W animowanym serialu The Jetsons z lat 60. XX wieku George Jetson dojeżdża do pracy w swoim rodzinnym samochodzie latającym, który cudownie zamienia się w teczkę pod koniec podróży.
Nowe badanie wpływu latających samochodów na zrównoważony rozwój środowiskowy, formalnie znane jako elektryczne pionowe samoloty startowe i lądujące, lub VTOL, stwierdza, że nie byłyby one odpowiednie do krótkich dojazdów w stylu Jetsonów.
Jednak badania VTOL – które łączą wygodę pionowego startu i lądowania jak helikopter ze skutecznym aerodynamicznym lotem samolotu – mogłyby odegrać niszową rolę w zrównoważonej mobilności na dłuższe podróże, zgodnie z badaniem zaplanowanym na 9 kwietnia w Nature Communications . Kilka firm na całym świecie opracowuje prototypy VTOL.
Latające samochody byłyby szczególnie cenne w zatłoczonych miastach lub w miejscach, w których występują ograniczenia geograficzne, w ramach usługi taksówkowej typu ride-share, według autorów badań z Center for Sustainable Systems Uniwersytetu Michigan i Ford Motor Co.
„Dla mnie było bardzo zaskakujące, że VTOL były konkurencyjne pod względem zużycia energii i emisji gazów cieplarnianych w pewnych scenariuszach” – powiedział Gregory Keoleian, starszy autor badania i dyrektor Centrum Zrównoważonych Systemów w Szkole Ochrony Środowiska UM. i zrównoważony rozwój.
„VTOL z pełną obsadą mogą przewyższać samochody naziemne na przykład z podróży z San Francisco do San Jose lub z Detroit do Cleveland”, powiedział.
Badanie UM-Ford, pierwsza kompleksowa ocena zrównoważonego rozwoju VTOL, dotyczyła zużycia energii, emisji gazów cieplarnianych i oszczędności czasu VTOL w porównaniu z naziemnymi samochodami osobowymi. Chociaż VTOL wytwarzają zero emisji podczas lotu, ich akumulatory wymagają energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach.
Naukowcy odkryli, że w przypadku podróży 100 km (62 mil), w pełni załadowany VTOL z pilotem i trzema pasażerami miał niższą emisję gazów cieplarnianych niż samochody naziemne o średniej liczbie pasażerów 1,54. Emisje związane z VTOL były o 52 procent niższe niż w pojazdach benzynowych io 6 procent niższe niż w pojazdach z akumulatorem elektrycznym.
Akshat Kasliwal, pierwszy autor badania i absolwent w UM School for Environment and Sustainability, powiedział, że odkrycia mogą pomóc w zrównoważonym wdrażaniu powstającego systemu mobilności przed jego komercjalizacją.
„Dzięki tym VTOL istnieje możliwość wzajemnego dostosowania spraw związanych ze zrównoważonym rozwojem i biznesem” – powiedział Kasliwal. „Wysoka emisja pasażerów jest nie tylko lepsza, ale także sprzyja ekonomice latających samochodów. Ponadto, konsumenci mogliby być zachęcani do dzielenia się podróżami, biorąc pod uwagę znaczne oszczędności czasu wynikające z latania w porównaniu z jazdą”.
W nadchodzących dziesięcioleciach globalny sektor transportu staje przed wyzwaniem sprostania rosnącemu zapotrzebowaniu na wygodną mobilność pasażerów przy jednoczesnym zmniejszeniu zatłoczenia, poprawie bezpieczeństwa i łagodzeniu zmian klimatycznych.
Pojazdy elektryczne i zautomatyzowana jazda mogą przyczynić się do osiągnięcia niektórych z tych celów, ale są ograniczone zatorami na istniejących drogach. VTOL mogą potencjalnie pokonać niektóre z tych ograniczeń, umożliwiając pilotażowe usługi taksówkowe lub inne miejskie i regionalne usługi lotnicze.
Kilka korporacji lotniczych i firm startupowych – na przykład Airbus, Boeing, Joby Aviation i Lilium – oraz agencje takie jak NASA opracowały prototypy VTOL. Jednym z krytycznych czynników zwiększających wydajność tych statków powietrznych jest rozproszony napęd elektryczny, czyli DEP, który obejmuje użycie kilku małych, napędzanych elektrycznie pędników.
Naukowcy z UM i Forda wykorzystali publicznie dostępne informacje z tych źródeł i innych, aby stworzyć oparty na fizyce model, który oblicza zużycie energii i emisję gazów cieplarnianych dla elektrycznych VTOL.
„Nasz model reprezentuje ogólne trendy w przestrzeni VTOL i wykorzystuje parametry z wielu badań i projektów samolotów w celu określenia ciężaru, stosunku siły nośnej do siły nośnej i energii specyficznej dla baterii” – powiedział Noah Furbush, współautor badania i student magistra w UM College of Engineering.
„Ponadto przeprowadziliśmy analizy wrażliwości, aby zbadać granice tych parametrów, a także inne czynniki, takie jak natężenie węgla w sieci i prędkość wiatru” – powiedział Furbush, który jest również członkiem drużyny piłkarskiej UM.
Badanie rozpoczęło się, gdy Kasliwal i Furbush byli stażystami letnimi w Ford. Prace kontynuowano, gdy uczniowie wrócili do Ann Arbor, z pomocą grantu Ford-University of Michigan Alliance.
Naukowcy przeanalizowali zużycie energii pierwotnej i emisję gazów cieplarnianych podczas pięciu faz lotu VTOL: zawis na zawisie, wznoszenie, rejs, zejście i lądowanie. Te samoloty zużywają dużo energii podczas startu i wznoszenia, ale są stosunkowo wydajne w fazie przelotu, podróżując z prędkością 150 mph. W rezultacie VTOL są najbardziej energooszczędne podczas długich podróży, gdy faza rejsu dominuje całkowite mile lotu.
Jednak w przypadku krótszych podróży – mniej niż 35 km (22 mile) – pojazdy z pojedynczym spalaniem w spalaniu wewnętrznym zużywały mniej energii i powodowały mniej emisji gazów cieplarnianych niż pojedyncze VTOL. To ważny czynnik, ponieważ średni dojazd do pojazdu naziemnego wynosi tylko około 17 kilometrów (11 mil).
„W rezultacie podróże, w których VTOL są bardziej zrównoważone niż samochody benzynowe, stanowią tylko niewielką część całkowitej rocznej liczby przejechanych pojazdów” – powiedział współautor badania Jim Gawron, absolwent UM School for Environment oraz Zrównoważony rozwój i Ross School of Business. „W związku z tym VTOL będą ograniczone pod względem swojego wkładu i roli w zrównoważonym systemie mobilności”.
Nic dziwnego, że VTOL ukończył 100-kilometrową wycieczkę w przypadku bazy znacznie szybciej niż pojazdy naziemne. Tor lotu VTOL od punktu do punktu, w połączeniu z wyższymi prędkościami, spowodował oszczędność czasu o około 80 procent w stosunku do pojazdów naziemnych.
„Generalnie oczekuje się, że elektryfikacja samolotów zasadniczo zmieni przemysł lotniczy w najbliższej przyszłości” – powiedział Furbush.
Autorzy badania zauważają, że wiele innych kwestii wymaga odpowiedzi, aby ocenić żywotność VTOL, w tym koszty, hałas oraz akceptację społeczną i konsumencką.
