Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) oznámili pokroky ve vývoji elektrického motoru, který by mohl znamenat důležitý krok v oblasti bezemisní letecké dopravy. Technologické ukázky prý naznačují, že hlavní součásti stroje dosahují požadovaného výkonu.
Obrovská uhlíková stopa letectví by se díky elektrifikaci mohla výrazně snížit. Doposud se podařilo uvést do provozu pouze malá plně elektrická letadla, jejichž elektromotory generují stovky kilowattů energie. Pro elektrifikaci větších a těžších letadel, jako jsou komerční dopravní letadla, jsou zapotřebí megawattové motory. Ty by mohly být poháněny hybridními nebo turboelektrickými pohonnými systémy, kde je elektrický stroj spojen s leteckým motorem s plynovou turbínou.
Pokrok vědců z MIT
Tým inženýrů z MIT nyní vyvíjí motor o výkonu 1 megawatt, který by mohl být klíčovým krokem k elektrifikaci větších letadel. Odborníci navrhli a otestovali hlavní součásti motoru a na základě podrobných výpočtů prokázali, že propojené součásti mohou pracovat jako celek a generovat jeden megawatt výkonu při hmotnosti a rozměrech, které jsou srovnatelné se současnými malými leteckými motory.
Pro plně elektrické aplikace by mohl být motor spojen se zdrojem elektrické energie, jako je baterie nebo palivový článek. Motor by pak přeměňoval elektrickou energii na mechanickou, která by poháněla vrtule letadla. Elektrický stroj by mohl být také spárován s tradičním proudovým motorem a fungovat jako hybridní pohonný systém, který by v určitých fázích letu nabízel možnost elektrického pohonu.
„Bez ohledu na to, co použijeme jako nosič energie – baterie, vodík, čpavek nebo udržitelné letecké palivo – nezávisle na tom všem budou motory megawattové třídy klíčovým faktorem pro ekologizaci letectví,“ říká vedoucí projektu a profesor letectví na MIT Zoltan Spakovszky.
Spakovszky a členové jeho týmu spolu se spolupracovníky z průmyslu představí svou práci na zvláštním zasedání Amerického institutu pro letectví a kosmonautiku – Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS) v rámci červnové konference.
Je to důležité kvůli klimatickým změnám
Aby se zabránilo nejhorším dopadům změny klimatu způsobené člověkem, stanovili vědci, že celosvětové emise oxidu uhličitého musí být do roku 2050 nulové. Spakovszky říká, že splnění tohoto cíle v letectví bude vyžadovat „zásadní změny“ v konstrukci nekonvenčních letadel, inteligentních a flexibilních palivových systémů, pokročilých materiálů a bezpečného a účinného elektrifikovaného pohonu.
„Neexistuje žádná stříbrná kulka, která by to dokázala, a ďábel se skrývá v detailech,“ říká Spakovszky. „Jde o náročné inženýrství, pokud jde o optimalizaci jednotlivých komponent a jejich vzájemnou kompatibilitu při maximalizaci celkového výkonu. To znamená, že musíme posunout hranice v oblasti materiálů, výroby, tepelného managementu, struktur, dynamiky rotoru a výkonové elektroniky.“
Obecně řečeno: elektromotor využívá k pohybu elektromagnetickou sílu. Elektromotory, například ty, které pohánějí ventilátor v notebooku, využívají elektrickou energii – z baterie nebo zdroje – k vytvoření magnetického pole, obvykle prostřednictvím měděných cívek. V reakci na to se magnet, umístěný v blízkosti cívek, roztočí ve směru generovaného pole a může pak pohánět ventilátor nebo vrtuli.
Efektivní elektrický motor
Elektrické stroje existují již více než 150 let a platí, že čím větší je spotřebič nebo vozidlo, tím větší jsou jeho měděné cívky a magnetický rotor, čímž se zvyšuje hmotnost stroje. Čím větší výkon elektrický stroj podává, tím více tepla produkuje, což vyžaduje další prvky k chlazení součástí. To vše zabírá místo a značně zvyšuje hmotnost systému, a právě to je jeden z největších kamenů úrazu v případě elektrických letadel.
Elektromotor a výkonová elektronika MIT jsou v navrženém provedení velké asi jako odbavený kufr a váží méně než dospělý cestující. Hlavními součástmi motoru jsou:
- vysokorychlostní rotor, obložený soustavou magnetů s různou orientací polarity;
- kompaktní stator s nízkými ztrátami, který se vejde dovnitř rotoru a obsahuje složitou soustavu měděných vinutí;
- pokročilý výměník tepla, který udržuje komponenty chladné a zároveň přenáší točivý moment stroje;
- a distribuovaný systém výkonové elektroniky vyrobený na zakázku, složený ze 30 desek s obvody, které přesně mění proudy procházející každým z měděných vinutí statoru, a to při vysoké frekvenci.
Malý, ale šikovný
„Věřím, že se jedná o první skutečně optimalizovaný integrovaný návrh,“ říká Spakovszky. „Což znamená, že jsme provedli velmi rozsáhlý výzkum konstrukčního prostoru, kdy byly komplexně posouzeny všechny aspekty od tepelného managementu přes dynamiku rotoru až po výkonovou elektroniku a architekturu elektrického stroje, abychom zjistili, jaká je nejlepší možná kombinace pro dosažení požadovaného měrného výkonu při výkonu jednoho megawattu.“
Jako celý systém je motor navržen tak, že desky s distribuovanými obvody jsou těsně spojeny s elektrickým strojem, aby se minimalizovaly ztráty při přenosu a umožnilo se účinné chlazení vzduchem prostřednictvím integrovaného výměníku tepla.
„Jedná se o vysokorychlostní stroj, a aby se mohl otáčet a zároveň vytvářet točivý moment, musí se magnetická pole pohybovat velmi rychle, což dokážeme zajistit pomocí našich desek s obvody přepínanými na vysoké frekvenci,“ objasňuje Spakovszky.
Na podzim ho zkonstruují
Aby vědci zmírnili rizika, sestrojili a otestovali každou z hlavních součástí zvlášť a prokázali, že mohou pracovat podle návrhu i za podmínek přesahujících běžné provozní nároky. Sestavení prvního plně funkčního elektromotoru a zahájení jeho testování plánují na podzim.
Jakmile se vědcům z MIT podaří předvést elektromotor jako celek, mohl by prý pohánět regionální letadla a mohl by se stát doplňkem konvenčních proudových motorů, což by otevřelo cestu k hybridním elektrickým pohonným systémům. Tým si také představuje, že by více motorů o výkonu jednoho megawattu mohlo pohánět větší počet vrtulí rozmístěných podél křídla v budoucích konfiguracích letadel.
„Myslím, že jsme na dobré cestě,“ říká Spakovszky. „Nejsme vzděláním elektroinženýři, ale řešení velké výzvy v oblasti klimatu do roku 2050 je nesmírně důležité.“ Spolupráce s elektrotechnickými fakultami, zaměstnanci a studenty pro tento cíl může čerpat z šíře technologií Massachusettského technologického institutu. „Proto se opakovaně objevujeme v nových oblastech. A MIT vám k tomu dává příležitost.“