Sähkö lennättää lentokonetta

Vuonna 2021 lentokonevalmistaja Airbus aikoo saada ilmaan 100-paikkaisen osittain sähkökäyttöisen matkustajakoneen. Seuraavaksi kehitetään sähkömoottoreita ja akkuja, jotka korvaavat suihkumoottorit kokonaan.

Vuonna 2021 lentokonevalmistaja Airbus aikoo saada ilmaan 100-paikkaisen osittain sähkökäyttöisen matkustajakoneen. Seuraavaksi kehitetään sähkömoottoreita ja akkuja, jotka korvaavat suihkumoottorit kokonaan.

Vuonna 2050 lentomatkailu ei satu korviin eikä lämmitä ilmastoa.

Kun henkilökunta on toivottanut matkustajat tervetulleiksi, istuinvyöt on kiinnitetty ja moottorit pyörivät valmiina nousuun, korviin ei kuulu suihkumoottorien jylinää.

Kun kurkistat ikkunasta, siiven alla näkyy rivi sähkömoottoreita. Ne nostavat koneen ja sen sata matkustajaa ilmaan.

Ilmastotietoinen kapteeni vielä muistuttaa matkustajille, että he voivat lentää lomalle hyvällä omallatunnolla. Sen lisäksi, että kone lentää sähköllä eikä tuota ilmastonmuutosta kiihdyttäviä hiilipäästöjä, kaikki koneen johdot, moottorin osat ja muut elektroniset komponentit on tehty suprajohtavista aineista. Energiankulutus on siis minimoitu kaikin tavoin.

Jos kaikki on sujunut niin kuin lentokoneteollisuus toivoo, kapteeni voi vielä lisätä, että sähkökäyttöisten lentokoneiden ansiosta ilmailun hiilidioksidipäästöt ovat pienentyneet 75 prosenttia.

Tältä näyttää tulevaisuus lentokoneteollisuuden toiveissa. Nykyisin lentoliikenne tuottaa Kansainvälisen ilmakuljetusliiton IATA:n mukaan kaksi prosenttia kaikista ihmiskunnan hiilidioksidipäästöistä.

Lentokonevalmistaja Airbus ja lentokoneen moottoreita valmistava Rolls-Royce ovat ottaneet asiakseen tehdä lentoliikenteestä sähkökäyttöistä. Airbusin testikoneen E-Fan X:n on määrä nousta siivilleen jo 2021.

Yksi kaikkiaan neljästä uuden Airbus E-Fan X:n sähkömoottorista. Sähkömoottori on yhdistetty turbiinilla kahden megawatin generaattoriin.

Airbusin E-Fan X:ssä yksi neljästä tavanomaisesta suihkumoottorista on vaihdettu uudentyyppiseen kahden megawatin sähkömoottoriin. Vaikka sähkömoottorin teho on vasta kymmenesosa tavallisen matkustajakoneen suihkumoottorin tehosta, tutkijat ovat innoissaan testikoneesta.

E-Fan X on ensimmäinen matkustajaliikenteeseen kehitetty hybridilentokone ja siten tärkeä virstanpylväs matkalla kohti ilmastoystävällistä lentoliikennettä.

Sähköllä yli Englannin kanaalin

Airbus otti ensimmäisen askeleen kohti sähköistä ilmailua jo 9. heinäkuuta 2015, kun sen kaksipaikkainen testilentokone E-Fan lensi sähkömoottorien voimin Englannin kanaalin ylitse.

Ennen kuin sama suoritus on mahdollista satapaikkaisella matkustajakoneella, on ratkaistava iso joukko teknisiä haasteita.

Ensimmäiseksi on kehitettävä kyllin tehokas akku.

Akkutekniikka on kehittynyt huimasti siitä, kun ensimmäinen litiumioniakku esiteltiin 1991. Silti akkujen isoimmat ongelmat ovat samat: hinta on edelleen suhteellisen korkea ja etenkin laivoissa ja lentokoneissa käytettävät akut ovat liian painavia eikä energiatiheyskään ole paras mahdollinen.

