موتورهای حرارتی در مقابل موتورهای برقی

انتقال به پیشرانه الکتریکی در مقیاس جهانی در حال انجام است که این امر نشانگر افزایش تعداد اتومبیل­های هیبریدی-برقی و پهپادهای برقی در خیابان­ها و آسمان­ها می­باشد. اما چطور پیشرانش الکتریکی که از انرژی الکتریکی تامین شده توسط یک باتری یا سلول سوخت هیدروژن استفاده می­کند با پیشرانه حرارتی با سوخت فسیلی مقایسه می­شود؟

بسته به نوع دستگاه، موتورهای احتراقی می­توانند بسیار متفاوت ظاهر شوند، در هواپیماها و هلیکوپترهای بزرگ موتور احتراقی شکل یک توربین را به خود می­گیرد. در توربین، سوخت در یک محیط غنی از اکسیژن می­سوزد، هوای گرم و فشار زیادی را در یک محفظه محصور ایجاد می­کند و از این انرژی استفاده می­کند.

در وسایل نقلیه برقی، موتور از روتور و استاتور تشکیل شده است. استاتور با پالس برق از یک وسیله الکترونیکی، یک میدان مغناطیسی را در اطراف روتور تولید می­کند که این امر سبب چرخش شده و سپس محور محرک وسیله نقلیه، روتور را می­گرداند؛ این انرژی توسط یک سلول سوخت هیدروژن یا یک باتری تامین می­شود. به منظور درک بهتر این موضوع، می­توان گفت که تامین کننده توان، شبیه به باتری­های موجود در لپ­تاپ است اما قدرتی معادل چندین هزار برابر آن را دارد.

محدودیت های پیشرانه حرارتی

موتورهای احتراقی برای سفرهای دوربرد ایده­آل هستند زیرا سوخت فسیلی در هر کیلوگرم سوخت، توان و انرژی زیادی تولید می­کند. به عبارت دیگر، آن­ها ماموریت­های دوربرد را با انبوهی از سوخت که حمل می­کنند به پایان می­رسانند. مخازن سوخت فسیلی با توجه به حجم بالای سوخت موجود در آن­ها، بسیار سبک وزن است. اشکال اصلی این پیشرانه­ها، انتشار گازهای گلخانه­ای NOx، CO2 ، ذرات و... است. علاوه بر این، مقدار زیادی سوخت در گرمای تولیدی هدر می­رود؛ در حقیقت، سه چهارم تا دو سوم انرژی سوخت به گرما تبدیل شده و یا از طریق اگزوز از بین می­رود. پیشرفت­هایی برای مقابله با این عوامل منفی­ مانند خارج کردن مقداری از انرژی از دست رفته از اگزوز داغ برای گرم کردن هوا قبل از احتراق شکل گرفته است اما این پیشرفت­ها به طور کامل با اتلافات مقابله نمی­کند.

آیا پیشرانه‌ی الکتریکی جوابی برای این موضوع دارد؟ عملکرد موتورهای برقی و توان الکترونیکی بسیار بهبود یافته است؛ امروزه آن­ها به درجه بهتری از توان نسبت به موتورهای احتراقی دست می­یابند. علاوه بر وزن کم، موتورهای الکتریکی دامنه سرعت بیشتری نسبت به موتورهای احتراقی دارند که یکی از مزایای این امر باعث کاهش نیاز به جعبه دنده می­شود.

چالش­های موجود در انرژی الکتریکی

چالش اصلی انرژی الکتریکی حداقل با فناوری امروزی این است که نمی­توان آن را به طور موثر از منظر جرم و حجم ذخیره کرد. در ساده­ترین شرایط، مقدار زیادی باتری برای برابر کردن کارایی سوخت لازم است. در مقایسه با وسایل نقلیه زمینی، جرم و حجم مورد نیاز برای ذخیره انرژی در هواپیما و روتورکرفت­ها بسیار مهم است زیرا ممکن است به طور مستقیم بر بار و یا عملکرد تأثیر بگذارد و برخلاف مخزن سوخت خودرو، باتری در طول سفر سبک­تر نمی­شود و این امر یک نقطه ضعف دیگر است. ذخیره جرم و حجم نیز برای سلول­های سوخت هیدروژن مشکل­ساز است. هیدروژن یا باید در فشار بالا در حالت گاز یا به عنوان هیدروژن مایع اشباع در دمای حدود 253- درجه سانتی‌گراد نگهداری شود و به منظور دستیابی به این امر به مخازن عایق بزرگ و زیادی نیاز دارد. 

یافتن راه حل میانی؛ پیشرانه ترکیبی

گزینه دیگر، ترکیب بهترین­ها در هر دو حالت است. این امر به عنوان پیشرانه هیبریدی-الکتریکی شناخته می­شود، که از ترکیب موتور احتراق داخلی معمولی با سیستم پیشران برقی استفاده می­کند.

لوکا کازتی، بخشی از تیم راه حل­های نوآورانه در ایرباس که پیشرانه ترکیبی برای وسایل نقلیه هوایی را ارائه داده است، گفت: "ترکیبی کردن ما را قادر می­سازد تا بهینه­سازی کنیم. شما می­توانید از موتور حرارتی در فازهای خاصی از پرواز استفاده و در نتیجه بهینه­سازی و مصرف آن را برای آن وضعیت خاص بهینه کنید."

آینده­ای روشن

در آینده از چه نوع پیشرانه­ای ممکن است در هواپیماها استفاده شود؟ برای هواپیماها و هلیکوپترهای تجاری، موتورهای احتراقی از قبل پایدارتر نیز امکان­پذیر است؛ به عنوان نمونه ایرباس هواپیماهای پهن پیکرA350 XWB را که از مخلوط سوخت جت پایدار استفاده می­کنند، ارائه کرده است. به موازات آن، سیستم­های پیشرانه هیبریدی-الکتریکی پتانسیل بسیار خوبی را برای استفاده در هواپیماها و هلیکوپترهای متوسط نشان می­دهند.

پیشنهاد پیشرانه کاملا برقی

چنین سناریویی در حال حاضر برای حمل و نقل شهری در حال توسعه است، جایی که سفر از فرودگاه به مرکز شهر کوتاه و میزان بار آن با نیاز تاکسی قابل مقایسه است. امروزه بیش از 150 وسیله نقلیه هوایی شهری تحت هدایت شرکت­های نوپا، تولید کنندگان خودرو، شرکت­های هوافضایی و سایر موارد در مراحل مختلف توسعه در سراسر جهان قرار دارند. این وسایل نقلیه هوایی شهری آینده، به گونه­ای طراحی شده­اند که کاملاً برقی و در انتشار آلایندگی صفر باشند. ایرباس با توسعه Vahana و CityAirbus که هر دو پرنده‌هایی عمود پرواز الکتریکی (eVTOL) بوده و برای حمل و نقل درون شهری مناسب می­باشند در حال خرید این بازار است. صرف­نظر از مسیری که در فرآیند طراحی و تولید طی شده، مشخص است که روش­ها و مواد تولید باتری، سلول­های هیدروژنی از اهمیت ویژه­ای در سال­های آتی برخوردار خواهند بود.