Kietojo kūno baterijos: naujas etapas elektrinėje aviacijoje

Trumpas perskridimas virš Floridos oro uosto kelias nervingas minutes atrodė tarsi ateitis pradėtų kvėpuoti atsargiai.

Birželio 5 d. Zephyrhills miesto oro uoste bandomasis lakūnas Miguel Iturmendi vedė Helios Horizon, pilotuojamą fiksuoto sparno orlaivį, per seriją trumpų eksperimentinių skrydžių. Tai nebuvo tolimo nuotolio triumfai. Tai buvo atsargūs, metodiški svorio, balanso ir valdymo patikrinimai po įprastų elementų pakeitimo kietojo kūno baterijomis. Vis dėlto šis momentas yra reikšmingas: tai pirmasis užfiksuotas pilotuojamas fiksuoto sparno skrydis, varomas kietojo kūno ląstelių.

Kodėl tai svarbu? Todėl, kad elektrinė aviacija ilgai buvo suvaržyta vienos atkaklios fizikos problemos: energijos kiekio kilogramui. Tipinės ličio jonų baterijos, ta pati pagrindinė chemija, naudojama elektriniuose automobiliuose ir daugelyje dronų, remiasi skystais elektrolitais ir sunkiai talpina pakankamai naudingos energijos komerciniams atstumams. Lėktuvams reikia daug didesnio energijos tankio nei automobiliams. Svoris negailestingas.

Kietojo kūno chemija pakeičia šią lygtį. Pakeitus skystą elektrolitą kietuoju, atsiranda keli praktiniai privalumai: geresnis atsparumas pradurimams, mažesnė gaisro rizika, patobulintas šiluminis stabilumas ir, svarbiausia, daug didesnis energijos tankis. Helios Horizon atveju komanda praneša, kad energijos tankis išaugo nuo maždaug 260 Wh/kg su ankstesne ličio jonų sistema iki apie 410 Wh/kg, naudojant naujas kietojo kūno ląsteles, tai beveik 60 procentų šuolis. Iturmendi ir jo kolegos tikisi tolesnių patobulinimų; komanda prognozuoja dar maždaug 40 procentų padidėjimą per keletą metų.

Šios baterijos taip pat geriau dera su esama infrastruktūra. Jas galima įkrauti iš įprasto kintamosios srovės tinklo ir jos palaiko greitą įkrovimą, projekto teigimu iki 80 procentų per mažiau nei 15 minučių. Helios Horizon nepasikliauja vien tik baterijomis. Ant sparnų priklijuotos saulės plokštės ir energijos atgavimo sistema, paverčianti propelerį generatoriumi leidimosi metu, išradingais, paprastais būdais pratęsia skrydžio nuotolį. Pavadinkime tai regeneraciniu skrydžiu.

Orlaivis iš pradžių buvo varomas Pipistrel Taurus sklandytuvas. Plėtros komanda įdiegė specialiai sukurtą baterijų valdymo sistemą, individualią propulsijos įrangą, temperatūros valdymo sprendimus ir saulės papildinius. Platforma jau įrodė savo skrydžio gebėjimus: anksčiau orlaivis pasiekė 7 315 metrų, o kitas tikslas yra 12 192 metrų, aukštis, dažnai nurodomas kaip komercinio kruizo lygis.

Helios Horizon nėra vienintelis. Kinijos EHang išbandė dvivietį vertikalaus pakilimo prototipą EH216-S su ličio-metalo kietojo kūno ląstelėmis ir užfiksavo 48 minučių nepertraukiamą skrydį su energijos tankiu apie 480 Wh/kg. CATL pristatė kompaktišką ląstelių koncepciją, siekiančią apie 500 Wh/kg, ir teigia, kad aviacijos bandymai vyksta. Europoje Airbus ir Renault atidarė bendrą mokslinių tyrimų ir plėtros kanalą, siekdami maždaug padvigubinti dabartinius energijos tankius, kad vidutinio nuotolio elektriniai ar hibridiniai laineriai būtų įmanomi 2030-aisiais.

Tačiau prototipo sėkmė yra tik pradžia. Sertifikavimas, reguliavimo patvirtinimai ir metai patikimumo bandymų skiria šiuos demonstratorius nuo kasdieniškų oro linijų operacijų. Vis dėlto kiekvienas nuoseklus ląstelių chemijos šuolis ardo senas ribas.

Kol kas Helios Horizon skrydis atrodo kaip pažadas: fizikos dėsniai, kurie anksčiau pririšo elektrinius orlaivius prie labai trumpų skrydžių, ima silpnėti. Ar kietojo kūno ląstelės taps kibirkštimi, kuri pagaliau įžiebs kasdienius elektrinius skrydžius? Dėmesys kryps į kitas aukštybes ir būsimus baterijų duomenis, kad tai sužinotume.