Nu lyfter världens kraftfullaste elplan

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.

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.

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.

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.