抵抗是徒劳的-超导性将预示着电力飞行的时代

时间:2020-03-03 20:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

抵抗是徒劳的-超导性将预示着电力飞行的时代

随着航空旅行面临着减少对环境影响的压力,并促使我们重新考虑我们的交通选择,科学家们正在寻找更环保的方式来为飞行提供动力。

尽管电动汽车技术在进步,消费者也慢慢地但肯定地接受了电动驾驶的想法,但电动飞行的前景似乎离缓和我们的飞行障碍(flygskam,瑞典语,飞行耻辱的意思)还有很长的路要走。

但电动飞行将成为现实——只是时间问题。

斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)教授袁维佳表示:“以前的共识是,像空客(Airbus) A350或波音(Boeing) 787这样大小的飞机进行全电动长途飞行需要20或30年的时间。”

“但由于削减碳排放的迫切需要,我们需要一些引人注目的技术来加速这一进程,使非常规的解决方案成为可能。我们现在所做的研究将为之铺平道路。”

袁教授在电子与电气工程系领导了一个15人的团队,研究超导在储能、电力传输电缆和飞机电力推进方面的应用。

“超导是实现零排放飞行的关键技术,”袁教授说。

电动飞机面临的主要挑战是如何使电池和电动引擎体积小但功率大到足以让满载乘客及其行李的飞机在燃料耗尽之前离开地面并飞行任何距离。

“目前,用传统的电动机来驱动大型客机是不可行的,因为它们体积太大,缺乏足够的功率密度,但超导体可能是关键。”

“为了给一架空客320或波音737大小的飞机提供动力,每单位质量至少需要40千瓦每公斤(kW/kg)的能量。目前,市场上最传统的电机可以达到5kW/kg左右。”

为了从电动机中获得更多的能量,你需要增加电动机所能携带的电量。

时事

正如其名字所暗示的那样,超导体是一种非常善于让电流通过它们而几乎没有电阻或几乎没有电阻的材料。

大多数人都知道有些材料导电性能比其他材料好;例如,铜线对橡胶手套。

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材料越抗拒电流的流动,就会失去越多的电能,如热、光或噪音。这就是现有电动机的情况。阻力越大,系统的效率越低。

降低材料电阻的一种方法是冷却它。一种材料的温度越低,它的导电性就越强,直到它达到一个临界温度,这时所有的电阻突然消失,它就变成了超导体,从而增加了可用的能量。

例如,过冷的铜,冷却到零下200摄氏度,在室温下可以携带1000倍于铜的电流。

一个过冷的超导线圈理论上可以无限地容纳电荷。

冷铁的事实

然而,将超导体保持在极低温度以消除其电阻的必要性是一个挑战。

当世界各地的一些研究小组正在研究所谓的高温超导性时,袁教授的研究重点是低温导体。

目前,对导体进行过冷的最常见方法是使用液态氮——大气中含量最丰富的气体。

液氦也可以使用,但它是一种罕见得多的元素,而液氢是一种极具爆炸性的元素,需要小心处理。

后者,然而,可以用于氢燃料电池,并可能是能源的选择,为航空业。

袁教授说:“有可能电动飞机将携带氢作为燃料和冷却剂。但是,氢燃料的使用还面临着一个巨大的安全挑战。

“我们的工作重点是试图通过电机线圈的新颖配置(由钇钡铜氧化物等稀土金属制成),最大限度地降低所需的冷却,然后使用先进的分析工具来指导设计过程,从而提高电机的效率。”

许多研究是在技术创新中心(TIC)最近开放的最先进的应用超导实验室进行的。

团队正在与行业合作伙伴包括空客,劳斯莱斯和时代电线与资金的工程和物理科学研究委员会(EPSRC),创新的英国,英国文化协会,和皇家工程院也两个工程研究奖学金资助新实验室的学术领导Weijia元教授和敏博士。袁教授曾在2013年至2018年期间担任英国皇家工程院研究员。

他补充道:“斯特拉斯克莱德商学院的独特之处在于,我们拥有强大的电子和电气工程系,同时拥有先进成形研究中心和电力网络示范中心等设施的制造能力。这是一个独特的组合。”

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混合推进

尽管全电动飞行可能还需要几十年的时间,但袁教授对这项技术持乐观态度。

他说:“在不完全使用电力的情况下,仍然有一些方法可以改进喷气发动机。例如,通过混合动力推进,你可以使用燃烧作为能源,但是用电力发动机来推进。这将使你的效率节约10-20%左右,”他说。

“飞行只是许多应用程序可能受益于超导之一:其他包括在我们的家庭和我们使用的能源系统行业,电缆传输的权力从海上风电场可以促进欧洲超级电网远距离发送电的地方几乎没有能量损失。”

袁教授和张敏博士参与了一个名为imothep的新项目,为期四年,耗资1040万欧元,该项目由Horizon 2020资助,名为混合电力推进技术的研究和成熟。

该项目由法国航空航天实验室ONERA牵头,由33个主要航空工业和研究伙伴组成,将研究混合动力飞机的电气技术,以及先进的飞机配置设计和创新的推进结构。

袁教授和张博士将重点研究低温电力电子和超导配电。

该项目的最终目标是评估混合电力推进在减少商业航空排放方面的潜力,并最终为其发展建立一个技术路线图。

袁教授于2018年从巴斯大学(University of Bath)加入斯特拉斯克莱德大学(Strathclyde),在剑桥大学(Cambridge)完成博士学位后,他获得了第一份工作。

他表示:“我希望能够看到我们的研究在未来5至10年内得到应用,并成功地建立一家将其商业化的附属公司。

袁教授表示:“考虑到我们使用的材料(主要是稀土氧化铜)是1986年才发现的,要将它们应用于日常功能还需要一些时间。”

“但斯特拉斯克莱德在这一领域是英国领先的,无论是在研究规模还是团队规模方面。”

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