Könnte ein Elektromotor die gleiche Leistung erbringen wie Düsentriebwerke in aktuellen Flugzeugen?

Noch nicht.

Um ein Mittelstreckenflugzeug zu betrachten, lassen Sie uns den Motor auf dem CFM56 oder dem IAE V2500 basieren . Diese Triebwerke erzeugen zwischen 100 und 150 kN Standschub. Im Reiseflug ist ihr Schub aufgrund der geringen Dichte in Reiseflughöhe und aufgrund ihrer Bewegung mit Mach 0,8 erheblich geringer . Nehmen wir einen Wert von 25 kN - das reicht aus, damit zwei von ihnen eine Flugzeugzelle der A320 -Klasse bequem in der Höhe durch die dünne Luft schieben können.

Die Kraft, um einen solchen Schub zu erzeugen, ist Kraft mal Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit beim Fliegen mit Mach 0,8 in 35.000 ft beträgt 240 m/s, sodass die von einem Motor erzeugte Leistung 6,0 MW beträgt. Schauen wir nun nach, wie groß und schwer ein Elektromotor sein muss, um dauerhaft 6 MW Leistung zu erbringen. Wie Sie auf der verlinkten Wikipedia-Seite sehen können, sind die Ergebnisse überall verstreut. Große Industriemotoren haben weniger als 1 kW/kg, unser Motor würde also mehr als 6 Tonnen wiegen. Die kleineren Motoren für Elektroflugzeuge treiben 10 kW/kg, das Leistungsgewicht des GE90-Turbofans , verlieren jedoch etwas davon, wenn sie auf die Größe skaliert werden. Denken Sie daran, dass der Motor selbst bei einem Wirkungsgrad von 98 % 120 kW Wärme erzeugt – diese muss abgeführt werden, und der Betrieb in dünner Luft macht dies nicht einfach.

Mit der aktuellen Technologie könnte der Motor vielleicht 2 bis 3 kW/kg erreichen - das bedeutet, dass der Motor, der unseren hypothetischen Motor antreibt, 2 bis 3 Tonnen wiegt. Fügen Sie dazu den Fan und die Verkleidung des Strahltriebwerks hinzu (wir brauchen den Hochdruckteil und alle Turbinen nicht), aber verdoppeln Sie das Fangewicht, weil wir die fehlende hochenergetische Kernströmung kompensieren müssen. Das wird vielleicht 50 % des CFM56 / V2500 wiegen, also müssen wir weitere 1,2 Tonnen hinzufügen.

Der Elektromotor wird doppelt so schwer sein wie die Teile, die er ersetzt. Es ist noch einiges zu tun, bevor es einen Vorteil gegenüber aktuellen Düsentriebwerken erzielen kann, aber es hat ein gewisses Potenzial, da es nicht die Hälfte der ihm zugeführten Energie in einem heißen, sich schnell bewegenden, lauten Gasstrom über Bord wirft.

BEARBEITEN:

Da sich so viele Leute darüber aufregen, dass ich den Aspekt der Energiedichte des Elektroantriebs weglasse, obwohl die Frage dies ausdrücklich auslassen wollte, sind hier zwei Dinge zu beachten. Die Energiedichte ist nur die Hälfte des Problems der elektrischen Speicherung.

1. Die Energiedichte von Kerosin liegt bei etwa 43 MJ/kg, während Lithium-Polymer-Batterien nicht einmal ein MJ/kg erreichen. Aber dieser Vergleich ist linear gedacht - realistischerweise wird der Strom entweder von einer hocheffizienten Turbinen-Generator-Kombination oder von Brennstoffzellen erzeugt, die Wasserstoff mit der doppelten Effizienz eines herkömmlichen Strahltriebwerks verbrennen. Da Wasserstoff 142 MJ pro Kilogramm enthält, würde das elektrische Verkehrsflugzeug bei doppelter Effizienz nur 162 kg Wasserstoff für jede Tonne Kerosin in einem herkömmlichen Jet benötigen. Ja, ich weiß, selbst dann wird die Lautstärke noch ein Problem sein.
2. Wenn Batterien verwendet werden, ist die Tatsache, dass leere Batterien genauso viel wiegen wie volle, der letzte Nagel im Sarg des batteriebetriebenen Fliegens. Während ein durchschnittlicher Langstreckenjet mit 60 % seines Startgewichts landet , müsste der batteriebetriebene Jet diese schweren Batterien bis zum endgültigen Zielort schleppen. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssten diese hypothetischen Batterien die doppelte Energiedichte von Kerosin haben.

