İşte tamamen elektrikli, paralel hibrit ve seri hibrit sistemlerin avantajları ve sınırlamaları. Uçak tasarımcıları, on yıllardır farklı elektrikli tahrik sistemlerini denemişlerdir. Bu konsept, yakıt tüketimini azaltma, emisyonları düşürme ve yakıt yakan tahrik sistemlerine kıyasla daha sessiz uçuşlar gibi çeşitli avantajlar sunmaktadır. Ancak enerji depolama sistemlerinin ağırlık ve menzil sınırlamaları, elektrikli tahrik sistemlerinin benimsenmesini sınırlamıştır.
Çevresel sürdürülebilirliğe olan artan ilgi, havacılık endüstrisinde elektrikli tahrik ve hibrit-elektrikli tahrik sistemlerini daha uygulanabilir hale getirme çabalarını artırmıştır. 2000 yılından bu yana birçok elektrikle çalışan uçak tasarımı tanıtılmış ve Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA), elektrikli uçak tahrik (EAP) teknolojilerinin 2035 yılına kadar ticari uçaklarda uygulanacağını öngörmüştür. Şimdi elektrikli ve hibrit-elektrikli tahrik sistemlerine daha yakından bakalım — bu iki yöntem arasındaki ortak noktalar ve farklılıklar nelerdir?
Elektrikli Tahrik
Basitçe ifade etmek gerekirse, elektrikli bir uçak yalnızca elektrikle çalışır. Elektrik, genellikle batarya gibi uçakta bulunan enerji depolama sistemlerinden veya fotovoltaik malzemeler kullanılarak elektriğe dönüştürülen güneş enerjisi gibi uçak dışı kaynaklardan elde edilebilir. Çoğu durumda, elektrik motorları pervaneleri veya türbinleri çalıştırarak uçağı hareket ettirir.
Elektrikli tahrik sistemleri genellikle tek güç kaynağı olarak bataryaları kullanır. Emisyonları ve gürültüyü azaltmanın yanı sıra, elektrik motorları içten yanmalı motorların aksine irtifada güç kaybetmez, bu da turboşarjlar ve diğer güç artırıcı önlemleri gereksiz kılar. Ayrıca, sektör kaynaklarına göre elektrik motorları yakıt yakan motorlara kıyasla daha az bakım gerektirir.
Ancak, elektrikli uçak tahrik sistemleriyle ilgili bazı zorluklar, elektrikli otomobillerde yaşananlarla benzerdir — batarya ağırlığı ve menzil sınırlamaları. Elektrik motorları genellikle eşdeğer güce sahip piston motorlarına göre daha hafif olmasına rağmen, bataryalar yakıta kıyasla daha ağırdır. Ayrıca, bataryaların şarj edilmesi, genellikle yerde bulunan şarj kaynaklarına bağlı olduğu için uçaklarda daha kritik bir hal alır.
Elektrik motorları tarafından üretilen ısının yönetilmesi de bir diğer zorluktur. NASA’ya göre elektrik motorları tarafından üretilen enerjinin yaklaşık %20’si fazla ısı olarak yayılmakta ve soğutulması gerekmektedir.
Araştırmacılar ve tasarımcılar, bu ekstra ağırlık ve elektrikli sistemleri soğutmak için gerekli enerjiyi aşmak amacıyla bileşenleri soğutmayı optimize ederken ağırlığı ve ısı kaybını en aza indirgemeye odaklanmışlardır. Daha verimli güç ve termal yönetim sistemleri tasarlanmış, mekanik ve elektrik bileşenlerinin performansını artıran yeni malzemeler geliştirilmiştir. Elektrikli tahrik tasarımlarını daha da geliştirmek için araştırmalar devam etmektedir.
Hibrit-Elektrikli Tahrik
Hibrit elektrikli uçaklarda, elektrik motorları ve içten yanmalı motorların bir kombinasyonu kullanılarak uçak hareket ettirilir. Bu, tamamen elektrikli uçaklara kıyasla daha uzun uçuş menzilleri sunar. İki enerji kaynağı paralel veya seri şekilde çalışabilir.
