzionamento ibrido a quello completamente elettrico.
Zunum si è assicurata capitali da Boeing, JetBlue e dal Clean Energy Fund dello Stato di Washington. JetSuite, una compagnia di voli charter con sede a Dallas, ha accettato di acquistare fino a 100 aerei. Anche altre startup, tra cui Eviation Aircraft e Wright Electric, stanno lavorando allo sviluppo di piccoli aerei elettrici per voli di lunghezza per pendolari.
Questa clip mostra cosa succede quando le forze magnetiche vengono applicate a microbarre magnetiche mescolate con materiali per elettrodi. Per gentile concessione del ricercatore del MIT Jonathan Sander
Gli aerei sono usati raramente per i viaggi regionali, rappresentando meno dell'1% dei viaggi sotto le 500 miglia, secondo il US Bureau of Transportation Statistics . Le compagnie aeree hanno evitato voli più brevi soprattutto perché la maggior parte del carburante viene bruciato durante il decollo, il che significa che le rotte più lunghe sono molto più economiche. E dati i costi elevati e le seccature del volo, i consumatori optano in gran parte per auto, treni o autobus invece per questa gamma di viaggi.
L'amministratore delegato di Zunum Ashish Kumar, in precedenza un dirigente di Microsoft e Google, ritiene che gli aerei ibridi potrebbero cambiare queste abitudini, in gran parte tagliando il costo del carburante e, di conseguenza, le tariffe. Nella maggior parte del mondo potresti raddoppiare le tue miglia aeree domestiche mentre le persone escono dall'autostrada e salgono su aerei più veloci, dice.
Simone Simard
Con il miglioramento delle batterie, anche gli aerei ibridi ed elettrici possono tagliare una quota molto maggiore del trasporto aereo. Entro il 2035, prevede Kumar, gli aerei ibridi saranno in grado di raggiungere distanze fino a 1.500 miglia (2.414 chilometri), a quel punto il viaggio aereo rappresenta 82% di viaggi, secondo il BTS.
Una batteria golosa
Durante un incontro nell'ufficio di Chiang all'inizio di settembre, Viswanathan ha sottolineato le sfide dell'elettrificazione dell'aviazione tirando su un grafico che mostra il profilo di scarica di un pacco batteria lungo una traiettoria di volo. È una parete alpina nei primi minuti di volo. Quindi scende drammaticamente su un lungo altopiano piatto mentre l'aereo raggiunge l'altitudine di crociera.
In altre parole, una batteria deve essere in grado di fornire un'enorme quantità di potenza al decollo e avere una densità di energia sufficiente per navigare per almeno centinaia di miglia. Ma per funzionare entro i confini della fisica e dell'economia degli aerei, deve anche essere il più duraturo e leggero possibile e in grado di ricaricarsi rapidamente o almeno, come prevede Zunum, in grado di essere facilmente sostituito con una batteria completamente carica tra i voli.
Viswanathan osserva che un pacco batteria standard in stile Tesla può controllare le prime due caselle. Ma il decollo sarebbe come guidare una Model S in modalità ridicola per quattro minuti invece di pochi secondi, generando un'enorme quantità di calore.
Friggeresti la batteria, dice.
Ciò ridurrebbe radicalmente la durata di batterie molto costose.
Questa clip mostra cosa succede quando le forze magnetiche vengono applicate a goccioline magnetiche mescolate con materiali per elettrodi. Per gentile concessione del ricercatore del MIT Jonathan Sander
Far scaricare le batterie agli ioni di litio a una velocità sufficientemente veloce per gli aerei richiede che gli ioni e gli elettroni fluiscano più facilmente attraverso la batteria, in particolare gli elettrodi. Un'opzione è rendere i materiali degli elettrodi più porosi o più sottili, ma una di queste modifiche avrebbe un costo elevato per la densità di energia.
Quindi, invece, i ricercatori stanno esplorando modi per raddrizzare i percorsi tortuosi attraverso carbonio, composti di cobalto e altri materiali strettamente imballati negli elettrodi.
Come in molte illusioni magiche, il trucco si basa sui magneti.
In un 2016 carta in Energia della natura , Chiang, il ricercatore del MIT Jonathan Sander e colleghi hanno dimostrato che la miscelazione di nanoparticelle magnetiche nei materiali degli elettrodi e l'applicazione di un campo magnetico leggero ha contribuito a creare percorsi allineati attraverso gli elettrodi.
Test successivi hanno rilevato che la capacità di scarica di questi elettrodi, o la velocità con cui gli elettroni possono viaggiare fuori dalla batteria, era più del doppio di quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio, senza sacrificare la densità di energia.
Si sta aprendo una direzione completamente nuova in ciò che possiamo ottenere dalle batterie per l'aviazione elettrica, ha detto Chiang.
I ricercatori stanno ora lavorando con 24M a Cambridge, nel Massachusetts, dove Chiang è anche capo scienziato, per sviluppare e testare prototipi di batterie utilizzando questo approccio magnetico. Se tutto va bene, Zunum lavorerà quindi con i ricercatori per valutare i prototipi in quelli che sono noti come test di uccelli in rame, in cui tutti i sistemi elettrici dell'aereo vengono valutati a terra. Alla fine, potrebbero essere testati anche su voli reali.
Simone Simard
Solo l'inizio
Fino a quando le batterie non saranno effettivamente create e valutate, resta da vedere quanto bene questo approccio funzionerà davvero. E anche nel migliore dei casi, il campo è probabilmente ancora lontano decenni dall'elettrizzare più di una frazione delle miglia aeree totali.
Richard Anderson, ingegnere aerospaziale e direttore dell'Eagle Flight Research Center della Embry-Riddle Aeronautical University, sottolinea che le batterie sono almeno 20 volte più pesanti del carburante per una determinata quantità di energia prodotta. È scettico sul fatto che le compagnie che perseguono voli ibridi per pendolari, come Zunum, possano trovare modi sufficienti per compensare quel peso aggiunto nei prossimi anni. Ritiene anche che il campo stia sopravvalutando la velocità con cui gli aerei ibridi saranno in grado di raggiungere distanze maggiori, sottovalutando al contempo le sfide normative che dovranno affrontare.
Gli stessi ricercatori del MIT e della Carnegie si affrettano a dire che saranno ancora necessari altri grandi miglioramenti della batteria per estendere la portata degli aerei elettrici, il che potrebbe richiedere il passaggio a sostanze chimiche completamente diverse. Inoltre, gli aerei dovranno probabilmente essere fondamentalmente riprogettati per ridurre la richiesta di energia, potenzialmente ridistribuendo i motori o modificando la forma del corpo per ridurre la resistenza, afferma Viswanathan.
Ma lui e Chiang stanno lavorando per sviluppare una capacità tecnica che sarebbe richiesta indipendentemente da qualsiasi altro progresso. Anche se altri ingegneri delle batterie trovano il modo di far volare gli aerei elettrici per mille miglia, avranno comunque bisogno di energia sufficiente per decollare.
Questo articolo è stato aggiornato per chiarire i ruoli dei ricercatori.