Forestill deg en charterreise i 2050. Du har klikket fast sikkerhetsbeltet, og flyet er klart til avgang.
Motorene snurrer opp i hastighet, men bråket uteblir. Du ser ut av vinduet.
En rekke små elmotorer under vingene er i ferd med å løfte deg, og dine 99 medpassasjerer, loddrett opp i luften.
Imens meddeler flyets kaptein over høyttaleranlegget at dere kan reise med god samvittighet. Flyet er ikke bare elektrisk – ledninger, motordeler og andre elektroniske komponenter om bord er produsert av superledende materialer som gjør flyturen energisparende.
Faktisk har de nye elektriske flyene vært med på å redusere flytrafikkens CO2-utslipp med 75 prosent.
Slik ser drømmescenariet ut for flytrafikken, som ifølge luftfartsorganisasjonen IATA i dag står for omkring to prosent av jordas samlede CO2-utslipp.
Hos Airbus og Rolls-Royce, som produserer henholdsvis fly og flymotorer, arbeider forskere og ingeniører allerede for å gjøre luftfarten elektrisk. Og i 2021 skal testflyet Airbus E-Fan X lette fra jordas overflate.
En av i alt fire motorer er elektrisk i den nye Airbus E-Fan X. Den elektriske motoren blir via en turbin forbundet til en generator på to megawatt.
På E-fan X er én av de fire konvensjonelle jetmotorene skiftet ut med en nyutviklet elmotor på to megawatt. Selv om motoren bare yter en tiendedel av en jetmotor i et vanlig passasjerfly, gir den håp om en elektrisk framtid.
Når E-fan X går på vingene neste år, blir hybridflyet det første i sitt slag i passasjerklassen og en ny milepæl i jakten på en mer klimavennlig flytrafikk.
Elfly krysset Den engelske kanal
Airbus tok det første skrittet mot en elektrisk framtid 9. juli 2015, da det lille elektriske flyet E-Fan med plass til to personer gjennomførte en flyvning over Den engelske kanal.
Men hvis bedriften skal gjentas med et passasjerfly, må man få bukt med en rekke tekniske utfordringer.
Den første utfordringen er batteriene.
Siden litium-ion-batteriet ble introdusert i 1991, har batteriteknologien vært i en rivende utvikling. Men batteriene lider fortsatt under en relativt høy pris og en vekt og energitetthet som særlig kommer til kort når de brukes i skip, fly og andre større transportmidler.
Energitettheten er et uttrykk for hvor mange wattimer man får per kilo batteri, og i dag ligger tallet typisk på høyst 250 Wh/kg.
Ifølge forskning fra Nasa krever det minst en firedobling – altså 1000 Wh/kilo – å gjøre batterier brukbare i et fly i passasjerstørrelsen.
Superledning øker effektivitet
E-fan X vil bruke en helt ny elektrisk motor som er utviklet av en avdeling av Siemens.
Avdelingen ble i 2019 kjøpt opp av Rolls-Royce, og motoren er med en effekt på to megawatt omkring tretti ganger så kraftig som motoren i forgjengeren E-Fan, som krysset Den engelske kanal.
CO2-drøm krever kraftigere elmotorer
Selv om den nyutviklede elmotoren til E-fan X gir omkring tretti ganger så høy effekt som elmotorene på forgjengeren E-Fan, har vi fortsatt ikke kommet til det punktet der alle de tradisjonelle jetmotorene på et passasjerfly kan skiftes ut med elektriske. E-Fan X-motorens effekt på to megawatt er nemlig bare ti prosent av den ytelsen som leveres av typiske jetmotorer i passasjerfly av for eksempel Airbus A320-klassen i dag. De ligger på omkring tjue megawatt, og derfor må ingeniørene hos for eksempel Rolls-Royce legge seg i selen for ytterligere å forbedre konstruksjonen og ytelsen til motoren.
Grafen viser utviklingen av elflymotorer på en logaritmisk skala.
Airbus og Rolls-Royce har fortsatt ikke bestemt hvor mye batteri E-Fan X skal utstyres med, men de har opplyst at vekta blir to tonn.
Med en energitetthet på 250 Wh/kilo kan det omregnes til en batterikapasitet på 500 kWh, eller omtrent fem ganger så mye som batteriet i en stor elbil i dag.
Hvis det stemmer, vil elmotoren kunne drives ved full effekt i et kvarter som hjelpemotor under avgang og landing. Airbus forestiller seg på sikt at elmotorene kan «snu» funksjonen når flyet er i lufta, og fungere som en generator som lader opp batteriene igjen.
