Jetpacks, robotmeisjes en vliegende auto's waren allemaal beloften voor de 21e eeuw. In plaats daarvan kregen we gemechaniseerde, autonome stofzuigers. Nu onderzoekt een team van Penn State-onderzoekers de vereisten voor elektrische voertuigen voor verticaal opstijgen en landen (eVTOL) en het ontwerpen en testen van potentiële batterijstroombronnen.
“Ik denk dat vliegende auto’s het potentieel hebben om veel tijd te besparen, de productiviteit te verhogen en de luchtcorridors open te stellen voor transport”, zegt directeur van het Electrochemical Engine Center, Penn State. “Maar elektrische verticale start- en landingsvoertuigen vormen een grote uitdaging technologie voor de batterijen.”
"Batterijen voor vliegende auto's hebben een zeer hoge energiedichtheid nodig, zodat je in de lucht kunt blijven", zei Wang. “En ze hebben ook heel veel vermogen nodig tijdens het opstijgen en landen. Er is veel kracht nodig om verticaal op en neer te gaan.”
Wang merkt op dat de batterijen ook snel moeten worden opgeladen, zodat er tijdens de spits een hoge opbrengst kan zijn. Hij ziet deze voertuigen vaak opstijgen en landen en snel en vaak opladen.
"Commercieel gezien zou ik verwachten dat deze voertuigen 15 ritten maken, tweemaal per dag tijdens de spits om de kosten van de voertuigen te rechtvaardigen," zei Wang. "Het eerste gebruik zal waarschijnlijk zijn van een stad naar een luchthaven met drie tot vier mensen ongeveer 50 mijl."
Gewicht is ook een overweging voor deze batterijen, omdat het voertuig de batterijen moet optillen en landen. Als de eVTOL eenmaal van start gaat, zou de gemiddelde snelheid op korte ritten 100 mijl per uur zijn en lange ritten gemiddeld 200 mijl per uur, volgens Wang.
De onderzoekers testten experimenteel twee energierijke lithium-ionbatterijen die in vijf tot tien minuten met voldoende energie kunnen worden opgeladen voor een eVTOL-rit van 50 kilometer. Deze batterijen kunnen gedurende hun levensduur meer dan 2,000 snelle ladingen aan.
Wang en zijn team gebruikten de technologie waaraan ze hebben gewerkt voor accu's van elektrische voertuigen. De sleutel is om de batterij te verwarmen om snel opladen mogelijk te maken zonder de vorming van lithiumpieken die de batterij beschadigen en gevaarlijk zijn. Het blijkt dat het verwarmen van de batterij ook een snelle ontlading van de energie in de batterij mogelijk maakt om opstijgen en landen mogelijk te maken.
De onderzoekers verwarmen de batterijen door een nikkelfolie op te nemen die de batterij snel tot 140 graden Fahrenheit brengt.
"Onder normale omstandigheden werken de drie kenmerken die nodig zijn voor een eVTOL-batterij tegen elkaar", zegt Wang. "Hoge energiedichtheid vermindert snel opladen en snel opladen vermindert meestal het aantal mogelijke oplaadcycli. Maar we kunnen ze alle drie in één batterij doen.”
Een heel uniek aspect van vliegende auto's is dat de batterijen altijd een bepaalde lading moeten behouden. In tegenstelling tot bijvoorbeeld mobiele telefoonbatterijen die het beste werken als ze volledig ontladen en weer opgeladen zijn, mag een vliegende autobatterij nooit volledig ontladen in de lucht omdat er stroom nodig is om in de lucht te blijven en te landen. Er moet altijd een veiligheidsmarge zijn in een vliegende auto-accu.
Wanneer een batterij leeg is, is de interne weerstand tegen opladen laag, maar hoe hoger de resterende lading, hoe moeilijker het is om meer energie in de batterij te duwen. Normaal gesproken vertraagt het opladen naarmate de batterij vol raakt. Door de batterij te verwarmen, kan het opladen echter binnen het bereik van vijf tot tien minuten blijven.
"Ik hoop dat het werk dat we in dit document hebben gedaan, mensen een solide idee zal geven dat we niet nog eens 20 jaar nodig hebben om deze voertuigen eindelijk te krijgen", zei Wang. “Ik geloof dat we hebben aangetoond dat de eVTOL commercieel levensvatbaar is.”