หนึ่งในเป้าหมายหลักของหน่วยงานอวกาศและการบินเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันคือการลดต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการสำรวจอวกาศ แต่มันไม่ใช่แค่ค่าใช้จ่ายในการส่งน้ำหนักบรรทุกไปสู่อวกาศ (และมลภาวะที่ก่อให้เกิด) ที่เกี่ยวข้องกับหน่วยงานเช่น NASA
นอกจากนี้ยังมีต้นทุน (เศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม) ที่เกี่ยวข้องกับการบิน เชื้อเพลิงเครื่องบินเจ็ทนั้นไม่ถูกเลยและการเดินทางทางอากาศเชิงพาณิชย์คิดเป็น 4 ถึง 9% ของก๊าซเรือนกระจกที่เกิดจากมนุษย์ (และกำลังเพิ่มขึ้น) ด้วยเหตุนี้ NASA จึงร่วมมือกับอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์เพื่อพัฒนาเครื่องบินไฟฟ้าซึ่งพวกเขาหวังว่าจะเป็นทางเลือกที่ประหยัดเชื้อเพลิงและคุ้มค่าต่อเครื่องบินไอพ่นเชิงพาณิชย์ภายในปี 2578
สิ่งนี้แสดงถึงความท้าทายที่สำคัญเนื่องจากส่วนประกอบหลายอย่างที่จำเป็นในการสร้างเครื่องบินไฟฟ้าที่ใช้งานได้มีขนาดค่อนข้างใหญ่และหนัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งโปรแกรม Advanced Air Vehicles Programme (AAVP) ของนาซากำลังมองหาอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบาซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของระบบไฟฟ้าที่ให้พลังงานในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า
อินเวอร์เตอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบขับเคลื่อนอิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากมีการแปลงกระแสสลับ (AC) - สร้างโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ติดตั้งเครื่องยนต์และมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัด - เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) แรงดันสูง น่าเสียดายที่ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้างพลังงานจำนวนมาก - เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, อุปกรณ์แปลงพลังงานไฟฟ้า, มอเตอร์, ฯลฯ - ในอดีตมีขนาดใหญ่เกินไปและหนักเกินไปที่จะพอดีกับเครื่องบิน
สิ่งนี้สร้างปริศนาบางอย่างเนื่องจากปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการสร้างลิฟต์ที่จำเป็นต้องใช้แม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่หนักกว่า ดังนั้นทำไม NASA จึงตรวจสอบวิทยาศาสตร์วัสดุที่ทันสมัยเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีน้ำหนักเบาและขนาดเล็ก ด้วยเหตุนี้เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขาได้ลงนามในสัญญามูลค่า 12 ล้านดอลลาร์กับ บริษัท General Electric (GE) ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้นำระดับโลกในการพัฒนาเทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ล้ำสมัย (SiC)
แร่เซมิคอนดักเตอร์นี้ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แรงดันสูงและ GE หวังว่าจะใช้มันเพื่อให้ได้ตามขนาดกำลังไฟและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่ระบุโดยองค์การนาซ่า ข้อมูลจำเพาะเหล่านี้เรียกร้องให้อินเวอร์เตอร์ที่มีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่ากระเป๋าเดินทางและสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เมกะวัตต์ (MWs)
ในฐานะ Jim Heidmann ผู้จัดการโครงการเทคโนโลยีการขนส่งทางอากาศขั้นสูงของ NASA อธิบายไว้ในการแถลงข่าวของ NASA:
“ เราอยู่ในช่วงเวลาวิกฤติในประวัติศาสตร์การบินเพราะเรามีโอกาสพัฒนาระบบที่จะลดต้นทุนการใช้พลังงานและเสียงรบกวนขณะที่เปิดตลาดใหม่และโอกาสสำหรับ บริษัท อเมริกัน เราจำเป็นต้องทำงานร่วมกับภาคอุตสาหกรรมและภาคการศึกษาเพื่อให้แน่ใจว่าเทคโนโลยีที่เหมาะสมพร้อมใช้งานเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้โดยสารและผู้ให้บริการในอนาคต”