Motoren sind toll wie sie sind. Elektromotoren können schnell, leistungsstark und effektiv sein. Ich sehe zwei Probleme:

Erstens - die schiere Menge an Energie, die das Verkehrsflugzeug verbraucht. Bei einem einzelnen Triebwerk, das 200 kN abgibt, benötigen Sie ein kleines Triebwerk, das am Flugzeug angebracht ist. Selbst Batterien wären zu 100% effektiv und könnten genug Energie speichern, Sie müssen eine größere Menge an Kraftstoff verbrennen, um sie aufzuladen (Sie würden VIEL alternative Energiequellen benötigen, um die abgegebene Energie zu erreichen).

Zweitens - es geht um die Energiedichte. Kerosin mit 34 MJ/l, Batterien mit bis zu 120 Wh/kg = 0,36 MJ/kg (laut dieser Seite ). Sie benötigen also mehr als 100x mehr Platz, um die gleiche Energiemenge zu speichern.

Suchen Sie einfach nach dem „Elektroflugzeug“ und Sie erhalten eine Liste mit hauptsächlich kleinen, ultraleichten oder selbstfahrenden Segelflugzeugen, bei denen sie nicht viel Energie mit sich führen müssen.

Einen entscheidenden Nachteil haben Batterien gegenüber der Kraftstoffverbrennung für Flugantriebe immer: Das Gewicht bleibt konstant. Verkehrsflugzeuge (insbesondere solche, die für Langstreckenflüge eingesetzt werden) verbrennen im Laufe des Fluges einen großen Teil ihrer Abflugmasse. Batterien hingegen behalten ihre Anfangsmasse konstant bei. Dies ist aus mehreren Gründen ein Problem:

1. Der offensichtlichste Grund für dieses Problem ist, dass für den Flug mehr Energie benötigt wird. Selbst wenn Sie eine Batterie bekommen, die die gleiche Energiedichte wie Kerosin hat und auch stabil ist (wovon wir derzeit weit entfernt sind), muss das Flugzeug die gesamte Masse der Batterien für die gesamte Dauer des Fluges tragen. Somit wird im weiteren Flugverlauf bei einem batteriebetriebenen Flug weit mehr Energie pro Meile verbraucht als bei einem treibstoffbetriebenen, selbst wenn die Batterien die gleiche Energiedichte wie der Treibstoff haben. Das bedeutet auch, dass für die gleiche Reichweite noch mehr Batteriemasse benötigt wird, da dieser Mehrenergiebedarf aus den Batterien kommen muss.

2. Das andere große Problem ist das maximale Landegewicht. Viele Verkehrsflugzeuge sind nicht dafür ausgelegt, mit ihrem maximalen Startgewicht landen zu können, einfach weil es nicht benötigt wird. Dies ist einer der Gründe, warum manchmal Treibstoff abgelassen oder verbrannt werden muss, bevor ein Flugzeug, das nach dem Start auf ein Problem stößt, wieder landen kann. Mit Batterien haben Sie jedoch bei der Landung immer noch das Startgewicht, was bedeutet, dass Sie ein stärkeres Fahrwerk und stärkere Reifen benötigen, was noch mehr Gewicht und Konstruktions-/Herstellungskosten bedeutet. Es bedeutet auch, dass Sie schneller landen (aufgrund des zusätzlichen Gewichts), sodass Sie mehr Landebahnlänge zum Landen benötigen und Bremsen benötigen, die mehr Energie absorbieren können. Die kinetische Energie des Flugzeugs ist gleich der Hälfte seiner Masse mal seiner Geschwindigkeit zum Quadrat,

3. Ein etwas weniger wichtiges, aber immer noch signifikantes Problem ist eine stärkere Beanspruchung der Landebahnoberflächen. Da Flugzeuge jetzt in der Nähe ihres MTOW landen, werden die Oberflächen der Start- und Landebahnen schneller beschädigt und müssen häufiger erneuert und/oder für größere Lasten ausgelegt werden, als dies jetzt der Fall ist. Dies würde wahrscheinlich auch bedeuten, dass das Flugzeug nicht auf so viele Landebahnen zugreifen könnte, wie ein ansonsten gleichwertiges kraftstoffbetriebenes Flugzeug nutzen könnte, bis diese Landebahnen verstärkt wären.

