Ένας από τους κύριους στόχους των διαστημικών γραφείων και της εμπορικής αεροδιαστημικής αυτές τις μέρες είναι η μείωση του σχετικού κόστους της εξερεύνησης του διαστήματος. Αλλά δεν είναι μόνο το κόστος αποστολής ωφέλιμων φορτίων στο διάστημα (και η ρύπανση που προκαλεί) που αφορά υπηρεσίες όπως η NASA.
Υπάρχει επίσης το κόστος (οικονομικό αλλά και περιβαλλοντικό) που σχετίζεται με την αεροπορία. Το αεριωθούμενο καύσιμο δεν είναι ούτε φθηνό, και τα εμπορικά αεροπορικά ταξίδια αντιπροσωπεύουν το 4 έως 9% των ανθρωπογενών αερίων του θερμοκηπίου (και αυξάνεται). Για το λόγο αυτό, η NASA συνεργάστηκε με την εμπορική βιομηχανία για την ανάπτυξη ηλεκτρικών αεροσκαφών, τα οποία ελπίζουν ότι θα προσφέρουν μια εναλλακτική λύση για τα εμπορικά αεριωθούμενα αεροπλάνα έως το 2035.
Αυτό αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόκληση, καθώς πολλά από τα εξαρτήματα που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός λειτουργικού ηλεκτρικού αεροσκάφους είναι αρκετά μεγάλα και βαριά. Συγκεκριμένα, το Advanced Air Vehicles Programme (AAVP) της NASA αναζητά ελαφρούς και συμπαγείς μετατροπείς - ένα κεντρικό στοιχείο ενός ηλεκτρικού συστήματος που παρέχει ισχύ για την οδήγηση του ηλεκτρικού κινητήρα.
Οι μετατροπείς είναι κρίσιμοι για τα ηλεκτρονικά συστήματα πρόωσης δεδομένου ότι μετατρέπουν εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) - που παράγεται από γεννήτριες που είναι τοποθετημένες στον κινητήρα και τους ηλεκτρικούς κινητήρες που κινούνται από έλικες - στην ισχύ υψηλής τάσης (DC) Δυστυχώς, τα εξαρτήματα που απαιτούνται για την παραγωγή αυτού του ποσού ισχύος - γεννήτριες, ηλεκτρονικά μετατροπής ισχύος, κινητήρες κ.λπ. - ιστορικά ήταν πολύ μεγάλα και βαριά για να χωρέσουν σε ένα αεροσκάφος.
Αυτό δημιουργεί κάτι αίνιγμα, καθώς η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη δημιουργία της απαραίτητης ανύψωσης θα απαιτούσε ακόμη βαρύτερα ηλεκτρονικά. Ως εκ τούτου, γιατί η NASA ερευνά την αιχμή της επιστήμης των υλικών για τη δημιουργία ελαφρύτερων και μικρότερων ηλεκτρονικών. Προς το σκοπό αυτό, υπέγραψαν πρόσφατα σύμβαση 12 εκατομμυρίων δολαρίων με τη General Electric (GE), έναν από τους κορυφαίους παγκοσμίως στην ανάπτυξη τεχνολογίας αιχμής καρβιδίου του πυριτίου (SiC).
Αυτό το ημιαγωγό ορυκτό χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτρονικών υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής τάσης και η GE ελπίζει να το χρησιμοποιήσει για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις μεγέθους, ισχύος και απόδοσης που καθορίζονται από τη NASA. Αυτές οι προδιαγραφές απαιτούν έναν μετατροπέα που δεν είναι μεγαλύτερος από μια βαλίτσα και μπορεί να παράγει megawatt (MWs) ηλεκτρικής ενέργειας.
