Et av hovedmålene for romfartsorganer og kommersielt romfart i disse dager er å redusere de tilhørende kostnadene for romutforskning. Men det er ikke bare kostnadene for å sende nyttelast ut i verdensrommet (og forurensningen det forårsaker) som angår etater som NASA.
Det er også kostnadene (økonomiske så vel som miljømessige) forbundet med luftfart. Jet drivstoff er ikke billig, og kommersielle flyreiser utgjør 4 til 9% av menneskeskapte klimagasser (og er på vei opp). Av denne grunn har NASA inngått et samarbeid med den kommersielle industrien for å utvikle elektriske fly, som de håper vil gi et drivstoff- og kostnadseffektivt alternativ til kommersielle jetfly innen 2035.
Dette representerer en betydelig utfordring siden mange av komponentene som trengs for å lage et fungerende elektrisk fly er ganske store og tunge. Spesielt leter NASAs Advanced Air Vehicles Program (AAVP) etter lette og kompakte vekselrettere - en sentral komponent i et elektrisk system som gir kraft til å drive den elektriske motoren.
Omformere er avgjørende for elektroniske fremdriftssystemer siden de konverterer vekselstrøm (AC) - generert av motormonterte generatorer og elektriske motorer drevet av propeller - til høyspennings-likestrøm (DC). Dessverre har komponentene som trengs for å generere den mengden strøm - generatorer, kraftkonverteringselektronikk, motorer, etc. - historisk sett vært altfor store og tunge til å passe inn i et fly.
Dette skaper noe av en conundrum siden energimengden som trengs for å generere den nødvendige løftingen vil kreve enda tyngre elektronikk. Derfor grunnlegger NASA nyskapende materialvitenskap for å lage lettere og mindre elektronikk. I den forbindelse signerte de nylig en kontrakt på 12 millioner dollar med General Electric (GE), en av verdens ledende innen utvikling av avansert silisiumkarbid (SiC) teknologi.
Dette halvledende mineralet brukes til fremstilling av høgtemperatur, høyspenningselektronikk, og GE håper å kunne bruke det for å oppfylle kravene til størrelse, kraft og effektivitet spesifisert av NASA. Disse spesifikasjonene krever en omformer som ikke er større enn en koffert og som kan generere en megawatt (MWs) strøm.
Som Jim Heidmann, leder for NASAs Advanced Air Transport Technology Project, forklarte i en pressemelding fra NASA:
"Vi er på et kritisk tidspunkt i luftfartshistorien fordi vi har en mulighet til å utvikle systemer som vil redusere kostnader, energiforbruk og støy, samtidig som vi åpner for nye markeder og muligheter for amerikanske selskaper. Det er viktig at vi samarbeider med industri og akademia for å sikre at de rette teknologiene er tilgjengelige for å imøtekomme fremtidige passasjerer og transportører. "
Enkelt sagt er en megawatt en enorm mengde strøm, og det er en stor utfordring å håndtere den typen strøm trygt. For eksempel NASAs
Men takket være fremskritt som er gjort innen elektronikk og hybridmotorteknologi de siste årene, kan disse kravene være innen rekkevidde. Sa Amy Jankovsky, leder av delprosjektet Hybrid Gas-Electric Propulsion ved NASAs Glenn Research Center:
"Med nylige fremskritt innen materialer og kraftelektronikk begynner vi å overvinne utfordringene i å utvikle energireduserende elektrifiseringskonsepter, og dette inverterarbeidet er et kritisk skritt i vår elektrifiserte fremdriftsinnsats. Vårt partnerskap med GE er nøkkelen til å fremme flyvekt og flyklare komponenter i megawatt-klassen for fremtidige transportfly. ”
Silisiumkarbid er spesielt lovende for applikasjoner med høy effekt på luftfart på grunn av dens materialegenskaper. Den tilbyr høye driftstemperaturer, høyspenning og høy kraftbehandlingskapasitet. Disse fordelene vil gi ingeniører muligheten til å designe komponenter som er mindre i størrelse og lettere og samtidig øke effekten.
"Vi pakker egentlig en megawatt kraft i størrelsen på en kompakt koffert som vil konvertere nok elektrisk kraft til å muliggjøre hybridelektrisk fremdriftsarkitektur for kommersielle fly," sa Konrad Weeber, sjefingeniør for elektrisk kraft hos GE Research. "Vi har med suksess bygget og demonstrert omformere på bakkenivå som oppfyller kraften, størrelsen og effektiviteten til elektrisk flyging."
Utviklingen av disse elektriske systemene som for øyeblikket finner sted på NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) i Sandusky, Ohio, som tidligere var NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Den første i sitt slag, denne rekonfigurerbare testbed, er ladet med å designe, utvikle, montere og teste de elektriske flykraftsystemene som skal gå inn i opprettelsen av alt fra to-personers fly til 20 MW flylinjer.
Tilbake i mai kunne NEAT gjennomføre sin første test med megawatt-skala takket være de enorme mengdene strøm anlegget har tilgang til. Dette og det nylig signerte partnerskapet med GE kommer like etter at NASA kunngjorde et nytt lukrativt partnerskap med GE og to store luftfartsselskaper - Boeing og United Technologies Pratt & Whitney - for å studere mulige fordeler og risikoer ved megawatt-skala flydemonstrasjoner.
Som Barb Esker, visedirektør for NASAs Advanced Air Vehicles Program, sa det:
"Flydemonstrasjonene er en viktig del av teknologiutviklingen fordi de tilbyr våre ingeniører og industripartnere muligheten til å utarbeide problemstillinger og bevise konsepter i en realistisk setting, samtidig som de takler utfordringene som elektrifisert fremdrift i luftfarten står overfor."
Mellom trusselen om klimaendringer og det faktum at verdens befolkning anslås å nå nærmere 10 milliarder innen 2050, er det tydelig at det må utvikles alternative produksjonsmidler, energiproduksjon og transport. Det er godt å vite at vi sammen med elektriske og hybridbiler kan se frem til elektriske og hybridfly.
