Das vollelektrische Flugzeug X-57 der NASA soll abheben und eine neue Ära der Luftfahrt einleiten

Die NASA hat Menschen zum Mond geschickt, Sonden zu fernen Planeten gestartet und mit Teleskopen im Weltraum einen Blick auf alte Galaxien geworfen. Aber heutzutage konzentriert sich die Agentur mehr auf Probleme hier zu Hause. Aus diesem Grund wird diesen Herbst ein schnittiges neues Flugzeug in die Lüfte steigen, ein vollelektrisches Fahrzeug, das die Zukunft der Luftfahrt sauberer, billiger und leiser machen könnte.

Dies ist das Ziel der X-57, des ersten vollelektrischen Flugzeugs der Agentur, das ausschließlich mit Batterien angetrieben wird. Das leichte, experimentelle Flugzeug ist so konzipiert, dass es weniger Energie verbraucht als ein herkömmliches Flugzeug, das über die gleiche Distanz mit Treibstoff betrieben wird. Als Bonus wird die X-57 auf ihrer Flugbahn viel weniger Lärm machen.

Die NASA bereitet das Flugzeug derzeit für seinen ersten Testflug in der Wüste östlich von Los Angeles vor. Wenn es abhebt, wird das Flugzeug große Erwartungen mit sich bringen, dass es dazu beitragen könnte, die Flugzeugindustrie in eine umweltfreundliche Branche umzuwandeln, die im Laufe des Jahrhunderts eine Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels spielen wird.

„Die Technologie ist jetzt da, aber das Schlüsselelement, das wir brauchen, ist, das gesamte System effizient genug zu machen“, sagte Sean Clarke, leitender Forscher für das X-57-Projekt am Armstrong Flight Research Center der NASA in Südkalifornien, gegenüber Daily Beast. „Es gibt eine Menge lustiger technischer Probleme, die wir angehen.“

Das neue Fahrzeug wird liebevoll Maxwell genannt – benannt nach James Clerk Maxwell, dem schottischen Physiker des 19. Jahrhunderts, der Pionierarbeit in der Theorie des Elektromagnetismus leistete.

Die X-57 verwendet eine modifizierte Karosserie eines viersitzigen Flugzeugs, das von der italienischen Tecnam Corporation gebaut wurde. Der Vorteil der Verwendung eines bestehenden Designs besteht darin, dass Daten aus dem Basismodell, das von herkömmlichen Verbrennungsmotoren angetrieben wird, mit Daten verglichen werden können, die von demselben Modell erzeugt wurden, das mit Strom betrieben wird. Anstatt also bei Null anzufangen, greifen die Ingenieure auf bewährte aerodynamische Zahlen zurück, um die Effizienz zu messen.

Dies ist mehr als ein Flugzeug: Es ist eine Plattform, um die Grenzen des elektrischen Antriebs und des Flügeldesigns zu testen. Die NASA wird diese Informationen im Rahmen größerer Bemühungen der Industrie zur Entwicklung von Wegen für zukünftige Elektroflugzeuge mit dem Privatsektor und der Wissenschaft teilen.

Der X-57 ist nur das neueste in der berühmten Reihe der experimentellen „X“-Fahrzeuge der NASA, die bis ins Jahr 1947 zurückreicht, als Chuck Yeager als erster Mensch schneller als mit Schallgeschwindigkeit flog. Bevor Neil Armstrong für die Mondlandung Geschichte schrieb, war er einer von 12 stählernen Testpiloten im jahrzehntelangen X-15-Programm, das den Flug des ersten bemannten Hyperschallfahrzeugs (in der Lage, Mach 5-Geschwindigkeiten zu brechen) erlebte.

„Sogenannte ‚X-Planes’ sind für die Flugforschung konzipiert – um etwas über bestimmte Phänomene zu lernen oder neue Technologien zu erproben; Sie sind nicht als Serienflugzeuge gedacht, und wir erwarten von niemandem, dass er eine perfekte Kopie baut und sie beispielsweise für kommerzielle Zwecke verkauft“, sagte Nick Borer, Leiter der Advanced Concepts Group am Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia, sagte das Daily Beast. „Wir hoffen, dass die Lehren aus unseren Konstruktions-, Integrations- und Flugbemühungen bei anderen, unterschiedlichen Serienflugzeugen helfen werden, die elektrische Antriebstechnologie verwenden.“

Die X-15, die mit Mach 5 durch die Luft rasen kann, startet mit gezündetem Raketentriebwerk vom B-52-Mutterschiff weg.

NASA

Die Elektro-Initiative

Die X-57 ist Teil einer umfassenden 3,7-Milliarden-Dollar-Bemühung innerhalb des 22-Milliarden-Dollar-Budgets der NASA, um sich auf erdgebundene Probleme zu konzentrieren, insbesondere darauf, wie elektrisch betriebene Fahrzeuge solchen wachsenden Bedenken wie Luftverschmutzung und globaler Erwärmung begegnen können.

