¿Es posible tener un avión completamente eléctrico?

Bueno, para usar el mismo fuselaje, básicamente tendría que encontrar una manera de reemplazar el volumen de combustible en las alas con el volumen de la batería, y las baterías tienen alrededor del 15-20% de la densidad de potencia del combustible, como las respuestas en este La publicación de ASE se presenta bastante bien.

Entonces, si tuviera un ventilador eléctrico que hiciera el empuje requerido y de alguna manera descubriera cómo reemplazar todos los tanques de combustible con baterías, probablemente tendría algo, pero solo con aproximadamente una hora de resistencia, lo que ni siquiera compensaría el Requisitos de rango de reserva IFR la mayor parte del tiempo. Tendría que reemplazar una gran cantidad de pasajeros con baterías para obtener incluso un par de horas de resistencia, lo que acabaría con el caso comercial.

Entonces, ese tipo de concepto es prácticamente un callejón sin salida hasta que la densidad de energía de la batería comience a acercarse al nivel del queroseno, tal vez dentro de 20 o 30 años, a menos que surja un nuevo desarrollo masivo.

La respuesta de John K se aplica a las baterías de litio. Son bastante convenientes en muchos sentidos, pero claramente no funcionan para esta aplicación.

Las celdas de combustible, por otro lado, son más razonables. Una celda de combustible produce electricidad a partir de combustible, como hidrógeno o etanol. Como tal, no tiene las penalizaciones de peso de las baterías. Además, esto resuelve en su mayoría el problema mencionado por jwenting. El combustible todavía está oxidado y, por lo tanto, el avión pierde peso en vuelo.

Sé que esta es una vieja pregunta, pero encuentro este tema interesante y pensé en contribuir.

¿Por qué no un avión eléctrico? El canal de YouTube Real Engineering responde a esa pregunta aquí:

Dura más de 10 minutos pero dan un buen resumen del problema en los primeros 2 minutos. Para reducirlo aún más, es la densidad de energía de las baterías que tenemos hoy.

¿Por qué no pilas de combustible en lugar de baterías? Las celdas de combustible se calentarán y necesitarán ser enfriadas. El aire debe ingresar a una velocidad suficiente para suministrar el oxígeno requerido. El escape también necesitará un flujo libre en el aire. Entonces, tiene una celda de combustible muy caliente, un escape muy caliente, un gran ventilador para enfriar la celda de combustible, bombear aire y presumiblemente impulsar la nave. Para ayudar a que el aire entre y salga mientras está estacionario, se puede colocar una turbina en el escape para impulsar un ventilador de entrada. Pregunta, ¿para qué necesitamos la pila de combustible? A la derecha, para alimentar el ventilador grande en la parte delantera. Eso trae más masa al avión con motor y luego problemas con los combustibles que abordaré más adelante.

La capacidad de "eliminar al intermediario", por así decirlo, se descubrió con el desarrollo del motor de pistón durante la Segunda Guerra Mundial. Todas las partes de ese conflicto se dieron cuenta de que a medida que crecían los motores de pistón, crecía la contribución del escape del motor al empuje. Dado que se requería un turbocompresor para obtener el máximo rendimiento, especialmente en altitudes mayores, el motor de pistón en el medio no ayudaba mucho. Simplemente vertiendo combustible en una cámara de combustión, colocando una turbina en el escape y usándolo para impulsar un ventilador que alimente las llamas del combustible en llamas, el escape por sí solo podría impulsar un avión a altas velocidades y de manera bastante eficiente. Esta eficiencia sobre una hélice mejoró con mayores velocidades y altitudes. Más tarde, se agregaron ventiladores de derivación y hélices impulsadas por la turbina cuando las velocidades permanecieron subsónicas.