Natürlich könnten Sie damit beginnen, Batteriezellen wegzuwerfen, wenn sie leer sind, aber auch dies hat (offensichtlich) viele Probleme:

1. Um einige Batteriezellen früher als andere zu entleeren, können Sie nicht alle Zellen parallel nutzen, was eine höhere Leistungsaufnahme pro Zelle bedeutet (und somit mehr Wärme, die pro Zeiteinheit pro aktiver Zelle erzeugt wird usw .)

2. Sie müssen das Flugzeug so konstruieren, dass die Zellen sicher über Bord geworfen werden können. Dies ist machbar, erfordert jedoch viele zusätzliche Kosten für den Konstruktionsaufwand und zusätzliches Gewicht.

3. Umweltschützer werden nicht allzu glücklich sein, wenn Sie anfangen, überall riesige Batterien fallen zu lassen. Grundstückseigentümer auch nicht. Bestehende Batteriechemien sind bereits ziemlich korrosiv und eine Batteriechemie mit der Energiedichte von Jet-A wird wahrscheinlich noch korrosiver, instabiler und ansonsten schlechter für alles, worauf sie fallen gelassen wird.

Der größte Vorteil des Elektroantriebs besteht darin, dass elektrische Ventilatoren viel effizienter sind als ein Jet-Turbofan. Ein Jet-Turbofan erzeugt 75–85 % seines Schubs aus dem Fan und 25–15 % aus dem „Kern“-Abgasstrom. Das Prinzip ist, dass je langsamer die beschleunigte Luft ist, desto effizienter erzeugen Sie Schub, da die sehr schnelle Bewegung eines kleinen Luftvolumens bedeutet, dass Sie Energie in der kinetischen Energie der beschleunigten Luftmasse verlieren. Größere (oder mehr) Lüfter, die ein größeres Luftvolumen mit einer langsameren Geschwindigkeit beschleunigen, sind also viel effizienter. Strahltriebwerke tun dies bereits, indem sie einen großen Lüfter vorne mit der dahinter liegenden Kompressorwelle verbinden, und dies ist ein Strahltriebwerk mit hohem Bypass.

Trotzdem erreichen moderne Turbofans weniger als 2 Newton Schub pro kW Energie. Dies liegt daran, dass der Motor selbst einen geringen thermodynamischen Wirkungsgrad hat, gekoppelt mit dem Lüfter, der durch verschiedene Einschränkungen suboptimiert ist, die für eine elektrische Lüfterkonstruktion nicht gelten. Beispielsweise ist der Lüfterdurchmesser durch die Bodenfreiheit und durch die Drehzahl der Antriebswelle des Kompressors begrenzt. Es dreht sich immer noch viel zu schnell und die Spitzengeschwindigkeit kann Überschall erreichen. Dies führt zu drastischen Luftwiderstandsverlusten und Geräuschproblemen. Folglich ist das Bypass-Verhältnis viel zu niedrig für wirklich hohe Effizienz, was nur durch mehrere Lüfter wirklich gelöst werden kann. Durch zusätzliche elektrische Ventilatoren mit gegenläufigen offenen Schaufeln, beispielsweise um das Heck des Rumpfes herum, kann langsame Luft aus dem Flugzeugkörper angesaugt werden, was effizienter ist.

Elektrische Ventilatoren können aufgrund des ca. 4-mal geringeren thermodynamischen Energieverlusts und der langsameren Spitzengeschwindigkeit, der optimalen Drehzahl und der langsameren Luftaustrittsgeschwindigkeit möglicherweise 20 N pro kW überschreiten und wahrscheinlich 35 N pro kW erreichen. Bei hohen Geschwindigkeiten weiß ich jedoch nicht was Leistung, die sie erreichen würden, aber man kann mit Sicherheit sagen, dass es VIEL besser sein wird als ein Turbofan. Folglich kann eine Batterie bei etwa 500 Wh/kg einschließlich Leistungselektronik und Verkabelung potenziell wettbewerbsfähig sein.

