Yksi avaruusjärjestöjen ja kaupallisen ilmailualan päätavoitteista on nykyään vähentää avaruustutkimuksen kustannuksia. Mutta NASA: n kaltaisissa virastoissa ei ole kyse vain hyötykuormien lähettämisestä avaruuteen (ja sen aiheuttamasta pilaantumisesta).
Ilmailuun liittyy myös kustannuksia (sekä taloudellisia että ympäristöön liittyviä). Suihkukonepolttoaine ei ole myöskään halpaa, ja kaupallisen lentomatkan osuus on 4–9% ihmisten kasvihuonekaasuista (ja sen määrä on kasvussa). Tästä syystä NASA on tehnyt yhteistyötä kaupallisen teollisuuden kanssa kehittääkseen sähkölentokoneita, jotka toivovat tarjoavan polttoaine- ja kustannustehokkaan vaihtoehdon kaupallisille suihkukoneille vuoteen 2035 mennessä.
Tämä on merkittävä haaste, koska monet toimivien sähkölentokoneiden luomiseen tarvittavista komponenteista ovat melko suuria ja raskaita. Erityisesti NASA: n edistyksellinen ilma-alusohjelma (AAVP) etsii kevyitä ja pienikokoisia taajuusmuuttajia - keskeinen komponentti sähköjärjestelmässä, joka tarjoaa voimaa sähkömoottorin ajamiseen.
Taajuusmuuttajat ovat kriittisiä elektronisille käyttöjärjestelmille, koska ne muuntavat moottoriin asennettujen generaattoreiden ja potkurien käyttämien sähkömoottorien tuottaman vaihtovirran (AC) korkeajännitteiseen tasavirtaan (DC). Valitettavasti komponentit, joita tarvitaan kyseisen määrän energian tuottamiseen - generaattorit, tehonmuuntamiselektroniikka, moottorit jne. - ovat historiallisesti olleet aivan liian suuria ja raskaita sopimaan ilma-alukseen.
Tämä luo jotain epäselvyyttä, koska tarvittavan hissin tuottamiseksi tarvittava energian määrä vaatisi vielä raskaampaa elektroniikkaa. Siksi NASA tutkii huipputeknistä materiaalitietoa kevyemmän ja pienemmän elektroniikan luomiseksi. Tätä varten he allekirjoittivat äskettäin 12 miljoonan dollarin sopimuksen General Electricin (GE) kanssa, joka on maailman johtava piikarbiditekniikan (SiC) kehittäjä.
Tätä puolijohtavaa mineraalia käytetään korkean lämpötilan, korkeajännitteisen elektroniikan valmistuksessa, ja GE toivoo käyttävänsä sitä vastaamaan NASA: n määrittelemiä koko-, teho- ja tehokkuusvaatimuksia. Nämä vaatimukset vaativat taajuusmuuttajaa, joka ei ole suurempi kuin matkalaukku ja joka pystyy tuottamaan megawattia (MW) sähköä.
