फिर भी इलेक्ट्रिक हवाई जहाज क्यों नहीं हैं? यह बैटरियों के लिए नीचे आता है।

चूंकि अमेरिकी राजमार्गों पर इलेक्ट्रिक कार और ट्रक तेजी से दिखाई देते हैं, यह सवाल उठता है: व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य इलेक्ट्रिक वाहन कब आसमान पर ले जाएंगे? क्षेत्रीय जेट और विमानों सहित बिजली से चलने वाले हवाई जहाज के निर्माण के लिए कई महत्वाकांक्षी प्रयास हैं जो लंबी दूरी तय कर सकते हैं। विद्युतीकरण एक प्रकार की हवाई यात्रा को सक्षम करने के लिए शुरू हो रहा है, जो कई उम्मीद कर रहे हैं, लेकिन अभी तक नहीं देखा है - एक उड़ान कार।

इलेक्ट्रिक विमानों के निर्माण में एक महत्वपूर्ण चुनौती में यह शामिल है कि ऑन-बोर्ड ऊर्जा स्रोत के वजन के एक निश्चित मात्रा में कितनी ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है। हालांकि सबसे अच्छी बैटरी जेट ईंधन की तुलना में प्रति यूनिट लगभग 40 गुना कम ऊर्जा का भंडारण करती है, लेकिन उनकी ऊर्जा का अधिक हिस्सा गति को चलाने के लिए उपलब्ध है। अंततः, दिए गए वजन के लिए, जेट ईंधन में अत्याधुनिक लिथियम आयन बैटरी की तुलना में लगभग 14 गुना अधिक उपयोग करने योग्य ऊर्जा होती है।

यह बैटरी को विमानन के लिए अपेक्षाकृत भारी बनाता है। एयरलाइन कंपनियां पहले से ही वजन के बारे में चिंतित हैं - सामानों पर शुल्क लगाने से यह सीमित होता है कि विमानों को कितना ले जाना है। सड़क वाहन भारी बैटरी को संभाल सकते हैं, लेकिन समान चिंताएं हैं। हमारे शोध समूह ने इलेक्ट्रिक पिकअप ट्रकों और ट्रैक्टर-ट्रेलर या अर्ध-ट्रकों में वजन-ऊर्जा व्यापार का विश्लेषण किया है।

नासा के प्रायोगिक इलेक्ट्रिक प्लेन डिजाइन की इस कलाकार की अवधारणा को पंखों के साथ 14 मोटर्स दिखाई देते हैं। (नासा)

इलेक्ट्रिक ट्रकों से लेकर उड़ने वाले वाहनों तक

हमने ली-आयन बैटरी में शामिल अंतर्निहित रासायनिक प्रक्रियाओं के विवरण के साथ वाहन को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा के एक बहुत सटीक विवरण पर हमारे शोध पर आधारित है। हमने पाया कि आज के डीजल से चलने वाले बिजली के समान अर्ध-ट्रक को एक ही चार्ज पर 500 मील तक की यात्रा के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जबकि सभी माल ढुलाई यात्राओं में लगभग 93 प्रतिशत माल ले जाने में सक्षम है।

अमेरिकी ट्रकिंग बेड़े को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने की प्रक्रिया शुरू करने के लिए आर्थिक समझ बनाने से पहले बैटरियों को सस्ता पाने की आवश्यकता होगी। ऐसा लगता है कि 2020 की शुरुआत तक ऐसा होने की संभावना है।

उड़ने वाले वाहन थोड़ा और दूर हैं, क्योंकि उनके पास अलग-अलग बिजली की ज़रूरतें होती हैं, खासकर उतारने और उतरने के दौरान।

ई-वीटीओएल क्या है?