Die Motorgewichte hängen von der erforderlichen Leistung ab, da es, wie bereits erwähnt, schwieriger ist, einen großen Kern zu kühlen. Sie möchten jedoch nicht versuchen, den Lüfter eines aktuellen Strahltriebwerks zu ersetzen, sondern mehrere Lüfter mit geringerer Leistung haben, was bedeutet, dass die Leistungsdichte in kW / kg trotz Supraleitern höher sein wird als in den oben aufgeführten Fällen. Kleinere Lüfter können auch schneller drehen, was für diese Art von Motoren geeignet ist.

Wie oben erwähnt, ist das WIRKLICHE Problem nicht die Batterieenergiedichte, sondern die BatterieLEISTUNGSdichte – nicht nur beim Start über genügend Leistung zu verfügen, sondern auch innerhalb von 20–50 Minuten aufzuladen. Da Elektroflugzeuge zunächst nur gegenüber Kurz- und Mittelstreckenflügen wettbewerbsfähig wären, von denen viele innerbetrieblich sind und schnelle Turnaround-Zeiten haben, wird eine Leistungsdichte von etwa 1 kW pro kg benötigt, die die derzeitige Leistungsfähigkeit von Batterien mit hoher Energiedichte übersteigt mit großem Abstand.

Theoretisch könnten wir viel weniger Energie verbrauchen, wenn wir eine höhere Schubeffizienz erzielen könnten (sagen wir 60 Newton pro kW), daher müssten wir nur einen Teil der Batteriekapazität zyklisch wechseln und könnten mit sagen wir 500 W pro kg Ladung/kg davonkommen. Entladestrom). In der Praxis ist die angegebene Leistungsdichte ein Maximalwert, tritt jedoch bei geringerer Energieeffizienz auf und neigt dazu, die Batterielebensdauer zu verkürzen, sodass die Batterie wahrscheinlich eine um 50 % höhere angegebene Leistungsdichte haben müsste, um auf diese Weise effizient zu arbeiten.

110 Newton Schub pro kW Leistung wurden mit elektrostatischen Ionentriebwerken demonstriert (der Typ, der in „Liftern“ verwendet wird, die Sie auf YouTube sehen können), aber diese haben eine geringe Schubdichte, sodass Sie das Gewicht berücksichtigen müssen. Dabei hilft eine Erhöhung der Spannung.

Das Problem, dass das Flugzeug beim Fliegen nicht leichter wird, ist bis zu einem gewissen Grad wichtig, aber die Kosteneinsparung beim Treibstoff und das Potenzial, viele Lüfter zu verwenden, um beispielsweise den Luftstrom um den Flügel zu unterstützen, können den Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit erhöhen und dadurch kompensieren erhöhte Masse im gesamten Flugbereich. Die wahrscheinliche Ausführungsform von gegenläufigen Propellern mit jeweils elektrisch betriebenen Blättern mit variabler Steigung, die sowohl die Spitzengeschwindigkeit als auch den Winkel an die Bedingungen anpassen können, zusammen mit dem langsameren Beschleunigen eines viel größeren Luftvolumens, wird den Gesamtwirkungsgrad stark erhöhen. Elektrischer Antrieb in gegenläufigen Lüftern ist mechanisch viel einfacher als ein Antrieb an einer Diesel- oder Düsenturbine und kann der hohen Geschwindigkeit von Verkehrsflugzeugen angepasst werden (siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Propfan), was zeigt, dass gegenläufige kanallose Ventilatoren Effizienzvorteile bieten können. Lärmprobleme sind eine Funktion der Notwendigkeit, diese Propeller mit einzelnen Strahltriebwerken zu verbinden, was wiederum eine hohe Spitzengeschwindigkeit als Produkt der Beschränkungen des Durchmessers und der hohen Drehzahl des Triebwerks bedeutet. Bei elektrischem Antrieb können mehr Lüfter mit viel langsamerer Spitzengeschwindigkeit verwendet werden, wodurch der erzeugte Lärm erheblich reduziert wird.

