Một trong những mục tiêu chính của các cơ quan vũ trụ và hàng không vũ trụ thương mại ngày nay là giảm chi phí liên quan đến thăm dò vũ trụ. Nhưng nó không chỉ là chi phí gửi tải trọng vào không gian (và sự ô nhiễm mà nó gây ra) mà các cơ quan như NASA quan tâm.
Ngoài ra còn có chi phí (kinh tế cũng như môi trường) liên quan đến hàng không. Nhiên liệu máy bay phản lực cũng không rẻ, và du lịch hàng không thương mại chiếm 4 đến 9% lượng khí nhà kính nhân tạo (và đang gia tăng). Vì lý do này, NASA đã hợp tác với ngành công nghiệp thương mại để phát triển máy bay điện, họ hy vọng sẽ cung cấp một sự thay thế tiết kiệm nhiên liệu và chi phí cho máy bay thương mại vào năm 2035.
Điều này thể hiện một thách thức đáng kể vì nhiều bộ phận cần thiết để tạo ra một máy bay điện hoạt động khá lớn và nặng. Cụ thể, Chương trình phương tiện hàng không tiên tiến của NASA (AAVP) đang tìm kiếm các bộ biến tần nhẹ và nhỏ gọn - một thành phần trung tâm của hệ thống điện cung cấp năng lượng để điều khiển động cơ điện.
Biến tần rất quan trọng đối với các hệ thống đẩy điện tử vì chúng chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) - được tạo ra bởi các máy phát gắn động cơ và động cơ điện được điều khiển bởi cánh quạt - thành nguồn điện áp cao (DC). Thật không may, các thành phần cần thiết để tạo ra lượng điện năng đó - máy phát điện, thiết bị điện tử chuyển đổi năng lượng, động cơ, v.v. - trong lịch sử đã quá lớn và nặng để lắp vào máy bay.
Điều này tạo ra một cái gì đó của một câu hỏi hóc búa vì lượng năng lượng cần thiết để tạo ra lực nâng cần thiết sẽ đòi hỏi các thiết bị điện tử nặng hơn. Do đó, tại sao NASA đang nghiên cứu khoa học vật liệu tiên tiến để tạo ra các thiết bị điện tử nhẹ hơn và nhỏ hơn. Để đạt được điều này, gần đây họ đã ký hợp đồng trị giá 12 triệu USD với General Electric (GE), một trong những công ty hàng đầu thế giới trong việc phát triển công nghệ silicon carbide (SiC) tiên tiến.
Khoáng chất bán dẫn này được sử dụng trong chế tạo các thiết bị điện tử nhiệt độ cao, nhiệt độ cao và GE hy vọng sẽ sử dụng nó để đáp ứng các yêu cầu về kích thước, công suất và hiệu quả theo quy định của NASA. Các thông số kỹ thuật này đòi hỏi một biến tần không lớn hơn vali và có khả năng tạo ra một megawatt (MWs) điện.
Như Jim Heidmann, người quản lý Dự án Công nghệ Vận tải Hàng không Tiên tiến của NASA, đã giải thích trong thông cáo báo chí của NASA:
Vào thời điểm quan trọng trong lịch sử hàng không vì chúng tôi có cơ hội phát triển các hệ thống giúp giảm chi phí, tiêu thụ năng lượng và tiếng ồn, đồng thời mở ra thị trường và cơ hội mới cho các công ty Mỹ. Điều bắt buộc là chúng tôi phải làm việc với ngành công nghiệp và học viện để đảm bảo các công nghệ phù hợp có sẵn để đáp ứng nhu cầu của hành khách và nhà vận chuyển trong tương lai.