यात्री विमानों के विपरीत, बैटरी से चलने वाले छोटे ड्रोन जो निजी पैकेज को कम दूरी पर ले जाते हैं, जबकि 400 फीट से नीचे उड़ान भरते हैं, पहले से ही उपयोग में आ रहे हैं। लेकिन लोगों और सामान को ले जाने के लिए 10 गुना अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है - या अधिक।

हमने इस बात पर ध्यान दिया कि ऊर्ध्वाधर टेकऑफ़ और लैंडिंग में सक्षम एक छोटे बैटरी-संचालित विमान को कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होगी। ये आमतौर पर हेलीकॉप्टर की तरह सीधे लॉन्च करने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, उड़ान के दौरान अपने प्रोपेलर या पूरे पंखों को घुमाकर अधिक कुशल हवाई जहाज मोड में स्थानांतरित करते हैं, फिर लैंडिंग के लिए हेलीकॉप्टर मोड में वापस संक्रमण करते हैं। वे व्यस्त शहरी क्षेत्रों को नेविगेट करने के लिए एक कुशल और आर्थिक तरीका हो सकते हैं, जो तंग सड़कों से बचते हैं।

ई-वीटीओएल विमान की ऊर्जा आवश्यकताएं

हमारे अनुसंधान समूह ने एक कंप्यूटर मॉडल बनाया है जो एकल-यात्री ई-वीटीओएल के लिए आवश्यक डिजाइनों की तर्ज पर विकास के लिए पहले से मौजूद बिजली की गणना करता है। ऐसा ही एक उदाहरण ई-वीटीओएल है जिसका वजन यात्री सहित 1, 000 किलोग्राम है।

यात्रा का सबसे लंबा हिस्सा, हवाई जहाज मोड में मंडराते हुए, प्रति मील कम से कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। हमारे नमूने ई-वीटीओएल को लगभग 400 से 500 वॉट-घंटे प्रति मील की आवश्यकता होगी, लगभग उतनी ही ऊर्जा के रूप में एक इलेक्ट्रिक पिकअप ट्रक की आवश्यकता होगी - और एक इलेक्ट्रिक यात्री सेडान की ऊर्जा खपत का लगभग दोगुना।

हालांकि, टेकऑफ़ और लैंडिंग के लिए बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। भले ही कोई ई-वीटीओएल यात्रा करता है, हमारे विश्लेषण में टेकऑफ़ की भविष्यवाणी की गई है और लैंडिंग को प्रति यात्रा 8, 000 और 10, 000 वाट-घंटे के बीच की आवश्यकता होगी। यह निसान लीफ की तरह अधिकांश कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रिक कारों में उपलब्ध लगभग आधी ऊर्जा है।

एक पूरी उड़ान के लिए, आज उपलब्ध सर्वोत्तम बैटरियों के साथ, हमने गणना की कि एक एकल यात्री ई-वीटीओएल को 20 मील या उससे कम व्यक्ति को ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, इसके लिए लगभग 800 से 900 वॉट-घंटे प्रति मील की आवश्यकता होगी। यह एक अर्ध-ट्रक के रूप में ऊर्जा की लगभग आधी मात्रा है, जो बहुत कुशल नहीं है: यदि आपको पास के शहर में खरीदारी करने के लिए त्वरित यात्रा करने की आवश्यकता है, तो आप पूरी तरह से भरी हुई ट्रैक्टर-ट्रेलर की टैक्सी में आशा नहीं करेंगे। वहा पहुँचो।

चूंकि अगले कुछ वर्षों में बैटरी में सुधार होता है, इसलिए वे समान बैटरी भार के लिए लगभग 50 प्रतिशत अधिक ऊर्जा पैक करने में सक्षम हो सकते हैं। ई-वीटीओएलएस को लघु और मध्यम श्रेणी की यात्राओं के लिए अधिक व्यवहार्य बनाने में मदद करेगा। लेकिन, लोगों को वास्तव में नियमित रूप से ई-वीटीएलएस का उपयोग शुरू करने से पहले कुछ और चीजों की आवश्यकता होती है।

'विशिष्ट ऊर्जा' स्लाइडर को साइड से स्लाइड करें यह देखने के लिए कि बैटरी बेहतर बनाने से वाहनों की ऊर्जा की जरूरतों को कैसे बदला जा सकता है। वेंकट विश्वनाथन

