Uno dei principali obiettivi delle agenzie spaziali e aerospaziali commerciali in questi giorni è la riduzione dei costi associati all'esplorazione dello spazio. Ma non è solo il costo dell'invio di payload nello spazio (e l'inquinamento che provoca) che riguarda agenzie come la NASA.
C'è anche il costo (economico e ambientale) associato al trasporto aereo. Il carburante per jet non è neanche economico e il trasporto aereo commerciale rappresenta il 4-9% dei gas serra antropogenici (ed è in aumento). Per questo motivo, la NASA ha stretto una collaborazione con l'industria commerciale per sviluppare velivoli elettrici, che sperano forniranno un'alternativa economica ed economica ai jet commerciali entro il 2035.
Ciò rappresenta una sfida significativa poiché molti dei componenti necessari per creare un aereo elettrico funzionante sono piuttosto grandi e pesanti. In particolare, il programma Advanced Air Vehicles (AAVP) della NASA è alla ricerca di inverter leggeri e compatti, un componente centrale di un sistema elettrico che fornisce energia per guidare il motore elettrico.
Gli inverter sono fondamentali per i sistemi di propulsione elettronici poiché convertono la corrente alternata (CA) - generata dai generatori montati sul motore e i motori elettrici azionati dalle eliche - in corrente continua ad alta tensione (CC). Sfortunatamente, i componenti necessari per generare quella quantità di energia - generatori, elettronica di conversione di potenza, motori, ecc. - sono stati storicamente troppo grandi e pesanti per adattarsi a un aereo.
Questo crea una sorta di enigma poiché la quantità di energia necessaria per generare l'ascensore necessario richiederebbe un'elettronica ancora più pesante. Ecco perché la NASA sta studiando la scienza dei materiali all'avanguardia per creare elettronica più leggera e più piccola. A tal fine, hanno recentemente firmato un contratto da $ 12 milioni con General Electric (GE), uno dei leader mondiali nello sviluppo della tecnologia all'avanguardia del carburo di silicio (SiC).
Questo minerale semiconduttore viene utilizzato nella fabbricazione di elettronica ad alta temperatura e alta tensione e GE spera di utilizzarlo per soddisfare i requisiti di dimensioni, potenza ed efficienza specificati dalla NASA. Queste specifiche richiedono un inverter non più grande di una valigia e in grado di generare un megawatt (MW) di elettricità.
Come ha spiegato Jim Heidmann, responsabile del progetto Advanced Air Transport Technology Technology della NASA, in un comunicato stampa della NASA:
"Siamo in un momento critico nella storia dell'aviazione perché abbiamo l'opportunità di sviluppare sistemi in grado di ridurre i costi, i consumi energetici e il rumore, aprendo al contempo nuovi mercati e opportunità per le aziende americane. È indispensabile collaborare con l'industria e il mondo accademico per garantire che siano disponibili le tecnologie giuste per soddisfare le esigenze dei futuri passeggeri e vettori. "
In parole povere, un megawatt è un'enorme quantità di elettricità e gestire quel tipo di energia in sicurezza è una grande sfida. Ad esempio, la NASA
Ma grazie ai progressi compiuti nel campo dell'elettronica e della tecnologia dei motori ibridi negli ultimi anni, questi requisiti potrebbero essere a portata di mano. Ha detto Amy Jankovsky, responsabile del sottoprogetto Hybrid Gas-Electric Propulsion presso il Glenn Research Center della NASA:
“Con i recenti progressi nei materiali e nell'elettronica di potenza, stiamo cominciando a superare le sfide affrontate nello sviluppo di concetti di elettrificazione a riduzione di energia, e questo lavoro di inverter è un passo fondamentale nei nostri sforzi di propulsione dei velivoli elettrificati. La nostra partnership con GE è la chiave per far avanzare componenti di peso di volo e pronti per il volo nella classe dei megawatt per i futuri velivoli da trasporto. "
Il carburo di silicio è particolarmente promettente per applicazioni aeronautiche ad alta potenza a causa delle sue proprietà dei materiali. Offre alte temperature operative, alta tensione e un'elevata capacità di gestione della potenza. Questi vantaggi consentiranno agli ingegneri di progettare componenti di dimensioni più piccole e più leggeri, aumentando al contempo la potenza erogata.
"Stiamo essenzialmente imballando un megawatt di potenza nelle dimensioni di una valigia compatta che convertirà abbastanza energia elettrica per consentire architetture di propulsione ibrida-elettrica per aeroplani commerciali", ha affermato Konrad Weeber, ingegnere capo di Electric Power presso GE Research. "Abbiamo costruito e dimostrato con successo inverter a livello del suolo che soddisfano i requisiti di potenza, dimensioni ed efficienza del volo elettrico."
Lo sviluppo di questi sistemi elettrici è attualmente in corso presso il NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) a Sandusky, Ohio, che in precedenza era la NASA Glenn Hypersonic Tunnel Facility. Primo nel suo genere, questo banco di prova riconfigurabile è incaricato di progettare, sviluppare, assemblare e testare i sistemi di alimentazione degli aerei elettrici che andranno nella creazione di tutto, dagli aerei a due persone agli aerei di linea da 20 MW.
A maggio, NEAT è stato in grado di condurre il suo primo test su scala megawatt grazie alle enormi quantità di energia a cui la struttura ha accesso. Questa e la partnership recentemente siglata con GE arriva poco dopo che la NASA ha annunciato un'altra proficua collaborazione con GE e due importanti compagnie aerospaziali - Boeing e United Technologies Pratt & Whitney - per studiare i possibili benefici e rischi delle dimostrazioni di volo su scala megawatt.
Come ha affermato Barb Esker, vicedirettore del programma Advanced Air Vehicles della NASA:
"Le dimostrazioni di volo sono una parte importante dello sviluppo della tecnologia perché offrono ai nostri ingegneri e partner del settore l'opportunità di risolvere problemi e dimostrare concetti in un contesto realistico, affrontando al contempo le sfide della propulsione elettrificata nel settore dell'aviazione".
Tra la minaccia dei cambiamenti climatici e il fatto che la popolazione mondiale dovrebbe raggiungere quasi i 10 miliardi entro il 2050, è chiaro che devono essere sviluppati mezzi alternativi di produzione, produzione di energia e trasporti. È bello sapere che accanto alle auto elettriche e ibride, possiamo aspettarci aerei elettrici e ibridi.