Das Gewicht der zusätzlichen Lüfter wird teilweise durch die Gewichts- und Luftwiderstandsgewinne durch das Entfernen der Motorhaube ausgeglichen.

Aufgrund des Wiederaufladeproblems wird die wahrscheinliche Ausführungsform fortschrittliche Motoren mit höherem Wirkungsgrad sein, die die Batterien einmal im Reiseflug und im Sinkflug aufladen und die während des Steigflugs erforderliche Energie nachfüllen. Diese könnten supraleitende Generatoren verwenden, und mit einer angemessenen Batteriereserve sollte das Risiko katastrophaler Generatorausfälle gemildert werden.

Alle Kommentare sehr wahr und gültig. Ich möchte nur hinzufügen, dass Siemens einen 260-kW-Flugzeugmotor mit einem Leistungsgewicht von 5 kW/kg speziell für den einmotorigen ICE-Flugzeugtyp hergestellt und im Flug getestet hat und glaubt, dass das Design so skalierbar ist, dass 100-Sitzer-Hybride der regionalen Serie sein könnten bald Realität. Wichtig zu beachten ist hier, dass Hybride Probleme mit der Batterieenergiedichte sowie dem Start- und Landegewicht angehen und die Elektromotoren die Sicherheit gegenüber herkömmlichen ICEs (Verbrennungsmotoren) dramatisch verbessern.

(Obwohl diese Frage schon lange beantwortet wurde, kann meiner Meinung nach noch etwas hinzugefügt werden, da sie immer wieder gestellt wird und die Technologie nicht völlig statisch ist.)

Schauen wir uns zunächst das Leistungsgewicht an. Die Höchstzahl für Teslas Automotoren liegt bei 8,5 kW/kg. Der Elektroflugzeug-spezifische Emrax 268 liefert etwa 11,6 kW/kg.

Im Vergleich dazu liefert der Trent XWB 430 kN Schub bei 300 m/s Fließgeschwindigkeit, was einer Leistung von 64,5 MW entspricht, in einem Paket von 7.550 kg – ein Leistungsgewicht von 8,5 kW/kg. Dies ist jedoch nicht Äpfel zu Birnen: Dieses Verhältnis gilt für das gesamte Paket, Motor und Lüfter, und misst die nützliche Leistung, wie die Radleistung für ein Auto.

Kurz gesagt, Turbinenmotoren sind immer noch leichter als Elektromotoren, aber der Unterschied ist nicht dramatisch. Wo vollelektrische Triebwerke nicht punkten können, ist die Reichweite. Ich habe es als Antwort auf eine andere Frage näher ausgeführt: Gibt es Hybrid-Elektroflugzeuge? . Kurz gesagt beträgt die maximal mögliche Reichweite eines Elektroflugzeugs 10 Seemeilen pro Prozent seines Gewichts, das für die Batterie aufgewendet wird. Dies begrenzt die Reichweite von Elektroflugzeugen auf 300–450 Seemeilen, wenn man bei den Treibstofffraktionen bekannter Verkehrsflugzeuge bleibt.

Aber es gibt Luftfahrtanwendungen, wo das ausreicht. Die wichtigste nicht erneuerbare Ressource, die von der modernen Luftfahrt verbraucht wird – der Vorrat an Cessnas und Piper aus den 1960er Jahren, ohne die es sich niemand leisten könnte, Pilot zu werden – wird nicht ewig reichen. Sollten die Behörden dies zulassen, könnten massenproduzierte Tesla-Triebwerke Trainer und GA-Flugzeuge zu einem Bruchteil der Betriebskosten eines zertifizierten Avgas-Motors antreiben.

Grob, potenziell, aber es gibt einige wesentliche Unterschiede beim Vergleich eines Strahltriebwerks und des theoretischen „elektrischen Strahltriebwerks“, die sich stark vom Vergleich eines Automotors mit einem motorgetriebenen Elektrofahrzeug unterscheiden.