¿Cuál es el objetivo de usar un avión eléctrico? ¿Por qué molestarse cuando los motores a reacción funcionan tan bien? Ah, cierto, para reducir las emisiones de CO2. Podemos usar un biocombustible para eso. Pero hay un problema con el biocombustible, como se hace actualmente, este es un proceso de energía negativa. Podemos mejorar este proceso, pero eso viene con otros problemas. Nuevamente, Real Engineering explica:

Si el etanol de maíz está fuera, al igual que el aceite de soja, ¿qué pasa con el combustible de hidrógeno? Real Engineering también tiene un video sobre esto:

Si bien se enfoca en los automóviles, gran parte de los problemas abordados provienen de la producción y el almacenamiento del combustible. Un problema señalado es que la producción de hidrógeno es un proceso de energía negativa. Esto no es un problema, ya que hay un beneficio en poder convertir la energía del viento, el sol, la fisión nuclear o el calor dentro del planeta en un combustible líquido. Esto significa que los biocombustibles tampoco mueren por ser negativos desde el punto de vista energético, sino por la necesidad de tierra, agua dulce y mano de obra que se gastaría mejor en cultivos para obtener alimentos y fibras para la ropa.

Todo se reduce a que el motor a reacción está bien, es el combustible el que necesita cambiarse. El candidato más probable son los hidrocarburos sintetizados. Estos son reemplazos directos para los combustibles de petróleo existentes y se pueden producir de una manera que sea neutral en carbono neto. Quemar el combustible libera CO2 al aire, pero sabemos cómo recuperar ese carbono y construir más cadenas de hidrocarburos con energía neutra en carbono.

En respuesta al comentario de @MSalters sobre el calor de la celda de combustible, haré algunas observaciones más sobre la practicidad de un avión de celda de combustible.

No estoy afirmando que eliminar el calor de una celda de combustible sea un problema, solo que debe hacerse. Como señala MSalters, hemos aprendido mucho sobre cómo construir aviones eficientes y de alto vuelo en los últimos 100 años. El efecto Meredith nos dice cómo obtener un empuje útil de las fuentes de calor en los aviones. Gracias al uso de motores de pistón en altitudes elevadas, sabemos que un turbocompresor es una forma excelente de obtener el mismo rendimiento en altitudes elevadas que al nivel del mar.

Combine el efecto Meredith con un turbocompresor y la celda de combustible es solo una cámara de combustión para un motor a reacción. Si alguien pasara por varias iteraciones de optimización del empuje del efecto Meredith y la celda de combustible que alimenta un ventilador o una hélice, ¿podríamos ver la celda de combustible optimizada? Supongo que eso es exactamente lo que sucedería.

¿Alguien quiere argumentar que las celdas de combustible pueden funcionar mejor que un motor a reacción? Un motor a reacción puede obtener alrededor del 40% de eficiencia. Podemos obtener lo mismo de una celda de combustible... al nivel del mar. ¿Qué sucede en el aire más delgado? La celda de combustible necesitará algo para bombear el aire y algo para eliminar el calor. Una vez más, un turbocompresor es bueno para esto. Ese turbocompresor tomará parte de esa energía de la celda de combustible. Si hacemos funcionar la pila de combustible en caliente, el turbocompresor se vuelve más eficiente. ¿Las temperaturas más altas reducirán la eficiencia de la celda de combustible? Tal vez, pero podría estar compuesto por un turbocompresor más eficiente que alimente el aire de la celda de combustible.

¿Qué pasa si vamos más allá al sacrificar la eficiencia de la celda de combustible para obtener más del efecto Meredith y un mejor rendimiento del turbocargador? Haga esto unas cuantas veces más y la celda de combustible ya no estará en la imagen.

Una de las razones por las que a la gente le gusta una pila de combustible es porque puede funcionar con "hidrógeno verde", hidrógeno procedente de energía libre de carbono. Bueno, un motor a reacción también puede funcionar con hidrógeno. Si el combustible es "hidrógeno azul", hidrógeno de combustibles fósiles, entonces no es más "verde" que un motor a reacción que queroseno. Sabemos cómo hacer funcionar un motor de combustión interna a partir de hidrógeno, por lo que, a menos que podamos obtener ganancias significativas en la eficiencia de la celda de combustible, lo cual es dudoso, entonces la celda de combustible no brinda ningún beneficio.

Puede ser posible construir un avión completamente eléctrico, pero no es probable que sea mejor en costos o emisiones de CO2 que un avión que funciona con combustibles sintéticos "verdes" de algún tipo.