Als eine Art fliegender Tesla soll der X-57 eine höhere Effizienz im Vergleich zu Flugzeugen mit herkömmlichem Antrieb aufweisen, was zu niedrigeren Betriebskosten und CO2-Emissionen führt.

In den USA sind Flugzeuge eine der am schnellsten wachsenden Quellen von Kohlenstoffemissionen, die allein durch den inländischen Luftverkehr seit 1990 um 17 Prozent gestiegen sind. Der Luftverkehr ist laut a. für fast 10 Prozent aller Treibhausgasemissionen des US-Transportsektors verantwortlich Studie des Center for Biological Diversity in Arizona.

Das Zentrum stellt fest, dass die Senkung des CO2-Ausstoßes von Flugzeugen damit beginnen muss, dass alle Kurzstreckenflüge (unter drei Stunden) bis 2040 elektrisch betrieben werden.

Für die NASA ist es wichtig, „grün“ zu werden, da ihre Forschung zu Durchbrüchen im wachsenden Bereich der kommerziellen Luftfahrt führen könnte, sowohl in den USA als auch im Ausland. Die Zahl der Flüge wird sich in den nächsten zehn Jahren verdoppeln – von heute 3,5 Milliarden Passagierreisen pro Jahr auf 7 Milliarden und später auf unglaubliche 11 Milliarden bis 2050. Bei Erfolg könnte die X-57 auch neue Zertifizierungsstandards für aufstrebende Elektrofahrzeuge schaffen Flugzeugmärkte, sagte Clarke.

Das Budget der Agentur hat sich in den letzten zehn Jahren fast verdoppelt, mit parteiübergreifender Unterstützung im Kongress, und ein Großteil des Geldes wurde für das X-Programm und andere erdgebundene Initiativen aufgewendet.

„Wir hoffen, dass die Lehren aus unseren Konstruktions-, Integrations- und Flugbemühungen bei anderen, unterschiedlichen Serienflugzeugen helfen, die elektrische Antriebstechnologie verwenden.”

— Nick Borer, NASA Langley

„Dies liegt daran, dass die Luftfahrt einen Handelsüberschuss von 78 Milliarden US-Dollar für die USA hat, sodass die Investitionen der Öffentlichkeit in die Luftfahrt ein großer Hebelarm für einen beträchtlichen Teil unserer Wirtschaft und des Handels mit anderen Ländern sind“, fügte Borer hinzu. „Die NASA-Luftfahrt umfasst die Forschung an elektrifizierten Flugzeugtechnologien wie X-57, weil wir wissen, wie wichtig es für die amerikanische Industrie ist, sowohl zu Hause als auch im globalen Wettbewerb einen Beitrag zu leisten, und das öffentliche Interesse an wirtschaftlich tragfähiger, gerechter und umweltfreundlicher Entwicklung wächst Transport.”

Obwohl die Entwicklung und Erprobung von Versuchsflugzeugen für die USA nichts Neues ist, ist es bemerkenswert, dass Details des X-57-Programms veröffentlicht werden und der Verlauf des Programms in Echtzeit stattfindet – und nicht hinter verschlossenen Türen.

„Die mehr als 100 Unternehmen, die am Bau und Fliegen von Elektroflugzeugen arbeiten, arbeiten größtenteils im Geheimen, insbesondere im Hinblick auf ihre Probleme und gewonnenen Erkenntnisse“, sagte Marty Bradley, Berater für nachhaltige Luftfahrt an der University of Southern California, gegenüber The Daily Beast. „Die NASA hat die Erfolge und Misserfolge von Bodentests frei mit der Industrie geteilt und allen geholfen, indem sie ihre Lehren offen auf Konferenzen geteilt und ihre Daten veröffentlicht hat.“

“Unsere Enttäuschung”, fügte er hinzu, “ist, dass sie noch nicht geflogen sind, also feuern wir sie auf jeden Fall an, diese und zukünftige Versionen der X-57 zu fliegen.”

Konzeptkunst für die X-57 Maxwell in ihrer endgültigen Konfiguration vor einem Hangar im Armstrong Flight Research Center der NASA in Edwards, Kalifornien.

NASA Langley/Advanced Concepts Lab, AMA, Inc

Ein einzigartiger Vogel

Anstatt Kraftstoff zu verbrennen, verwendet der X-57 Tausende von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, um Motoren und Propeller anzutreiben.

Fortschritte in der Batterietechnologie haben bereits begonnen, die Autoindustrie zu revolutionieren, und die NASA verfügt über umfassende Erfahrung mit dem Bau und Betrieb von Lithium-Ionen-Einheiten für die Internationale Raumstation und andere Plattformen, die Bordstrom benötigen. Das schwierigste Problem bei der Fehlersuche beim X-57 bestand darin, zu verhindern, dass die Batteriezellen überhitzen und einen Brand auslösen.