Am bemerkenswertesten ist, wie bereits erwähnt, dass der Turbolüfter mechanisch durch die durch die Verbrennungswärme angetriebene Expansion der von seinem Kompressor komprimierten Luft angetrieben wird. Bei Reisegeschwindigkeiten (bei denen das Strahltriebwerk optimiert ist) ist dies eine viel treibstoffeffizientere Anordnung als der Reisegeschwindigkeitsbetrieb eines Automobil-Verbrennungsmotors.

Grundsätzlich gibt es zwei Stellen, an denen die freigesetzte Wärme in mechanische Energie umgewandelt wird – erstens wird ein Großteil der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme von der Turbine aufgenommen, die den Kompressor antreibt. Zweitens wandelt die Abgasdüse auch Wärme, die nicht von der Turbine eingefangen wird, in kinetische Energie um, indem sie den Massenstrom durch das Triebwerk beschleunigt und ein durch Wärmeausdehnung erzeugtes Druckdelta durch die Düsengeometrie in ein Geschwindigkeitsdelta umwandelt. Im Vergleich dazu wandelt der Verbrennungsmotor die Abgaswärmeausdehnung in mechanische Energie um, indem er einen linearen Kolben antreibt, und gewinnt keine mechanische Energie durch Abgas. Im Allgemeinen sind Turbinen bei der mechanischen Energieumwandlung effizienter als Kolben. Es gibt auch einen tertiären Wirkungsgrad - nämlich, dass die Verbrennung bei hohen Drücken Wärme effizienter in Druck umwandelt, wenn die Gasdichte höher ist. Daher wird in einem Strahltriebwerk mehr chemische Energie des Kraftstoffs in kinetische Energie umgewandelt als in einem Verbrennungsmotor, einfach aufgrund des höheren Drucks der Verbrennungsreaktion im Strahltriebwerk. Der „Nachteil“ des Düsentriebwerks besteht darin, dass Sie mit einem erheblichen Bruchteil von Mach arbeiten müssen, um die gesamte Anordnung kraftstoffeffizient arbeiten zu lassen, viel schneller, als der Bodentransport sicher bewältigen kann. Daher beherrschen Verbrennungsmotoren die Erde und Düsentriebwerke den Himmel im gegenwärtigen Paradigma. für das Strahltriebwerk ist, dass Sie mit einem erheblichen Bruchteil von Mach arbeiten müssen, um die gesamte Anordnung kraftstoffeffizient arbeiten zu lassen, viel schneller, als der Bodentransport sicher bewältigen kann. Daher beherrschen Verbrennungsmotoren die Erde und Düsentriebwerke den Himmel im gegenwärtigen Paradigma. für das Strahltriebwerk ist, dass Sie mit einem erheblichen Bruchteil von Mach arbeiten müssen, um die gesamte Anordnung kraftstoffeffizient arbeiten zu lassen, viel schneller, als der Bodentransport sicher bewältigen kann. Daher beherrschen Verbrennungsmotoren die Erde und Düsentriebwerke den Himmel im gegenwärtigen Paradigma.

Selbst unter der Annahme einer unbegrenzten Energieversorgung müssten Sie also immer noch einen sehr effizienten Motor auf Energiekosteneffizienzbasis haben. Um zu booten, müssten Sie einen Motor haben, der mit ähnlichen Reisegeschwindigkeiten betrieben wird. Selbst wenn wir die unendliche Stromerzeugung außer Acht lassen, können wir immer noch bedenken, dass mehr Zeit in der Luft ein längerer Zeitrahmen ist, in dem das Flugzeug energieautark sein muss, was im Allgemeinen mehr Masse in der Batterie und/oder der Stromerzeugung entspricht. Mehr Masse senkt den mechanischen Wirkungsgrad auf Basis des Flugzeugbetriebs, da Sie mehr Energie aufwenden müssen, um die zusätzliche Masse zu beschleunigen und abzubremsen.

In einem elektromotorgetriebenen Äquivalent haben Sie also wahrscheinlich immer noch etwas, das einem Turbolüfter ähnelt. Abgesehen davon, dass Ihr Motor hauptsächlich Ihren Kompressorlüfter antreibt und die Turbine hauptsächlich dazu dient, einen Teil der Kompressionsenergie (die auch Wärme erzeugt) in Energie zurückzugewinnen, um bestimmte Motorfunktionen wie Kühlmittel- und Schmierzirkulation anzutreiben, möglicherweise eine gewisse Energieregeneration. Also wahrscheinlich eine kleinere Turbine, aber das stellt Sie vor die unangenehme Tatsache, dass das Komprimieren von Luft als Mittel zur Schuberzeugung nicht sehr energieeffizient ist. Wenn es so wäre, würden wir Flugzeuge mit Druckluft betreiben.