Energiatiheys ilmaisee, miten paljon energiaa akkuun voidaan varastoida massaa kohti. Nykyisten akkujen energiatiheys on yleensä enintään 250 wattituntia kilogrammaa kohti.

Nasan tutkimusten mukaan luvun pitäisi olla ainakin nelinkertainen – eli vähintään 1 000 Wh/kg – jotta akuilla voitaisiin käyttää matkustajakoneen kokoista ilma-alusta.

Suprajohtavuus lisää tehoa

E-Fan X:ää lennättää aivan uudenlainen sähkömoottori, jota alun perin kehitti saksalainen Siemens. Vuonna 2018 Rolls-Royce osti sähkömoottoria kehittäneen yksikön Siemensiltä.

Kahden megawatin tehollaan uusi moottori on lähes 30 kertaa niin tehokas kuin se, joka lennätti E-Fan-testikoneen Englannin kanaalin poikki.

©

Unelmaan tarvitaan tehokkaita sähkömoottoreita

Vaikka E-Fan X:n sähkömoottorissa on kolmekymmentä kertaa niin paljon tehoa kuin sen edeltäjän E-Fanin moottorissa, ollaan vielä kaukana siitä, että matkustajakoneessa voitaisiin korvata kaikki tavanomaiset suihkumoottorit sähkökäyttöisillä. Uudessa kahden megawatin moottorissakin on vain kymmenesosa siitä tehosta, joka on esimerkiksi Airbus A320 -matkustajakoneen suihkumoottorissa. Jotta sähkömoottori saataisiin kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi 20 megawatin suihkumoottorille, muun muassa Rolls-Roycen insinöörien pitää tehdä vielä paljon töitä.

Kuvio esittää sähkökäyttöisten lentokonemoottorien tehon kehityksen logaritmisella asteikolla.

Airbus ja Rolls-Royce eivät ole vielä päättäneet, miten suuren akun E-Fan X saa, mutta sen verran tiedetään, että sen paino on kaksi tonnia.

Jos akun energiatiheys on normaali eli 250 Wh/kg, sen kapasiteetiksi voidaan laskea 500 kWh. Silloin sen kapasiteetti olisi noin viisi kertaa niin suuri kuin ison sähköauton akun.

Jos nämä arviot pitävät kutinsa, sähkömoottoria voitaisiin käyttää täydellä teholla noin 15 minuuttia. Se toimisi siis todennäköisesti apumoottorina nousun ja laskeutumisen aikana. Airbusin suunnitelmien mukaan matkalennossa sähkömoottori toimisi generaattorina, joka lataa koneen akun.

Alkuvaiheessa E-Fan X saa kuitenkin mukaansa kaasuturbiinilla toimivan kahden megawatin generaattorin, jolla akku ladataan.

Jos lentoliikenteestä halutaan 100-prosenttisesti sähkökäyttöistä, ei riitä, että sähkömoottoreissa on tehoa.

Moottorit täytyy myös valmistaa kevyistä, suprajohtavista materiaaleista. Suprajohtavassa aineessa sähkövirta liikkuu häviöttömästi. Silloin myös moottorin teho paranee.

Suprajohtavat materiaalit ovat välttämättömyys, jos aiotaan saada aikaan lentokoneita, joilla liikennöidään mannertenvälisiä reittejä pelkästään akkujen varassa.

Monella moottorilla enemmän nostetta

Sähkömoottorien suuri etu suihkumoottoreihin verrattuna on niiden pieni koko.

Kokoa voidaan pienentää muun muassa siksi, että sähkömoottori ei tarvitse vaihteistoa, vaan nopeutta voidaan ohjata moottoria pyörittävän vaihtovirran taajuutta säätelemällä.

Pieni koko antaa uusia mahdollisuuksia muuuhun koneiden muotoiluun. Kun suihkukoneissa tavallisesti on kummankin siiven alla kaksi moottoria, sähkömoottoreita mahtuu samaan tilaan pitkä rivi.

