Eines der Hauptziele von Weltraumagenturen und kommerzieller Luft- und Raumfahrt ist heutzutage die Reduzierung der damit verbundenen Kosten für die Erforschung des Weltraums. Aber nicht nur die Kosten für das Versenden von Nutzlasten in den Weltraum (und die damit verbundene Umweltverschmutzung) betreffen Agenturen wie die NASA.
Es gibt auch die Kosten (sowohl ökonomisch als auch ökologisch), die mit der Luftfahrt verbunden sind. Düsentreibstoff ist auch nicht billig, und kommerzielle Flugreisen machen 4 bis 9% der anthropogenen Treibhausgase aus (und nehmen zu). Aus diesem Grund hat die NASA in Zusammenarbeit mit der kommerziellen Industrie Elektroflugzeuge entwickelt, von denen sie hoffen, dass sie bis 2035 eine treibstoff- und kosteneffiziente Alternative zu kommerziellen Jets darstellen.
Dies stellt eine erhebliche Herausforderung dar, da viele der Komponenten, die zur Schaffung eines funktionierenden Elektroflugzeugs benötigt werden, ziemlich groß und schwer sind. Das Advanced Air Vehicles Program (AAVP) der NASA sucht insbesondere nach leichten und kompakten Wechselrichtern - einer zentralen Komponente eines elektrischen Systems, das den Antrieb des Elektromotors mit Strom versorgt.
Wechselrichter sind für elektronische Antriebssysteme von entscheidender Bedeutung, da sie Wechselstrom (AC) - der von am Motor montierten Generatoren erzeugt wird, und Elektromotoren, die von Propellern angetrieben werden - in Hochspannungsgleichstrom (DC) umwandeln. Leider waren die zur Erzeugung dieser Energiemenge erforderlichen Komponenten - Generatoren, Leistungsumwandlungselektronik, Motoren usw. - in der Vergangenheit viel zu groß und schwer, um in ein Flugzeug zu passen.
Dies schafft ein Rätsel, da die Menge an Energie, die zur Erzeugung des erforderlichen Auftriebs benötigt wird, eine noch schwerere Elektronik erfordern würde. Aus diesem Grund untersucht die NASA die neuesten Materialwissenschaften, um leichtere und kleinere Elektronikprodukte herzustellen. Zu diesem Zweck haben sie kürzlich einen Vertrag über 12 Millionen US-Dollar mit General Electric (GE) unterzeichnet, einem der weltweit führenden Unternehmen bei der Entwicklung modernster Siliziumkarbid (SiC) -Technologie.
Dieses halbleitende Mineral wird bei der Herstellung von Hochtemperatur- und Hochspannungselektronik verwendet, und GE hofft, es verwenden zu können, um die von der NASA festgelegten Anforderungen an Größe, Leistung und Effizienz zu erfüllen. Diese Spezifikationen erfordern einen Wechselrichter, der nicht größer als ein Koffer ist und ein Megawatt (MW) Strom erzeugen kann.
Jim Heidmann, Manager des Advanced Air Transport Technology Project der NASA, erklärte in einer Pressemitteilung der NASA:
„Wir befinden uns in einer kritischen Zeit in der Geschichte der Luftfahrt, weil wir die Möglichkeit haben, Systeme zu entwickeln, die Kosten, Energieverbrauch und Lärm senken und gleichzeitig neue Märkte und Möglichkeiten für amerikanische Unternehmen eröffnen. Wir müssen unbedingt mit Industrie und Wissenschaft zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die richtigen Technologien verfügbar sind, um den Anforderungen zukünftiger Passagiere und Fluggesellschaften gerecht zu werden. “
Einfach ausgedrückt ist ein Megawatt eine enorme Menge an Strom, und die sichere Verwaltung dieser Art von Strom ist eine große Herausforderung. Zum Beispiel die NASAs
Dank der Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik und der Hybridmotortechnologie in den letzten Jahren könnten diese Anforderungen jedoch in greifbare Nähe gerückt werden. Amy Jankovsky, Managerin des Teilprojekts Hybrid Gas-Electric Propulsion am Glenn Research Center der NASA, sagte:
„Mit den jüngsten Fortschritten in der Material- und Leistungselektronik beginnen wir, die Herausforderungen bei der Entwicklung energiereduzierender Elektrifizierungskonzepte zu bewältigen. Diese Wechselrichterarbeit ist ein entscheidender Schritt in unseren Bemühungen um den Antrieb elektrifizierter Flugzeuge. Unsere Partnerschaft mit GE ist der Schlüssel zur Weiterentwicklung der fluggewichtigen und flugbereiten Komponenten in der Megawattklasse für zukünftige Transportflugzeuge. “
Siliziumkarbid ist aufgrund seiner Materialeigenschaften besonders vielversprechend für Hochleistungsanwendungen in der Luftfahrt. Es bietet hohe Betriebstemperaturen, Hochspannung und eine hohe Belastbarkeit. Diese Vorteile ermöglichen es Ingenieuren, Komponenten zu entwerfen, die kleiner und leichter sind und gleichzeitig die Leistung erhöhen.
"Wir packen im Wesentlichen ein Megawatt Leistung in die Größe eines kompakten Koffers, der genug elektrischen Strom umwandelt, um hybride elektrische Antriebsarchitekturen für Verkehrsflugzeuge zu ermöglichen", sagte Konrad Weeber, Chefingenieur von Electric Power bei GE Research. „Wir haben erfolgreich Wechselrichter in Bodennähe gebaut und demonstriert, die die Anforderungen an Leistung, Größe und Effizienz des Elektroflugs erfüllen.“
Die Entwicklung dieser elektrischen Systeme findet derzeit auf dem NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) in Sandusky, Ohio, statt, das zuvor die Glenn Hypersonic Tunnel Facility der NASA war. Das erste seiner Art, dieses rekonfigurierbare Prüfstand, ist mit dem Entwurf, der Entwicklung, dem Zusammenbau und dem Testen der Stromversorgungssysteme für Elektroflugzeuge beauftragt, mit denen alles von Zwei-Personen-Flugzeugen bis hin zu 20-MW-Flugzeugen hergestellt werden soll.
Bereits im Mai konnte NEAT dank der enormen Strommengen, auf die die Anlage zugreifen kann, ihren ersten Test im Megawatt-Maßstab durchführen. Diese und die kürzlich unterzeichnete Partnerschaft mit GE kommt kurz nachdem die NASA eine weitere lukrative Partnerschaft mit GE und zwei großen Luft- und Raumfahrtunternehmen - Boeing und United Technologies Pratt & Whitney - angekündigt hat, um die möglichen Vorteile und Risiken von Flugdemonstrationen im Megawatt-Maßstab zu untersuchen.
Barb Esker, stellvertretende Direktorin des Advanced Air Vehicles Program der NASA, sagte dazu:
„Die Flugdemonstrationen sind ein wichtiger Bestandteil der Technologieentwicklung, da sie unseren Ingenieuren und Industriepartnern die Möglichkeit bieten, Probleme zu erarbeiten und Konzepte in einem realistischen Umfeld zu beweisen und gleichzeitig die Herausforderungen zu bewältigen, denen sich der elektrifizierte Antrieb in der Luftfahrt gegenübersieht.“
Zwischen der Bedrohung durch den Klimawandel und der Tatsache, dass die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich fast 10 Milliarden Menschen erreichen wird, ist klar, dass alternative Mittel zur Herstellung, Energieerzeugung und zum Transport entwickelt werden müssen. Es ist gut zu wissen, dass wir uns neben Elektro- und Hybridautos auf Elektro- und Hybridflugzeuge freuen können.