Gemeint ist damit, dass die Elektrifizierung des Flugverkehrs wahrscheinlich nicht der aktuellen Jet-Ära-Technologie ähneln wird. Es liegt innerhalb der Grenzen der bekannten Technologie, die Effizienz von Elektromotoren auf das Problem des Luftverkehrs anzuwenden, aber die resultierende Architektur wird wahrscheinlich sehr unterschiedlich sein, ebenso wie die grundlegende Architektur eines vollwertigen Elektrofahrzeugs anders ist als die eines Benzinfahrzeugs. Dies wird wahrscheinlich auch eine grundlegend andere Infrastruktur bedeuten.

Beispielsweise wird ein Großteil der Energie eines Fluges in der Anfangsbeschleunigung verbraucht, sodass es möglich ist, dass ein Aerial EV mit einem unterstützten Start von einer Landebahn abheben würde, die eher der eines Flugzeugträgers als einer ebenen Straße ähnelt. In ähnlicher Weise könnte die Rückgewinnung der Energie bei der Landung wieder ein System verwenden, das denen auf Flugzeugträgern ähnlicher ist und nur der regenerativen Erfassung und nicht der schnellen Verzögerung dient.

Direkter jedoch besteht das grundlegende Problem darin, Schub bei Geschwindigkeiten nahe Mach zu erzeugen. Die Effizienz von Elektromotoren bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Rotationsenergie wird durch Unterschall- und Überschallströmungsmechanik etwas gemildert, da ein Flugzeug Schub erzeugen muss, indem es einen Luftstrom beschleunigt oder auf die eine oder andere Weise gegen Luft „drückt“. Bei diesen Geschwindigkeiten beginnen Propeller grundsätzlich an Effizienz zu verlieren, und Antriebsmethoden oberhalb dieser Geschwindigkeiten beruhen daher auf der Expansion von Gasen mit Wärmeübertragung in das Gas. Um also in diesen Geschwindigkeitsbereichen wettbewerbsfähig zu sein, muss ein energieeffizientes Mittel zur Übertragung von Wärme auf (Druck-)Luftstrom entwickelt werden, was sich sehr von der einfachen Anwendung bekannter Elektromotortechnologie unterscheidet.

Ja. Worauf Ihre Frage hinausläuft, ist im Wesentlichen:

Kann ein Elektromotor, abgesehen von der Leistungsaufnahme, die gleiche Leistung wie ein Strahltriebwerk innerhalb der Größe und des Gewichts dieses Strahltriebwerks erzeugen?

Damit:

Ist das Leistungsgewicht eines Düsentriebwerks größer als bei Elektromotoren?

und

Ist das Verhältnis von Leistung zu Volumen eines Strahltriebwerks größer als bei Elektromotoren?

https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio#Electric_motors.2FElectromotive_generators

Das in der Boeing 777 verwendete Turbofan-Triebwerk GE90-115B Brayton hat ein Leistungsgewicht von 10,0 kW/kg.

Ein Elektromotor für die Luftfahrt, der EMRAX268, hat eine deutlich geringere Leistung, erreicht aber 10,0 5 kW/kg.

Einige werden besorgt darüber sein, ob die Motoren skaliert werden können, aber wie in der Elektrofahrzeugindustrie zu sehen ist, sind schnelle Elektroautos leicht verfügbar, und die Größe und das Volumen nur des Motors und seiner erforderlichen Komponenten (Kühlung, Steuerung) sind kleiner und kleiner leichter als die Benzinmotoren für jene Fahrzeuge, die in Sachen Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit mithalten können.

Noch aussagekräftiger ist, dass der Elektromotor und seine Komponenten nicht nur leichter und kleiner sind, sondern auch billiger.