กล่าวง่ายๆว่าเมกะวัตต์เป็นไฟฟ้าจำนวนมหาศาลและการจัดการพลังงานชนิดนั้นอย่างปลอดภัยเป็นความท้าทายที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น NASA
แต่ต้องขอบคุณความก้าวหน้าที่เกิดขึ้นในสาขาอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีเครื่องยนต์ไฮบริดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาความต้องการเหล่านี้อยู่ไม่ไกล Said Amy Jankovsky ผู้จัดการโครงการย่อย Hybrid Propulsion Propulsion ที่ศูนย์วิจัย Glenn ของ NASA:
“ ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดของวัสดุและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเราเริ่มที่จะเอาชนะความท้าทายที่ต้องเผชิญกับการพัฒนาแนวคิดการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ลดการใช้พลังงาน การเป็นหุ้นส่วนของเรากับ GE เป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาส่วนประกอบน้ำหนักการบินและการบินในระดับเมกะวัตต์สำหรับเครื่องบินขนส่งในอนาคต”
ซิลิกอนคาร์ไบด์มีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานการบินกำลังสูงเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุ มันมีอุณหภูมิในการทำงานสูงแรงดันสูงและความสามารถในการจัดการพลังงานสูง ข้อดีเหล่านี้จะช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงและเบาลงในขณะที่เพิ่มกำลังขับ
“ โดยปกติแล้วเราจะบรรจุพลังงานหนึ่งเมกะวัตต์เป็นขนาดของกระเป๋าเดินทางขนาดกะทัดรัดที่จะแปลงพลังงานไฟฟ้าให้เพียงพอเพื่อเปิดใช้งานสถาปัตยกรรมพลังขับเคลื่อนแบบไฮบริดสำหรับเครื่องบินพาณิชย์” Konrad Weeber หัวหน้าวิศวกรไฟฟ้าของ GE Research กล่าว “ เราประสบความสำเร็จในการสร้างและแสดงอินเวอร์เตอร์ในระดับพื้นดินที่ตอบสนองความต้องการด้านพลังงานขนาดและประสิทธิภาพของการบินด้วยไฟฟ้า”
การพัฒนาระบบไฟฟ้าเหล่านี้กำลังเกิดขึ้นที่ NASA Electric Aircraft Testbed (NEAT) ในเมือง Sandusky รัฐโอไฮโอซึ่งก่อนหน้านี้เคยเป็นที่ตั้งของอุโมงค์ NASA Glenn Hypersonic สิ่งแรกของประเภทนี้คือ testbed ที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ซึ่งมีหน้าที่ออกแบบพัฒนาประกอบและทดสอบระบบพลังงานไฟฟ้าของเครื่องบินที่จะเข้าสู่การสร้างทุกสิ่งตั้งแต่เครื่องบินสองคนไปจนถึงสายการบิน 20 MW
ย้อนกลับไปในเดือนพฤษภาคม NEAT สามารถทำการทดสอบระดับเมกะวัตต์ครั้งแรกได้เนื่องจากพลังงานจำนวนมหาศาลที่โรงงานสามารถเข้าถึงได้ สิ่งนี้และความร่วมมือที่ลงนามเมื่อเร็ว ๆ นี้กับ GE มาเพียงไม่นานหลังจากที่องค์การนาซ่าประกาศความร่วมมือกับ GE และ บริษัท การบินและอวกาศชั้นนำสองแห่งคือ Boeing และ United Technologies Pratt & Whitney เพื่อศึกษาประโยชน์และความเสี่ยงของการสาธิตการบินในระดับเมกะวัตต์
ในฐานะที่เป็น Barb Esker รองผู้อำนวยการโครงการ Advanced Air Vehicles ของ NASA กล่าวไว้ดังนี้:
“ การสาธิตการบินเป็นส่วนสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีเพราะพวกเขาให้โอกาสวิศวกรและพันธมิตรในอุตสาหกรรมของเราในการแก้ปัญหาและพิสูจน์แนวความคิดในสภาพแวดล้อมที่เป็นจริงขณะเดียวกันก็จัดการกับความท้าทายที่เผชิญกับการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าในการบิน”
ระหว่างภัยคุกคามของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและความจริงที่ว่าประชากรของโลกคาดว่าจะใกล้ถึง 10 พันล้านคนภายในปี 2593 เป็นที่ชัดเจนว่าจำเป็นต้องมีการพัฒนาวิธีการทางเลือกในการผลิตการผลิตพลังงานและการขนส่ง เป็นเรื่องดีที่รู้ว่าข้างๆรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดเราสามารถตั้งตารอเครื่องบินไฟฟ้าและไฮบริดได้