I første utgave blir E-fan X imidlertid utstyrt med en to-megawatts generator som drives av en gassturbin som lader opp batteriet.
Hvis luftfarten skal gjøres hundre prosent elektrisk, er det ikke nok med kraftige elmotorer.
Motorene må også produseres av lette, superledende materialer. Når materialer er superledende, møter ikke strømmen elektrisk motstand, og de har derfor en skyhøy effektivitet.
Dette er nødvendig hvis fly skal tilbakelegge lange distanser på tvers av kontinenter eller verdenshav utelukkende ved hjelp av energi fra batterier.
Mange elmotorer gir økt oppdrift
En stor fordel ved elmotorene er at de er mindre enn tradisjonelle jetmotorer.
Det skyldes blant annet at elmotorene ikke trenger girkasse med flere trinn, siden hastigheten styres ved å variere frekvensen på vekselstrømmen som driver motoren.
Den mindre størrelsen åpner for helt nye måter å konstruere fly på. For eksempel vil de to jetmotorene under hver vinge som man typisk ser på passasjerfly, kunne erstattes av mange små elmotorer.
Slik blir passasjerflyet til en elektrisk hybrid
Elmotor erstatter jetmotor
En av de fire jetmotorene på flyet erstattes av en elmotor utviklet av Rolls-Royce, som har overtatt Siemens elmotoravdeling. Motoren driver vifta som suger luft inn gjennom motoren og spytter den ut igjen for å gi vingene oppdrift og flyet framdrift.
Batterier leverer strøm til motoren
Kapasiteten til batteripakken som skal drive den elektriske motoren i E-Fan X, er fortsatt ikke bestemt. Batteriet ventes imidlertid å veie to tonn, og med en energitetthet på 250 Wh/kg vil kapasiteten derfor være omkring fem ganger så stor som i en stor elbil.
Generator hjelper til under avgang
Målet er at elmotoren bare skal drives med strøm fra batteriet. Airbus har imidlertid også utstyrt det første testflyet med en generator som leverer strøm sammen med batteriet når elmotoren skal gå for fullt, for eksempel ved avgang.
Et fly med mange små elmotorer vil ha lettere for å komme opp i lufta enn et fly med noen få store jetmotorer. Det skyldes at elmotorene er mindre og dermed har mindre luftmotstand enn jetmotorer. Samtidig har elmotorene høy ytelse i forhold til vekta ved bestemte omdreininger og hastigheter. Det gjør det lettere for vingen å lage oppdrift.
Romorganisasjonen Nasa prøver for tida ut løsningen i testflyet X-57 Maxwell, som er utstyrt med en stor hovedmotor og seks mindre motorer under hver vinge.
Under avgang arbeider de tolv små motorene sammen med de to store, noe som øker lufthastigheten på oversiden av vingen, slik at oppdriften blir større.
Når flyet har nådd den ønskede høyden, er det ikke lenger behov for de små elmotorene, som derfor stanser og folder propellene bakover, noe som reduserer luftmotstanden.
Se hvordan elmotoren til Airbus fungerer
Elmotoren er forbundet til en forbrenningsturbin som driver en generator på to megawatt. Forbindelsene til elmotoren skjer ved elektriske kretsløp.
Nye fly kan lette vertikalt
Små elmotorer gjør det også mulig å lette og lande loddrett.
Ved at man gjør elmotorene i stand til å vippe, slik at propellakslingen kan stå både loddrett og vannrett, blir det i prinsippet mulig å få et fly til å lette som et helikopter.
Etter avgang vippes motorene ned og fungerer som på et vanlig fly, og til slutt vippes de opp igjen, slik at flyet også kan lande som et helikopter.
To megawatt er effekten til den nyutviklede motoren i E-Fan X
En tredje fordel ved de mindre elmotorene er at de er mer støysvake enn forbrenningsmotoren.
Hvis Airbus gjennomfører testflyvningen av E-fan X med suksess i 2021, har flyprodusenten tatt det første skrittet mot å kunne forvandle vanlige passasjerfly til hybridfly, som kan spare drivstoff på reisen og redusere flybransjens CO2-utslipp.
Mange teknologiske spørsmål må likevel fortsatt bli besvart før vi kan reise på ferie med helt klimavennlige fly drevet utelukkende av elmotorer og batterier.
Men lykkes det å gjøre elmotorene kraftigere og batteriene billigere og mer effektive, ligger kanskje veien til en framtid med støysvak og klimavennlig flytrafikk åpen.