Der einzige einschränkende Faktor für die elektrische Luftfahrt ist die Energiequelle, und als Schritt nach vorn entwickelt jeder große Hersteller bereits Hybrid-Elektroflugzeuge. So leistungsfähig Düsentriebwerke auch sind, sie sind immer noch nicht so treibstoffeffizient (und damit emissionseffizient), wie sie sein könnten. Innerhalb eines Jahrzehnts könnten Generatoren, die mit Düsentreibstoff betrieben werden und Elektromotoren antreiben, auf dem Markt erhältlich sein.

Diese Hybridflugzeuge wären nicht möglich, wenn die Elektromotoren in Größe, Gewicht und Leistung nicht mit einem Strahltriebwerk mithalten könnten.

Ja, das könnten sie. Wie Sie sagten, vorausgesetzt, das Problem mit der Stromversorgung wurde gelöst. Im Kern erwärmt ein Strahltriebwerk Luft, nutzt die Expansion, um einen Kompressor anzutreiben, und treibt in den meisten Turbofans den „Propeller“ an. Während derzeit alle Düsentriebwerke brennenden Treibstoff verwenden, um diese Wärme zu erzeugen, sollte es dem zugrunde liegenden Prinzip des Systems egal sein, woher die Wärme kommt. Wenn Sie genug Energie durch elektrische Heizungen im Verbrennungsabschnitt eines ansonsten Standardmotors abgeben könnten, könnten Sie meines Erachtens theoretisch genau denselben Motor mit Strom betreiben.

Für einen modernen Turbofan wären das etwa 35 MW Leistung, die Sie im Abschnitt "Verbrennung" in Lufterhitzer stecken müssten. Dies wäre eine ziemlich große technische Herausforderung, aber ich glaube nicht, dass es theoretisch unmöglich ist. Eine Möglichkeit könnte die Verwendung von Plasmafunken wie bei einem Lichtbogenschweißgerät sein. Auch hier wäre die Elektrodenlebensdauer ein Problem, aber nicht unbedingt unmöglich. Anerkennung für diese Idee kommt von dieser Seite: http://contest.techbriefs.com/2013/entries/aerospace-and-defense/3129

Nun, wir müssen darüber nachdenken, dass Düsentriebwerke in der Lage sind, einen sehr hohen Schub zu liefern, aber dennoch nach dem einfachen Prinzip einer Gasturbine funktionieren. Irgendwie ist es möglich, einen Elektromotor für den Antrieb zu bauen, aber er wird komplex und sehr schwer und leistungsschwächer sein. Die einzige Möglichkeit, wie ein Elektromotor funktionieren würde, besteht darin, den Kern des Strahltriebwerks durch eine Art Elektromotor zu ersetzen, der die Lüfterscheibe drehen und Schub erzeugen kann. Wenn man jedoch bedenkt, wie viel Drehmoment zum Drehen erforderlich ist, um einen angemessenen Schub zu erzeugen, ist dies ein Albtraum. Außerdem benötigt der Motor schwere Batterien.

Abgesehen von Batterie- und Motortechnologien gibt es ein Hauptproblem bei der Anwendung von Elektromotoren in Verkehrsflugzeugen, und das ist die Ladezeit. Verkehrsflugzeuge verdienen nur dann Geld, wenn sie mit zahlenden Passagieren beladen und in der Luft sind; Wenn sie am Boden sind, ist es extrem kostspielig. Herkömmliche chemische Kraftstoffe haben nicht nur eine hohe Energiedichte, sondern lassen sich auch sehr einfach nachfüllen. Das Auftanken eines Passagierflugzeugs dauert nur wenige Minuten – in einigen Fällen bis zu einer halben Stunde, beispielsweise bei einer A-380 oder einer 747. Das Aufladen von Batterien dauert derzeit Stunden, sodass dies erhebliche Auswirkungen auf die Verspätung von Passagier- oder Frachtflügen hätte .

Ich persönlich sehe ein elektrisch angetriebenes Verkehrsflugzeug nicht als brauchbare Alternative zu aktuellen Strahltriebwerken. Die wahrscheinlich sauberste Form des Flugverkehrs wären aktuelle hocheffiziente Düsentriebwerke, die mit einem CO2-neutralen Biodieselkraftstoff betrieben werden.