©

Sähkömoottori korvaa suihkumoottorin

Yksi koneen neljästä suihkumoottorista korvataan sähkömoottorilla. Sen on kehittänyt Rolls-Roycen Siemensiltä ostama yksikkö. Sähkömoottori pyörittää siipipyörää, joka imee ilmaa moottoriin ja puhaltaa sen taas ulos. Näin syntyy lentokoneen tarvitsema noste ja työntövoima.

©

Akku antaa voimaa

E-Fan X:n sähkömoottorin voimanlähteenä toimivan akuston kapasiteettia ei ole vielä päätetty. Akuston painoksi on arvioitu kaksi tonnia. Jos akkujen energiatiheys on normaali eli 250 kWh/kg, kapasiteetti on noin viisi kertaa niin suuri kuin isojen sähköautojen akuissa.

©

Generaattori avittaa nousussa

Tavoitteena on, että koneen sähkömoottori toimii pelkästään akun voimin. Airbusin testikoneessa on kuitenkin lisäksi generaattori, josta sähkömoottori saa lisävirtaa silloin, kun tehoa tarvitaan erityisen paljon, kuten nousussa.

Lentokone, jossa on monta pientä sähkömoottoria, pääsee ilmaan helpommin kuin kone, jossa on muutama iso suihkumoottori, sillä pienet sähkömoottorit tuottavat pienemmän ilmanvastuksen. Sähkömoottoreilla on myös suuri teho suhteessa niiden painoon, kun kierrosluku ja nopeus ovat oikeat.

Yhdysvaltojen avaruusjärjestö Nasa testaa parhaillaan X-57 Maxwell -nimistä konemallia, jossa on kummassakin siivessä yksi iso päämoottori ja kuusi pienempää moottoria.

Nousun aikana kaikki 12 pientä ja kaksi päämoottoria toimivat yhdessä, jolloin ilmavirran nopeus siiven yläpuolella kasvaa ja siipeen kohdistuva noste lisääntyy.

Kun kone on saavuttanut toivotun korkeuden, pikku sähkömoottoreita ei enää tarvita. Ne sammutetaan ja niiden potkurien lavat taittuvat taakse, jolloin ne eivät lisää ilmanvastusta.

Katso, miten Airbusin sähkömoottori toimii

Uudet koneet nousevat kohtisuoraan

Pienten sähkömoottorien avulla lentokone voi myös nousta ja laskeutua ilman kiitotietä.

Kun sähkömoottorit tehdään käännettäviksi niin, että potkuri voi osoittaa sekä eteen että ylös, koneella voi periaatteessa nousta ja laskeutua kuin helikopterilla.

Matkalennon aikana moottorit ovat normaalisti potkuri menosuuntaan, ja kun ollaan perillä, ne nostetaan pystyyn ja kone voi laskeutua pystysuoraan.

E-Fan X saa kahden megawatin moottorin.

Pienillä sähkömoottoreilla on sekin etu, että ne ovat paljon hiljaisempia kuin polttomoottorit.

Jos Airbusin E-Fan X:n koelento vuonna 2021 sujuu suunnitelmien mukaan, on päästy askel lähemmäs tavoitetta rakentaa hybridimatkustajakone, jossa osa suihkumoottoreista voidaan korvata sähkökäyttöisillä ja siten vähentää ilmailun hiilidioksidipäästöjä.

Tekniikka ei ole kuitenkaan vielä läheskään valmista. Vielä pitää ratkaista monta pulmaa, ennen kuin etelänlomalle voi matkustaa päästöttömästi kokonaan sähkökäyttöisellä lentokoneella.

Sähkömoottoreita kehitetään kuitenkin koko ajan tehokkaammiksi ja akut tulevat halvemmiksi ja kevyemmiksi, joten korva- ja ilmastoystävällinen lentoliikenne voi olla totta ennemmin kuin uskommekaan.