यह सिर्फ ऊर्जा नहीं है

जमीनी वाहनों के लिए, यात्रा की उपयोगी सीमा निर्धारित करना पर्याप्त है - लेकिन विमानों और हेलीकाप्टरों के लिए नहीं। विमान डिजाइनरों को भी शक्ति की बारीकी से जांच करने की आवश्यकता है - या संग्रहीत ऊर्जा कितनी जल्दी उपलब्ध है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि एक जेट में उतारने या एक हेलीकाप्टर में गुरुत्वाकर्षण के खिलाफ नीचे धकेलने से कार या ट्रक के पहियों को मोड़ने की तुलना में बहुत अधिक शक्ति प्राप्त होती है।

इसलिए, ई-वीटीओएल बैटरी को इलेक्ट्रिक रोड वाहनों की बैटरी की तुलना में लगभग 10 गुना तेज दरों पर डिस्चार्ज करने में सक्षम होना चाहिए। जब बैटरी अधिक तेजी से डिस्चार्ज होती है, तो वे बहुत अधिक गर्म हो जाते हैं। जिस तरह आपका लैपटॉप फैन पूरी गति तक घूमता है, जब आप गेम खेलते समय और बड़ी फाइल डाउनलोड करते समय टीवी शो को स्ट्रीम करने की कोशिश करते हैं, तो जब भी अधिक बिजली का उत्पादन करने के लिए कहा जाता है, वाहन बैटरी पैक को और भी तेजी से ठंडा करने की आवश्यकता होती है।

सड़क पर चलने वाले वाहनों की बैटरी ड्राइविंग करते समय लगभग गर्म नहीं होती है, इसलिए उन्हें हवा के माध्यम से या साधारण शीतलक के साथ ठंडा किया जा सकता है। हालांकि, एक ई-वीटीओएल टैक्सी, टेकऑफ़ पर बहुत अधिक मात्रा में गर्मी उत्पन्न करेगी जो ठंडा होने में लंबा समय लेगी - और छोटी यात्राओं पर लैंडिंग पर फिर से गर्म होने से पहले पूरी तरह से ठंडा भी नहीं हो सकता है। बैटरी पैक के आकार के सापेक्ष, उसी दूरी की यात्रा के लिए, टेकऑफ़ और लैंडिंग के दौरान ई-वीटीओएल बैटरी द्वारा उत्पन्न गर्मी की मात्रा इलेक्ट्रिक कारों और अर्ध-ट्रकों से कहीं अधिक है।

अतिरिक्त गर्मी ई-वीटीओएल बैटरी के उपयोगी जीवन को छोटा कर देगी, और संभवतः उन्हें आग पकड़ने के लिए अधिक संवेदनशील बना देगी। विश्वसनीयता और सुरक्षा दोनों को संरक्षित करने के लिए, इलेक्ट्रिक विमान को विशेष शीतलन प्रणाली की आवश्यकता होगी - जिसके लिए अधिक ऊर्जा और वजन की आवश्यकता होगी।

यह इलेक्ट्रिक रोड वाहनों और इलेक्ट्रिक एयरक्राफ्ट के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर है: ट्रकों और कारों के डिजाइनरों को अपने बिजली उत्पादन या उनके शीतलन प्रणालियों में मौलिक सुधार करने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि यह प्रदर्शन की मदद के बिना लागत को जोड़ देगा। केवल विशेष शोध में इलेक्ट्रिक विमानों के लिए ये महत्वपूर्ण प्रगति मिलेगी।

हमारा अगला शोध विषय ई-वीटीओएल बैटरी और शीतलन प्रणाली की आवश्यकताओं को बेहतर बनाने के तरीकों का पता लगाना जारी रखेगा, जो कि उपयोगी सीमा के लिए पर्याप्त ऊर्जा और टेकऑफ़ और लैंडिंग के लिए पर्याप्त शक्ति प्रदान करने के लिए - बिना ओवरहीटिंग के।

यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।

वेंकट विश्वनाथन, मैकेनिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर, कार्नेगी मेलन विश्वविद्यालय

शशांक श्रीपाद, पीएच.डी. मैकेनिकल इंजीनियरिंग, कार्नेगी मेलन विश्वविद्यालय में उम्मीदवार

विलियम लीफ फ्रेडरिक, मैकेनिकल इंजीनियरिंग, कार्नेगी मेलन विश्वविद्यालय में अनुसंधान सहायक