上周看到了一个相当不寻常的飞行计划。挪威交通部长兼主要机场运营商Avinor的首席执行官乘坐一架双人小型飞机在奥斯陆机场快速飞行了一圈。平淡无奇——除了那架飞机α电二世,完全由电池供电。

对于制造Alpha Electro II的斯洛文尼亚公司Avinor和Pipistrel来说,这只是航空革命的开始:电动飞机的崛起。挪威的目标是所有的短途航班——到2040年,使用电动飞机续航时间不超过1.5小时。他们不是唯一的:空客、波音、劳斯莱斯是投资研发电动飞机的公司之一。

原则上,电动飞机拥有电动汽车的所有优点。它们更安静,更高效,最重要的是,电力可以再生,不使用化石燃料。全球航空业目前占碳排放量的2.5%但是,这是一个非常顽固的2.5%,预计会随着乘客数量的增长而增长未来20年翻一番。航空业一直在努力直接减少化石燃料的使用,不得不接受承诺通过植树来抵消排放量的增加。

如果挪威实现了目标,它将扩大该国令人印象深刻的电气化记录;超过一半的2017年销售的新车都是电动汽车政府计划到2025年完全停止销售化石燃料汽车。但是电动飞机会不会太过火了呢?

就像早期的汽车试验涉及电动和汽油驱动的车辆一样,电动飞行也有着悠久的历史。电动汽车占汽车总销量的三分之一早在1900年,像挪威这样的国家才开始有类似的数据。有几艘飞艇是电动的,用Tissandier兄弟在1883年在莱特兄弟的滑翔机升空之前驾驶电动飞船。

然而,电动飞机是一个非常不同的命题。关键问题是能量密度。不难看出为什么这是一个问题。的喷气燃料的能量密度约为43 MJ/kg这几乎是煤炭的两倍,是木材的三倍。把这个和a比较一下传统的铅酸电池,其能量密度约为30 Wh/kg。

这是至关重要的,因为飞机燃料的重量是决定其航程的一个重要参数。燃料约占飞机总重量的45%典型的长途飞机因此,将航空燃料转换为需要400倍质量才能存储相同能量的电池是不现实的。著名的宝玑区间方程它告诉你,使用更高效的发动机,你可以行驶得更远——但不足以弥补燃料重量增加400%的损失。

出于这个原因,第一电动飞机直到1973年才开始飞行当镍镉电池首次被发明时,电动飞机的任何未来发展都将与我们的能力密切相关做出更好的电池有更高的能量密度。

已经有了一些改善。1973年的那次飞行?它持续了8到15分钟。莱特兄弟的第一次飞行是不到一分钟就完了但那是70年前的事了。斯图加特大学(University of Stuttgart)开发的“e-Genius”(e-Genius)等轻型原型机现在可以飞了几个小时但这架仅搭载两名机组人员的飞机不太可能在短时间内取代所有短途航班。

挪威的电动飞机使用电池大约120公斤特制的锂聚合物电池,包含周围21千瓦时的能量。这相当于大约175Wh/kg的能量密度。比特斯拉Model S稍微多一点,是157Wh/kg,但仍远不及航空燃料。

这就是电动汽车和使用现有电池技术的电动飞机之间的区别。是的,特斯拉的车可能比同等燃料动力的车稍重,但其行驶里程可与耗油车(S型车行驶335英里vs 375英里平均有一个15加仑的油箱)。电动飞机的飞行距离和重量都比不上燃料飞机,而飞机主要用于长途运输。挪威2040年的短途飞行目标似乎很乐观。

怎样才能让电子飞行成为现实呢?电池因电动机效率的提高而得到提升——它们确实如此三倍的效率这就降低了相同性能所需的电池质量。阿尔贡运输研究中心(Argonne Center for Transportation Research)主任唐•希勒布兰德(Don Hillebrand)表示,1000瓦时/公斤就足以开始考虑电气化短途航班了。这比现代科技进步了六倍。

引用《连线》杂志,他说:“1000 Wh/kg这个数字大约相当于汽油能量密度的三分之一,但这已经足够了。以我们目前的创新速度,并考虑到动力系统效率的相对差异,我们预计电池将足以为小型飞机提供实际使用的动力。”

电池能量密度为目前每年稳定增长7%到8%,但许多业内人士认为我们正在接近锂离子电池的极限理论上可以达到,而且这个极限很可能在我们达到短途飞行的临界阈值之前很久就会达到。

锂离子或许足以使汽车电动化,但我们使用的电池的另一个飞跃,就像20世纪70年代第一架电动飞机起飞时所做的那样,将使短途飞行电动化的梦想成为现实。

即将发生什么?不同的电池化学总是活跃的研究领域。一个原型钠离子阴极的能量密度为650Wh/kg,镁离子电池的研究已经有多年的历史理论上更高的能量密度限制(750 wh /公斤报道)。锂空气电池的一部分能量来自周围的氧气,甚至可以达到2000 wh /kg

然而,到目前为止,这些原型机在安全性、稳定性以及电池需要更换前的充电周期数方面都面临着困难。电动飞机可能比化石燃料飞机便宜很多,但持续更换电池是否经济还有待观察。当锂离子电池被限制使用时飞机出于安全考虑在美国,使用试验性、不安全电池的飞机似乎不太可能在短期内飞上天空。使用燃料电池的混合飞机在未来的几十年里,利用天然气更高的能量密度可能会成为短途飞行的绿色替代品。

尽管挑战重重,电动飞机还是大有希望的。许多不同的力量推动着电池技术的改进,尤其是电动汽车和将更多可再生能源整合到电网的能源存储。

图片来源:阿图尔Buibarov/Shutterstock.com

托马斯·霍尼戈德是牛津大学物理系的学生。当他不去探究宇宙的时候,他主持了一个名为“身体吸引力”的播客,解释物理学——每次一句搭讪的话。

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