Nu lyfter världens kraftfullaste elplan

År 2015 flög ett eldrivet tvåpassagerarplan över Engelska kanalen utan en droppe bränsle ombord. Nu tar Airbus nästa steg: Flygplanstillverkaren ska bygga ett delvis elektriskt passagerarplan för 100 passagerare som ska lyfta år 2021.

År 2015 flög ett eldrivet tvåpassagerarplan över Engelska kanalen utan en droppe bränsle ombord. Nu tar Airbus nästa steg: Flygplanstillverkaren ska bygga ett delvis elektriskt passagerarplan för 100 passagerare som ska lyfta år 2021.

Föreställ dig en charterresa år 2050. Du har klickat fast säkerhetsbältet och planet är redo att lyfta.

Motorerna ökar hastigheten, men oljudet uteblir. Du tittar ut genom fönstret.

En rad små elmotorer under planets vingar är i färd med att lyfta dig och dina 99 medpassagerare lodrätt upp i luften.

Samtidigt meddelar planets kapten i högtalaranläggningen att ni kan resa med gott samvete. Flygplanet är inte bara elektriskt – dess kablar, motordelar och andra elektroniska komponenter ombord är framställda av supraledande material som gör flygresan energibesparande.

Faktum är att de nya elektriska flygplanen har hjälpt till att reducera flygtrafikens koldioxidutsläpp med 75 procent.

Så ser drömscenariot ut för flygtrafiken, som enligt flygbolagsorganisationen IATA i dag står för omkring två procent av jordens totala koldioxidutsläpp.

Hos Airbus och Rolls-Royce, som tillverkar flygplan respektive flygplansmotorer, är forskare och ingenjörer redan nu i gång med att utveckla elektrisk luftfart. Och 2021 ska testplanet Airbus E-Fan X lyfta från jordens yta.

En elektrisk motor, med tio gånger större effekt än en elbilmotor, blir kärnan i Airbus första försök att göra flygtrafiken elektrisk.

På E-Fan X har en av de fyra konventionella jetmotorerna bytts ut mot en nyutvecklad elmotor på två megawatt. Trots att motorn bara presterar en tiondel av en jetmotor i ett vanligt passagerarplan ger den hopp om en elektrisk framtid.

När E-Fan X lyfter nästa år blir hybridplanet det första i sitt slag i passagerarklassen och en ny milstolpe i jakten på en mer klimatvänlig flygtrafik.

Elplan korsade Engelska kanalen

Airbus tog det första steget mot en elektrisk framtid den 9 juli 2015 då det lilla, elektriska planet E-Fan, med plats för två personer, genomförde en flygning över Engelska kanalen.

Innan bedriften kan återupprepas med ett passagerarplan måste ett flertal utmaningar dock lösas.

Batterierna är den första utmaningen.

Sedan det vanligt förekommande litiumjonbatteriet introducerades 1991 har batteritekniken genomgått en snabb utveckling. Men batterierna är fortfarande relativt kostbara samt har en vikt och energitäthet som framför allt visar sin otillräckligthet när de används i fartyg, flygplan och andra större transportmedel.

Energitätheten är ett uttryck för hur många watttimmar man får per kilo batteri, och i dag ligger siffran vanligtvis på högst 250 Wh/kg.

Enligt forskning från Nasa krävs det minst en fyrdubbling – det vill säga 1 000 Wh/kg – för att göra batterierna användbara i ett flygplan i passagerarstorlek.

Supraledning ökar effektivitet

E-Fan X ska använda en helt ny elektrisk motor som har utvecklats av en avdelning av Siemens.

Avdelningen köptes 2019 upp av Rolls-Royce och motorn är med en effekt på två megawatt omkring 30 gånger kraftfullare än motorn i föregångaren E-Fan, som korsade Engelska kanalen.

©

Koldioxiddröm kräver mer kraftfulla elmotorer

Även om den nyutvecklade elmotorn till E-Fan X ger en omkring 30 gånger högre effekt än elmotorerna på föregångaren E-Fan har vi ännu inte nått till den punkt där alla de traditionella jetmotorerna på ett passagerarflygplan kan bytas ut mot elektriska passagerarflygplan. E-Fan X-motorns effekt på två megawatt utgör nämligen bara tio procent av den prestanda som vanliga jetmotorer i passagerarflygplan ger, som exempelvis de i dagens Airbus A320-klassen. De ligger på cirka 20 megawatt, och därför måste ingenjörerna hos exempelvis Rolls-Royce lägga manken till för att optimera motorns formgivning och prestanda ytterligare.

Grafen visar utvecklingen av elflygplanens motorer på en logaritmisk skala.

Airbus och Rolls-Royce har ännu inte bestämt hur stort batteri E-Fan X ska utrustas med, men de har sagt att vikten hamnar på två ton.