Nói một cách đơn giản, một megawatt là một lượng điện khổng lồ và quản lý loại năng lượng đó một cách an toàn là một thách thức lớn. Ví dụ, NASA
Nhưng nhờ những bước tiến được thực hiện trong lĩnh vực điện tử và công nghệ động cơ hybrid trong những năm gần đây, những yêu cầu này có thể nằm trong tầm tay. Amy Jankovsky, người quản lý của tiểu dự án Động lực đẩy khí-điện hybrid tại Trung tâm nghiên cứu NASA Glenn:
Với những tiến bộ gần đây trong vật liệu và điện tử công suất, chúng tôi bắt đầu vượt qua những thách thức trong việc phát triển các khái niệm điện khí hóa giảm năng lượng, và công việc biến tần này là một bước quan trọng trong nỗ lực đẩy máy bay điện khí hóa của chúng tôi. Sự hợp tác của chúng tôi với GE là chìa khóa để thúc đẩy các bộ phận có trọng lượng chuyến bay và sẵn sàng cho chuyến bay trong lớp megawatt cho máy bay vận tải trong tương lai.
Cacbua silic đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng hàng không công suất cao vì tính chất vật liệu của nó. Nó cung cấp nhiệt độ hoạt động cao, điện áp cao và khả năng xử lý công suất cao. Những lợi thế này sẽ cho phép các kỹ sư khả năng thiết kế các thành phần có kích thước nhỏ hơn và nhẹ hơn đồng thời cũng tăng sản lượng điện.
Konrad Weeber, kỹ sư trưởng của Electric Power tại GE Research cho biết, về cơ bản, chúng tôi đóng gói một megawatt năng lượng với kích thước của một chiếc vali nhỏ gọn sẽ chuyển đổi đủ năng lượng điện để cho phép kiến trúc động cơ điện hybrid cho máy bay thương mại. Chúng tôi đã chế tạo thành công và trình diễn các bộ biến tần ở mặt đất đáp ứng các yêu cầu về công suất, kích thước và hiệu quả của chuyến bay điện.
Sự phát triển của các hệ thống điện này hiện đang diễn ra tại Cơ quan thử nghiệm máy bay điện của NASA (NEAT) ở Sandusky, Ohio, trước đây là Cơ sở đường hầm Hypersonic của NASA. Loại đầu tiên, loại thử nghiệm có thể cấu hình lại này được giao nhiệm vụ thiết kế, phát triển, lắp ráp và thử nghiệm các hệ thống năng lượng máy bay điện sẽ đi vào việc tạo ra mọi thứ từ máy bay hai người đến máy bay 20 MW.
Trở lại vào tháng Năm, NEAT đã có thể tiến hành thử nghiệm quy mô megawatt đầu tiên nhờ vào nguồn năng lượng khổng lồ mà cơ sở có quyền truy cập. Mối quan hệ hợp tác được ký kết gần đây với GE diễn ra ngay sau khi NASA công bố một mối quan hệ hợp tác sinh lợi khác với GE và hai công ty hàng không vũ trụ lớn - Boeing và United Technologies Pratt & Whitney - để nghiên cứu những lợi ích và rủi ro có thể có của các cuộc biểu tình trên quy mô megawatt.
Như Barb Esker, phó giám đốc Chương trình phương tiện hàng không tiên tiến của NASA, nói:
Các cuộc biểu tình trên chuyến bay là một phần quan trọng của sự phát triển công nghệ bởi vì họ cung cấp cho các kỹ sư và đối tác công nghiệp của chúng tôi cơ hội để giải quyết các vấn đề và chứng minh các khái niệm trong một môi trường thực tế, trong khi giải quyết các thách thức đối với động cơ điện trong ngành hàng không.
Giữa mối đe dọa của biến đổi khí hậu và thực tế là dân số thế giới dự kiến sẽ đạt gần 10 tỷ vào năm 2050, rõ ràng các phương tiện sản xuất, sản xuất năng lượng và giao thông vận tải cần phải được phát triển. Thật tốt khi biết rằng bên cạnh những chiếc xe điện và hybrid, chúng ta có thể mong đợi những chiếc máy bay điện và hybrid.