Kuten NASA: n edistyneen lentoliikenneteknologiaprojektin johtaja Jim Heidmann selitti NASA: n lehdistötiedotteessa:
”Olemme kriittisessä vaiheessa ilmailun historiassa, koska meillä on mahdollisuus kehittää järjestelmiä, jotka vähentävät kustannuksia, energiankulutusta ja melua, samalla kun avaavat uusia markkinoita ja mahdollisuuksia amerikkalaisille yrityksille. On ehdottoman välttämätöntä, että teemme yhteistyötä teollisuuden ja yliopistoyhteisön kanssa varmistaaksemme, että tulevien matkustajien ja lentoliikenteen harjoittajien tarpeita varten on saatavilla oikeita tekniikoita. "
Yksinkertaisesti sanottuna, megawatti on valtava määrä sähköä, ja tällaisen virran hallitseminen turvallisesti on suuri haaste. Esimerkiksi NASA: n
Mutta viime vuosina elektroniikan ja hybridimoottoritekniikan alalla saavutettujen edistysten ansiosta nämä vaatimukset voivat olla ulottuvilla. Sanoi Amy Jankovsky, NASA: n Glennin tutkimuskeskuksen hybridi kaasu-sähkö-propulsio -osahankkeen johtaja:
”Viimeaikaisella edistyksellä materiaalien ja tehoelektroniikan suhteen olemme alkamassa selviytyä haasteista kehitettäessä energiaa vähentäviä sähköistyskonsepteja, ja tämä invertterityö on kriittinen askel koneistettujen lentokoneiden työntövoimapyrkimyksissämme. Yhteistyömme GE: n kanssa on avain lentomäärän ja lentovalmiiden komponenttien edistämiseen tulevaisuuden kuljetuslentokoneiden megawattitunnissa. ”
Piikarbidi on materiaaliensa vuoksi erityisen lupaava suuritehoisissa ilmailusovelluksissa. Se tarjoaa korkeat käyttölämpötilat, korkea jännite ja suuri tehonkäsittelykapasiteetti. Nämä edut antavat insinööreille mahdollisuuden suunnitella pienikokoisempia ja kevyempiä komponentteja samalla lisäämällä tehonkulutusta.
"Pakkaamme lähinnä yhden megawatin teho pienikokoiseen matkalaukkuun, joka muuntaa tarpeeksi sähkötehoa mahdollistaakseen hybridi-sähkökäyttöiset arkkitehtuurit kaupallisissa lentokoneissa", kertoi Konrad Weeber, GE Researchin sähkövoiman pääinsinööri. "Olemme onnistuneesti rakentaneet ja osoittaneet inverttereitä maanpinnalla, jotka täyttävät sähkölennon tehon, koon ja tehokkuuden vaatimukset."
Näiden sähköjärjestelmien kehittämistä käydään parhaillaan NASA: n Electric Aircraft Testbed (NEAT) -yrityksessä Sanduskyssa, Ohiossa, mikä aikaisemmin oli NASA Glennin hypersonic tunnelilaitos. Ensimmäinen laatuaan, tämä uudelleenkonfiguroitava testilaite on vastuussa sähkölentokoneiden voimajärjestelmien suunnittelusta, kehittämisestä, kokoamisesta ja testaamisesta. Niiden avulla luodaan kaikkea kahden hengen lentokoneista 20 MW: n lentokoneisiin.
Toukokuussa NEAT pystyi suorittamaan ensimmäisen megawatin mittaisen testin valtavien voimankäyntien ansiosta, joita laitoksella on käytettävissään. Tämä ja äskettäin allekirjoitettu kumppanuus GE: n kanssa tapahtuu pian sen jälkeen, kun NASA ilmoitti uudesta kannattavasta kumppanuudesta GE: n ja kahden suuren ilmailualan yrityksen - Boeingin ja United Technologies Pratt & Whitney - kanssa tutkiakseen megawatin mittaisten lentoesittelyjen mahdollisia hyötyjä ja riskejä.
Kuten NASA: n edistyneiden ilma-alusten ohjelman varajohtaja Barb Esker totesi:
"Lennon mielenosoitukset ovat tärkeä osa teknologian kehittämistä, koska ne tarjoavat insinööreillemme ja teollisuuskumppaneillemme mahdollisuuden selvittää ongelmat ja todistaa konseptit realistisessa ympäristössä samalla kun puututaan ilmailun sähköistetyn työntövoiman haasteisiin."
Ilmastomuutoksen uhan ja tosiasian välillä, että maailman väestön ennustetaan nousevan lähes 10 miljardiin vuoteen 2050 mennessä, on selvää, että vaihtoehtoisia valmistus-, energiantuotanto- ja kuljetusvälineitä on kehitettävä. On hyvä tietää, että sähkö- ja hybridi-autojen ohella voimme odottaa sähkö- ja hybridilaitteita.