En energitäthet på 250 Wh/kg kan räknas om till en batterikapacitet på 500 kWh, motsvarande fem gånger större än batteriet i en stor elbil i dag.

Stämmer den siffran kommer elmotorn att kunna drivas vid full effekt i 15 minuter som hjälpmotor under start och landning. Airbus föreställer sig på sikt att elmotorerna ska kunna "vända" sin funktion när planet är i luften och fungera som en generator som laddar upp batterierna igen.

I sin första version utrustas dock E-Fan X med en tvåmegawatts generator. Den drivs av en gasturbin som laddar upp batteriet.

För att luftfarten ska bli 100 procent elektrisk krävs det dock mer än kraftfulla elmotorer.

Motorerna måste dessutom tillverkas av lätta, supraledande material. När material är supraledande möter strömmen inget elektriskt motstånd och får därmed en oerhörd effektivitet.

Det är nödvändigt för att ett flygplan ska kunna tillryggalägga långa distanser över kontinenter eller världshav uteslutande med hjälp av energi från batterier.

Flera elmotorer ger ökad lyftkraft

En stor fördel med elmotorerna är att de är mindre än traditionella jetmotorer.

Det beror bland annat på att elmotorerna inte behöver någon växellåda med flera steg eftersom hastigheten styrs genom att variera frekvensen av den växelström som driver runt motorn.

Den mindre storleken öppnar upp för nya sätt att formge flygplan. De två jetmotorer som man vanligtvis ser under varje vinge på ett passagerarplan kan exempelvis ersättas med flera små elmotorer.

©

Elmotor ersätter jetmotor

En av planets fyra jetmotorer ersätts med en elmotor utvecklad av Rolls-Royce som har tagit över Siemens elmotoravdelning. Motorn driver den fläkt som suger in luften genom motorn och släpper ut den där bak för att ge flygplansvingarna lyftkraft och flygplanet framdrivning.

©

Batterier levererar ström till motorn

Kapaciteten på batteripaketet som ska driva den elektriska motorn i E-Fan X är inte avgjord ännu. Batteriet förväntas dock väga flera ton, och vid en energitäthet på 250 Wh/kg kommer kapaciteten därför att vara omkring fem gånger större än batterikapaciteten i en stor elbil.

©

Generator hjälper under start

Målet är att planets motor ska drivas uteslutande med el från batteriet. Airbus har dock även utrustat det första testplanet med en generator som levererar el tillsammans med batteriet när elmotorn behöver prestera extra, som exempelvis under start.

Det blir lättare för ett flygplan med många små elmotorer att komma upp i luften än ett plan med färre men stora jetmotorer. Det beror på att elmotorerna är mindre och därmed genererar mindre luftmotstånd än jetmotorer. Samtidigt har elmotorerna en hög prestanda i förhållande till sin vikt – det så kallade effekt-/viktförhållandet – under vissa varv och hastigheter. Det optimerar flygplansvingens möjlighet att skapa lyftkraft.

Rymdorganisationen Nasa testar för tillfället konceptet med testplanet X-57 Maxwell, som är utrustat med en stor huvudmotor och sex mindre motorer under varje vinge.

Under start samarbetar de tolv små motorerna med de två stora. Detta ökar vindhastigheten på vingens övre sida och lyftkraften därmed större.

När flygplanet har uppnått önskad höjd behövs inte längre de små elmotorerna. De stoppar och propellrarna fälls ut bakåt i linje med flygriktningen vilket minskar vindmotståndet.

VIDEO: Se hur elmotorn i Airbus fungerar.

Nya plan kan lyfta på plats

Små elmotorer gör det dessutom möjligt att lyfta och landa lodrätt.

Genom att elmotorerna kan fällas så att propellrarna kan befinna sig i både lod- och vågrätt läge blir det i princip möjligt att få ett flygplan att lyfta som en helikopter.

Därefter kan motorerna vändas som på ett vanligt flygplan för att till slut vändas igen så att planet även kan landa som en helikopter.

Två megawatt är effekten av E-Fan X nyutvecklade elmotor.

En tredje fördel med de mindre elmotorerna är att de är mer tystgående än förbränningsmotorn.

Om Airbus lyckas genomföra testflygningen av E-Fan X 2021 har flygplanstillverkaren tagit det första steget mot att kunna förvandla vanliga passagerarplan till hybridplan som kan spara in bränsle under resan och minska flygbranschens koldioxidutsläpp.

Många tekniska frågor återstår att besvara innan vi kan åka på semester med helt klimatvänliga flygplan som uteslutande drivs av elmotorer och batterier.

Blir elmotorerna tillräckligt kraftfulla och batterierna samtidigt billigare och mer effektiva så har vi kommit en bit på väg mot en framtid med tystgående och klimatvänlig flygtrafik.