Nytt koncept för ett hybridelektriskt flygplan kan minska luftfartens problem med föroreningar

Pipistrel Velis Electro är ett slovensk lättflygplan designat och tillverkat av Pipistrel från Ajdovščina. Flygplanet certifierades som helt elektriskt av europeiska unionen organisation EASA CS-LSA i juni 2020. Planet är huvudsakligen avsett för träningsflyg. Designen är det första typcertifierade elflygplanet och levereras komplett och efter laddning är planet redo att flyga. Alpha Electro har en räckvidd på runt 15 mil vid full laddning som tar cirka 40 minuter. Foto: Pipistrel

Av Markku Björkmann

Föreslagen design kan minska kväveoxidutsläppen med 95 procent, visar en ny studie som nyligen genomfördes av Massachusetts Institute of Technology, MIT.

På flyghöjd avger flygplan en stadig ström av kväveoxider i atmosfären, där kemikalierna dröjer kvar och producerar därmed kväve och andra fina partiklar.

Kväveoxider, eller NOx, är en viktig källa till luftföroreningar och har associerats med astma, andningssjukdomar och hjärt- och kärlsjukdomar. Tidigare forskning har visat att produktionen av dessa kemikalier på grund av global luftfart resulterar i 16 000 för tidiga dödsfall varje år.

Nu har MIT-ingenjörer tagit fram ett koncept för flygplansdrift som enligt deras uppfattning skulle eliminera 95 procent av flygets NOx-utsläpp och därmed minska antalet tidiga dödsfall med 92 procent.

Konceptet är inspirerat av utsläppskontrollsystem som används i marktransportfordon. Många tunga dieselbilar har idag utrustats med system för kontroll av utsläpp, som orsakas av förbränning. För att minska NOx som genereras av motorer, föreslår forskarna nu liknande teknik för flygplan.

Dagens flygplan drivs av jetmotorer förankrade under varje vinge. Varje motor rymmer en gasturbin som driver en propeller som förflyttar planet framåt genom luften samtidigt som avgas från turbinen strömmar ut bakåt. På grund av denna konfiguration har det inte varit möjligt att använda utsläppskontrollanordningar, eftersom de skulle störa kraften som produceras av motorerna.

I forskarnas nya hybridelektriska eller ”turboelektriska” modell förses ett flygplan fortfarande med en kraftkälla i form av en konventionell gasturbin, men den skulle istället integreras i flygplanets lastrum.

I stället för att direkt driva propellrar eller fläktar skulle gasturbinen driva även en strömalstrare i form av en generator, placerad i lastrummet, för att producera el, som sedan skulle driva flygplanets vingmonterade, eldrivna propellrar eller fläktar med hjälp av elektricitet.

Utsläppen från gasturbinen matas in i ett system för utsläppskontroll som i stort sett liknar de som finns i dieselfordon. Metoden skulle rengöra avgaserna redan innan de matas ut i atmosfären.

- Detta skulle fortfarande vara en enorm teknisk utmaning, men det finns inga grundläggande fysikaliska begränsningar, säger Steven Barrett, professor i flyg- och astronautik vid MIT.

- Senaste årens forskning visar att man förmodligen kan förse mindre flygplan med elektrisk energi, men för stora flygplan kommer det inte att ske när som helst utan efter ganska stora genombrott inom batteriteknik. Barret och hans team tänkte att de kunde utnyttja den elektriska framdrivningsdelen från befintliga elflygplan och gasturbiner som har funnits länge och som är ytterst pålitliga och mycket effektiva.

- Forskarna kombinerade dessa komponenter med den tekniken som används i utsläppskontrollanordningen, och som används i fordonsindustrin och i markkraft för att åtminstone möjliggöra halvelektrifierade flygplan för passagerartrafik.

Detaljerna i den nya motordesignen, inklusive analyser av dess potentiella bränslekostnad och hälsoeffekter, publicerades nyligen i tidskriften Energy and Environmental Science.

Tidningens medförfattare är Prakash Prashanth, Raymond Speth, Sebastian Eastham och Jayant Sabnins, alla medlemmar i MIT:s laboratorium för luftfart och miljö.