Paralel hibrit bir sistemde, elektrik motoru ve yakıtla çalışan motor, bir fanı çalıştıran ortak bir şafta bağlanır; böylece herhangi bir zamanda biri veya her ikisi de itme sağlayabilir. Seri hibrit bir sistemde ise yalnızca elektrik motorları doğrudan fanlara bağlanır ve yakıtla çalışan motor, jeneratörü çalıştırarak motorları veya bataryaları şarj eder.
Paralel ve seri hibrit sistemlerin her birinin avantajları ve dezavantajları vardır. Paralel sistemlerde iki farklı güç kaynağının etkileşimi tasarımda ek karmaşıklıklara yol açsa da, paralel sistemlerin enerji tasarrufu ve emisyon azaltımı açısından seri sistemlerden biraz daha iyi performans gösterdiği kanıtlanmıştır. Seri hibrit sistemler, birden fazla motor ve fanın kullanılmasını sağlayan dağıtılmış tahrik konseptleriyle uyumludur.
Paralel ve seri sistemlere ek olarak, kombine seri-paralel kısmi hibrit sistemler de geliştirilmiştir. Bu yaklaşımda, bir veya daha fazla fan bir gaz türbini motoru tarafından çalıştırılırken, diğer fanlar bir batarya veya türbinle çalışan jeneratörle güç sağlanan elektrik motorları tarafından çalıştırılır.
Diğer İlgili Teknolojiler
Elektrikli ve hibrit tahrik sistemlerine ek olarak, uçak tasarımının geleceğini değiştirebilecek birkaç ilgili teknoloji tanıtılmıştır. Uçak içi elektrik gücüne alternatif olarak, güneş enerjisiyle çalışan uçaklar, güneş panelleri aracılığıyla güneş enerjisini toplar ve bu enerjiyi güneş ışığının olmadığı durumlarda kullanmak üzere bataryalar veya hidrojen ile depolar. Yolcu veya kargo taşımacılığı için geleneksel uygulamalar henüz enerji sınırlamaları nedeniyle benimsenmemiş olsa da, güneş enerjili insansız hava araçlarının (İHA) aylarca sürebilen uzun uçuşlar için uygun olduğu gösterilmiştir, ancak nispeten düşük hızlarda (saatte 100 milin altında). Bu tür araçlar, telekomünikasyon, görüntüleme ve diğer yer istasyonlarıyla etkileşim gerektiren uygulamalarda faydalı olabilir.
Turboelektrik tahrik, emisyonları azaltabilecek bir teknoloji olarak değerlendirilmektedir. Bu teknoloji, gaz türbinlerini elektrik jeneratörlerini çalıştırmak için kullanır. Bu jeneratörler, eviricileri ve doğrudan akım (dc) motorlarını besler; bu motorlar ise dağıtılmış elektrikli fanları çalıştırır. Turboelektrik tahrikin bir çeşidi olan kısmi turboelektrik tahrik, itmenin bir kısmını elektrikle sağlar ve kalan kısmını bir gaz türbini tarafından çalıştırılan bir turbofan ile destekler.
Elektrikli tahrik ayrıca dikey kalkış ve iniş (VTOL) teknolojisiyle birleştirilerek uçakların pist gereksinimi olmadan dikey kalkış ve iniş yapmasını sağlar. Dikey uçuş konsepti, 1400’lü yılların sonlarında Leonardo da Vinci’nin çizimlerinde ortaya çıkmış ve daha sonra genellikle yakıtla çalışan helikopterler biçiminde geliştirilmiştir. 21. yüzyılda tanıtılan elektrikle çalışan VTOL’lar, talep üzerine hava taksi hizmetleri, bölgesel hareketlilik ve yük taşımacılığı gibi uygulamalar için değerlendirilmektedir.
Gelecekte Benimsenme
Elektrikli ve hibrit tahrik sistemlerinin yaygın olarak benimsenmesinden önce daha fazla geliştirme ve test yapılması gerekecektir. Herhangi bir yeni teknolojide olduğu gibi, yüksek maliyetler başlangıçta bu teknolojilerin kullanımını özel uygulamalarla sınırlayabilir. Ancak, teknoloji olgunlaştıkça ve daha erişilebilir hale geldikçe, uçakların görünümü ve sesleri geçmiştekinden dramatik bir şekilde farklı olabilir.