„In unserem Fall war es nicht so sehr ein notwendiger Durchbruch bei der Batterieenergie, sondern eher eine Möglichkeit, die einzelnen Zellen für mehr Sicherheit anzuordnen“, fügte Borer hinzu und sagte, die Lösung bestehe darin, die Wärme um jedes Modul zu zirkulieren, damit alles übrig bleibt Kalt. „Das ist eine große Sache, wenn man bedenkt, dass wir 320 Zellen pro Modul und 16 Module im Flugzeug haben – das sind 5.120 Zellen.“

Um die Energiequelle des X-57 zu entwickeln, arbeitete die NASA mit dem in Kalifornien ansässigen Electric Power Systems zusammen, das handelsübliche Lithium-Ionen-Zellen ähnlich wie AAA-Batterien verwendete, um ein leichtes Energiesystem zu schaffen.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal ist ein Motor-und-Flügel-Design, dem die NASA einen angemessenen technischen Namen zuweist: Leading-Edge Asynchronous Propeller Technology oder LEAP. Zwölf Hochauftriebsmotoren sitzen an der Vorderkante für Starts, und zwei größere 60-Kilowatt-Motoren an den Flügelspitzen treten in Reiseflughöhe und Geschwindigkeiten von bis zu 138 Meilen pro Stunde ein.

Warum so viele Propeller? Sie bewegen Luft schneller über die Flügel, um bei niedrigeren Geschwindigkeiten zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen. Nach dem Start schalten sich die nach innen gerichteten Motoren ab und ihre flexiblen Propeller klappen gegen die Gondeln.

Elektromotoren sind effizienter als Verbrennungsmotoren und erfordern weniger Wartung, da sie die hohe Hitze und Reibung von Kammern und Kolben durch gewickelte Drähte und Magnete ersetzen, sagte Clarke. Sie haben einen Wirkungsgrad von 90 Prozent oder mehr, was bedeutet, dass fast die gesamte Leistung in nützliche Arbeit umgewandelt wird, während komplexere gasbetriebene Motoren einen Wirkungsgrad von weniger als 30 Prozent haben und schädliche Emissionen erzeugen.

„Bei Elektromotoren verschwinden all diese beweglichen Teile“, sagte Clarke. „Es ist ein wirklich einfaches mechanisches System.“

„Das alles hängt mit nachhaltigem Fliegen und Lösungen in Bezug auf das nationale Ziel der Null-Emissionen zusammen. Die Technologie ist jetzt da, und wir kommen gerade erst dorthin.”

— Sean Clarke, NASA Armstrong Flight Research Center

Es wird erwartet, dass die Verteilung der elektrischen Energie auf mehrere Motoren, die in das 3.000-Pfund-Fahrzeug integriert sind, zu einem Ergebnis führen wird Fünf Zeit Reduzierung des Energiebedarfs eines gasbetriebenen Flugzeugs ähnlicher Größe. Theoretisch ließen sich damit Flugzeiten und Betriebskosten um 40 Prozent reduzieren. Während ein typisches Flugzeug, das mit Treibstoff betrieben wird, langsamer fliegen muss, um die beste Effizienz zu erreichen, wird ein Elektrofahrzeug nicht dafür bestraft, dass es mit höheren Geschwindigkeiten fliegt.

„Alles hängt mit nachhaltigem Fliegen und Lösungen in Bezug auf das nationale Ziel der Null-Emissionen zusammen“, fügte Clarke hinzu. „Die Technologie ist jetzt da, und wir kommen gerade erst dorthin. Es ist spannend, weil wir diese Technologien im großen Maßstab im Flug testen.“

Ein zusätzlicher Vorteil, obwohl unbeabsichtigt, ist, dass Flugzeuge mit Elektroantrieb beim Start und bei der Landung relativ leise sind – etwas, das jeder zu schätzen weiß, der in der Nähe eines Flughafens wohnt. Die Federal Aviation Administration will die Entwicklung geräuscharmer Flugzeuge beschleunigen, indem sie neue Technologien fördert, die den Schall um mindestens 25 Dezibel reduzieren. Ein typisches Verkehrsflugzeug erzeugt beim Start 150 Dezibel aus 25 Fuß Entfernung.

„Wir untersuchen dies nicht als primäres Ziel, aber es ist eine Gelegenheit, mehr zu lernen und unser akustisches Modell bei der NASA zu aktualisieren“, sagte Clarke. „Eine Sache ist, dass wir von einer Zwei- auf eine Dreiblatt-Propeller umsteigen, weil eine ungerade Anzahl von Blättern den Geräuschpegel senkt.“

Der Erstflug der X-57 wird für alle im Team ein Nervenkitzel sein, insbesondere für Testpilot Tim Williams.

„Es ist definitiv eine Ehre und ein Privileg, an einem Programm mit so vielen äußerst talentierten Ingenieuren zu arbeiten“, sagte Williams. „Die Ingenieure sind der Schlüssel zur Lösung der Probleme, die es der X-57 ermöglichen, sicher zu fliegen.

„Als Pilot ist es meine Aufgabe, das Flugzeug immer zurückzubringen, damit wir es an einem anderen Tag fliegen können. Das wird es dem Team ermöglichen, neue Probleme zu entdecken, die spezifisch für den Flug sind. Die Lösungen für diese Probleme könnten zu neuen Technologien und Durchbrüchen in der Luftfahrt führen.“

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Hung

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