Jetpacks, Robotermädchen und fliegende Autos waren alles Versprechen für das 21. Jahrhundert. Stattdessen bekamen wir mechanisierte, autonome Staubsauger. Jetzt untersucht ein Team von Penn State-Forschern die Anforderungen für elektrische vertikale Start- und Landefahrzeuge (eVTOL) und entwickelt und testet potenzielle Batteriestromquellen.
„Ich glaube, dass fliegende Autos das Potenzial haben, viel Zeit einzusparen, die Produktivität zu steigern und Himmelskorridore für den Transport zu öffnen“, sagte der Direktor des Electrochemical Engine Center im US-Bundesstaat Penn. „Aber elektrische Senkrechtstarter und -landefahrzeuge sind eine große Herausforderung Technologie für die Batterien.“
„Batterien für fliegende Autos brauchen eine sehr hohe Energiedichte, damit man in der Luft bleiben kann“, sagt Wang. „Und sie brauchen auch bei Start und Landung eine sehr hohe Leistung. Es braucht viel Kraft, um vertikal auf und ab zu gehen.“
Wang merkt an, dass die Batterien auch schnell aufgeladen werden müssen, damit während der Hauptverkehrszeiten hohe Einnahmen erzielt werden können. Er sieht, dass diese Fahrzeuge häufig starten und landen und sich schnell und oft aufladen.
„Aus kommerzieller Sicht würde ich erwarten, dass diese Fahrzeuge während der Hauptverkehrszeit zweimal täglich 15 Fahrten machen, um die Kosten der Fahrzeuge zu rechtfertigen“, sagte Wang. "Der erste Einsatz wird wahrscheinlich von einer Stadt zu einem Flughafen sein, der drei bis vier Personen etwa 50 Kilometer befördert."
Auch das Gewicht spielt bei diesen Batterien eine Rolle, da das Fahrzeug die Batterien anheben und landen muss. Sobald das eVTOL abhebt, beträgt die Durchschnittsgeschwindigkeit bei kurzen Fahrten 100 Meilen pro Stunde und bei langen Fahrten durchschnittlich 200 Meilen pro Stunde, so Wang.
Die Forscher testeten experimentell zwei energiedichte Lithium-Ionen-Batterien, die sich in fünf bis zehn Minuten mit genügend Energie für eine 50-Meilen-eVTOL-Fahrt aufladen können. Diese Batterien könnten während ihrer Lebensdauer mehr als 2,000 Schnellladungen aushalten.
Wang und sein Team nutzten die Technologie, an der sie für Elektrofahrzeugbatterien gearbeitet haben. Der Schlüssel ist, den Akku zu erwärmen, um ein schnelles Laden zu ermöglichen, ohne dass sich Lithiumspitzen bilden, die den Akku beschädigen und gefährlich sind. Es stellt sich heraus, dass das Erwärmen der Batterie auch eine schnelle Entladung der in der Batterie gespeicherten Energie ermöglicht, um Starts und Landungen zu ermöglichen.
Die Forscher erhitzen die Batterien, indem sie eine Nickelfolie einbauen, die die Batterie schnell auf 140 Grad Fahrenheit bringt.
„Unter normalen Umständen wirken die drei für eine eVTOL-Batterie notwendigen Attribute gegeneinander“, sagte Wang. „Eine hohe Energiedichte reduziert das Schnellladen und das Schnellladen reduziert in der Regel die Anzahl der möglichen Ladezyklen. Aber wir sind in der Lage, alle drei in einer einzigen Batterie zu tun.“
Ein ganz einzigartiger Aspekt fliegender Autos ist, dass die Batterien immer eine gewisse Ladung behalten müssen. Anders als zum Beispiel Handy-Akkus, die am besten funktionieren, wenn sie vollständig entladen und wieder aufgeladen sind, kann eine fliegende Autobatterie niemals vollständig in der Luft entladen werden, da Energie benötigt wird, um in der Luft zu bleiben und zu landen. In einer fliegenden Autobatterie muss immer ein Sicherheitsspielraum vorhanden sein.
Wenn ein Akku leer ist, ist der Innenwiderstand beim Laden gering, aber je höher die Restladung, desto schwieriger ist es, mehr Energie in den Akku zu drücken. Normalerweise verlangsamt sich das Aufladen, wenn sich der Akku füllt. Durch Aufheizen des Akkus kann das Aufladen jedoch im Bereich von fünf bis zehn Minuten bleiben.
„Ich hoffe, dass die Arbeit, die wir in diesem Papier geleistet haben, den Leuten eine solide Vorstellung davon gibt, dass wir keine weiteren 20 Jahre brauchen, um diese Fahrzeuge endlich zu bekommen“, sagte Wang. „Ich glaube, wir haben bewiesen, dass die eVTOL wirtschaftlich rentabel ist.“