Sådan vil kommercielle fly se ud i 2050

Det næste vigtige skridt mod at sikre, at luftfartindustrien bliver grønnere, er fuld elektrificering af kommercielle fly. Det betyder nul CO2- og NOx-udslip med energikilder fra energistationer, som selv er bæredygtigt drevet.

Den største teknologiske udfordring, som skal løses, er batteriernes energidensitet, som er et mål over, hvor meget energi der kan genereres fra et batteri af en bestemt vægt.

Tesla CEO Elon Musk har udtalt, at når batterier er i stand til at producere 400 watttimer per kilogram med et forhold mellem celle og den generelle masse på 0,7-0,8, bliver et elektrisk transkontinentalt fly ‘uimodståeligt’.

Med det udgangspunkt at litium-ion batterier i praksis kunne opnå energidensiteter på 113Wh/kg i 1994, 202Wh/kg i 2004, og nu kan nå op på omkring 300Wh/kg, er det rimeligt at formode, at de vil nå 400Wh/kg i løbet af det næste årti.

Elektrificering bliver fordelagtigt

En anden ting er det eksponentielle fald i omkostninger af solcellepaneler, som allerede er blevet den billigste form for energi i det meste af USA.

Den forventede reduktion på 70 procent i priserne på lithium-ion batterier inden 2025 og den kraftige stigning, vi ser i prisen på petroleumsbaseret flybrændstof, betyder, at der vil være en stor og voksende ulighed i omkostningerne ved at drive luftfart, som vil gøre elektrificering yderst fordelagtigt.

Som det ofte er tilfældet, vil det ikke være teknologiske årsager, der trækker overgangsprocessen ud, men derimod økonomisk og politisk dorskhed mod at omstøde den nuværende situation.

Biobrændsel, mens vi venter

Tager man i betragtning, at den gennemsnitlige levetid for passager- og fragtfly er på omkring henholdsvis 21 og 33 år, så ville overgangen væk fra fossilt brændstof tage to til tre årtier, selv hvis alle nye fly, der blev produceret fra i morgen, udelukkende var elektriske.

I mellemtiden reducerer biobrændsel kulstofudslip med 36-58 procent, alt afhængigt af hvilken type jord der bruges til at dyrke biobrændselafgrøderne.

Da det er relativt ligetil at skifte fra én type brændstof til en anden, er dette altså en lavthængende frugt, som er værd at høste, før man udfaser alle forbrændingsmotorer helt.

Selvom et flybrændstof af biobrændstof-petroleum blev godkendt i 2009, har flyindustrien ikke travlt med at implementere forandringer. Der er nogle mindre teknologiske forhindringer og problemer ved at skalere biobrændselsproduktionen op på industrielle niveauer, men den største hæmsko er prisen – paritet med fossile brændstoffer er stadig 10 år ude i fremtiden.

Optagelsen af enhver ny luftfartsteknologi – fra forskning til modelskitser, til tests og fuld indpasning – er typisk en årtilang proces. Hvis forbrændingsmotoren bliver udfaset ved midten af dette århundrede, ville det give mere mening økonomisk og miljømæssigt at forny på andre områder: designet på flyvemaskineskroget, materialeforskning, elektrisk fremdrivningsdesign og lufttrafikkontrol.

Vækker flyet til live

»Mens en lommeregner på ENIAC er udstyret med 18.000 vakuumrør og vejer 30 ton, vil fremtidens computere måske kun have 1.000 vakuumrør og måske veje 1,5 ton,« – lød det fra Popular Mechanics i 1949.

Som vi kan se, lever vi i en verden, hvor teknologien er under eksponentiel forandring. Vi bliver nødt til at træde ud af vores lineære dag-til-dag tankegang for fuldt at forstå og bruge det, vi har, til at forme fremtiden.

I spørgsmålet om omkostninger ved computerkraft, udvikler computerteknologien sig i dag mere for hver time, der går, end den gjorde i de første 90 år af dens levetid.

Med dette i baghovedet kan vi forvente, at det, som er en computer til 6100 kroner i dag, vil være mere kraftfuldt end den mulige hjernekapacitet hos et menneske, og når vi når 2045, vil den overgå det, der svarer til den samlede hjernekapacitet hos alle mennesker.

Kæmpe landevindinger i fremtiden

Det sidste halvårhundredes miniaturisering af digital elektronik har fulgt en lignende eksponentiel tendens med en størrelse på transistor gates, som er gået fra 1000 nanometer i 1970 til 23 nanometer i dag.

Med fremkomsten af transistorer fremstillet af graphen, som ser lovende ud, forventes denne størrelse at blive endnu mindre til omkring 7 nanometer i 2025. Til sammenligning er røde blodceller hos mennesker ca. 6200-8200 nanometer brede.

Når man lægger hele denne forøgelse inden for computerkraft og mindskning af kredsløbsstørrelse sammen og tilføjer fremskridt, som er gjort inden for 3D-print, vil vi på et tidspunkt i løbet af det næste årti være i stand til at producere integrerede computere, som er kraftige nok til at kontrollere et fly på linje med det, der svarer til det cellulære niveau i nær realtid – trådløs sammenkobling af digitale enheder i nanoskala.

Ved at bruge et biologisk inspireret digitalt ‘nervesystem’ med receptorer, som er placeret over flyet og registrerer vindstyrker, temperaturer og luftstrømningsniveauer, kan flyets energiydeevne forbedres markant, når det kobles til software og hardwaremekanismer, som kan kontrollere eller endda ændre formen på flyet i aktion.

Væk med halen

Når først elektrisk luftfart er på plads, bliver det næste skridt at integrerer et kardansk ophængt fremdriftssystem, som er pålideligt i alle retninger. Dette vil fjerne behovet for højderor, sideror og styreflader på haleplanet, som de nuværende modeller har brug for, men som giver en større masse og luftmodstand.

De vinger, som vi fremstiller nu, er tæt på deres højdepunkt i forhold til aerodynamisk ydeevne, men de er stadig langt fra det, som naturen har opnået hos fugle.

Luftfartsdesignskabeloner er et århundrede gamle – indskrænket af datidens begrænsninger, men teknologien er kommet længere siden dengang.

Vi behøver ikke længere at bygge vinger som rigide strukturer med diskrete styreflader, men kan rette os mod naturens verden for at få inspiration. Som Richard Feyman sagde:

»Jeg tror naturens fantasi er så meget større end menneskets, hun vil aldrig give os ro.«

Ash Dove-Jay modtager støtte fra EPSRC og AC&E. Han er tilknyttet the Royal Aeronautical Society og American Institute of Aeronautics and Astronautics. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.