Όπως εξήγησε ο Jim Heidmann, διευθυντής του Advanced Air Transport Technology Project της NASA σε δελτίο τύπου της NASA:
«Βρισκόμαστε σε μια κρίσιμη στιγμή στην ιστορία της αεροπορίας, επειδή έχουμε την ευκαιρία να αναπτύξουμε συστήματα που θα μειώσουν το κόστος, την κατανάλωση ενέργειας και τον θόρυβο, ανοίγοντας νέες αγορές και ευκαιρίες για αμερικανικές εταιρείες. Είναι επιτακτική ανάγκη να συνεργαστούμε με τη βιομηχανία και τον ακαδημαϊκό χώρο για να διασφαλίσουμε ότι είναι διαθέσιμες οι σωστές τεχνολογίες για την κάλυψη των απαιτήσεων των μελλοντικών επιβατών και μεταφορέων. "
Με απλά λόγια, ένα μεγαβάτ είναι τεράστια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και η διαχείριση αυτού του είδους ενέργειας με ασφάλεια είναι μια μεγάλη πρόκληση. Για παράδειγμα, της NASA
Αλλά χάρη στα βήματα που έγιναν στον τομέα της ηλεκτρονικής και της τεχνολογίας υβριδικών κινητήρων τα τελευταία χρόνια, αυτές οι απαιτήσεις θα μπορούσαν να είναι εφικτές. Είπε η Amy Jankovsky, διευθυντής του υποπρογράμματος Hybrid Gas-Electric Propulsion στο ερευνητικό κέντρο Glenn της NASA:
«Με τις πρόσφατες εξελίξεις στα υλικά και στα ηλεκτρονικά ισχύος, αρχίζουμε να ξεπερνάμε τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε στην ανάπτυξη εννοιών ηλεκτροδότησης με μείωση της ενέργειας και αυτή η εργασία μετατροπέα είναι ένα κρίσιμο βήμα στις προσπάθειές μας για ηλεκτροκίνηση αεροσκαφών. Η συνεργασία μας με τη GE είναι το κλειδί για την προώθηση εξαρτημάτων βάρους πτήσης και έτοιμων για πτήση στην κατηγορία megawatt για μελλοντικά αεροσκάφη μεταφοράς. "
Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρο για αεροπορικές εφαρμογές υψηλής ισχύος λόγω των υλικών ιδιοτήτων του. Προσφέρει υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, υψηλή τάση και υψηλή ικανότητα χειρισμού ισχύος. Αυτά τα πλεονεκτήματα θα επιτρέψουν στους μηχανικούς να σχεδιάσουν εξαρτήματα που είναι μικρότερου μεγέθους και ελαφρύτερα, ενώ παράλληλα αυξάνουν την απόδοση ισχύος.
«Συσκευάζουμε ουσιαστικά ένα μεγαβάτ ισχύος στο μέγεθος μιας συμπαγούς βαλίτσας που θα μετατρέψει αρκετή ηλεκτρική ισχύ για να επιτρέψει υβριδικές-ηλεκτρικές αρχιτεκτονικές πρόωσης για εμπορικά αεροπλάνα», δήλωσε ο Konrad Weeber, επικεφαλής μηχανικός Ηλεκτρικής Ενέργειας της GE Research. «Έχουμε δημιουργήσει και επιδείξει με επιτυχία μετατροπείς σε επίπεδο εδάφους που πληρούν τις απαιτήσεις ισχύος, μεγέθους και απόδοσης της ηλεκτρικής πτήσης».
Η ανάπτυξη αυτών των ηλεκτρικών συστημάτων πραγματοποιείται επί του παρόντος στο NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) στο Sandusky του Οχάιο, το οποίο ήταν προηγουμένως το NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Το πρώτο του είδους του, αυτή η επαναδιαμορφώσιμη δοκιμαστική βάση είναι φορτισμένη με το σχεδιασμό, την ανάπτυξη, τη συναρμολόγηση και τη δοκιμή των ηλεκτρικών συστημάτων ισχύος των αεροσκαφών που θα προχωρήσουν στη δημιουργία των πάντων από αεροσκάφη δύο ατόμων έως αεροσκάφη 20 MW.
Τον Μάιο, η NEAT κατάφερε να πραγματοποιήσει το πρώτο της τεστ μεγαβάτ χάρη στις τεράστιες ποσότητες ισχύος στην οποία έχει πρόσβαση η εγκατάσταση. Αυτή και η πρόσφατα υπογεγραμμένη συνεργασία με τη GE έρχονται λίγο μετά την ανακοίνωση της NASA μιας άλλης προσοδοφόρας συνεργασίας με την GE και δύο μεγάλες αεροδιαστημικές εταιρείες - η Boeing και η United Technologies Pratt & Whitney - για να μελετήσουν τα πιθανά οφέλη και τους κινδύνους των επιδείξεων πτήσεων μεγάλης κλίμακας.
Όπως αναφέρει ο Barb Esker, αναπληρωτής διευθυντής του Advanced Air Vehicles Program της NASA:
«Οι αεροπορικές επιδείξεις αποτελούν σημαντικό μέρος της τεχνολογικής ανάπτυξης, διότι προσφέρουν στους μηχανικούς και τους συνεργάτες μας την ευκαιρία να επεξεργαστούν ζητήματα και να αποδείξουν έννοιες σε ένα ρεαλιστικό περιβάλλον, αντιμετωπίζοντας παράλληλα τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ηλεκτροκίνηση στην αεροπορία».
Μεταξύ της απειλής της κλιματικής αλλαγής και του γεγονότος ότι ο παγκόσμιος πληθυσμός προβλέπεται να φτάσει τα 10 δισεκατομμύρια έως το 2050, είναι σαφές ότι πρέπει να αναπτυχθούν εναλλακτικά μέσα παραγωγής, παραγωγής ενέργειας και μεταφοράς. Είναι καλό να γνωρίζουμε ότι παράλληλα με ηλεκτρικά και υβριδικά αυτοκίνητα, μπορούμε να προσβλέπουμε σε ηλεκτρικά και υβριδικά αεροπλάνα.
