Een nieuwe batterijtechnologie moet hybride elektrische VTOL vliegtuigen lichter en efficiënter maken, terwijl ook de veiligheid verbetert. Door af te stappen van vloeistofkoeling besparen ontwerpers gewicht, terwijl de koelprestaties volgens de ontwikkelaars vergelijkbaar blijven.
Elektrisch vliegen draait allang niet meer alleen om sterkere batterijen met een grotere actieradius. Minstens zo belangrijk is de vraag hoe die batterijen koel blijven tijdens de zwaarste momenten van een vlucht. Vooral bij vliegtuigen die verticaal opstijgen en landen, de zogeheten VTOL toestellen, ontstaat in korte tijd veel warmte.. Een Canadese samenwerking tussen vliegtuigontwikkelaar Jaunt Air Mobility en batterijbedrijf Calogy Solutions moet daar verandering in brengen.
De twee bedrijven ontwikkelen een nieuw batterijpakket dat zonder vloeistofkoeling kan functioneren. Dat klinkt misschien als een detail, maar het kan grote gevolgen hebben voor het gewicht, de betrouwbaarheid en uiteindelijk de prestaties van hybride elektrische vliegtuigen.
Koeling is een verborgen uitdaging
Tijdens een verticale start vragen de elektromotoren in een VTOL toestel in korte tijd enorm veel vermogen. Dat zorgt ervoor dat batterijen veel warmte produceren. Die warmte moet snel worden afgevoerd, omdat hoge temperaturen niet alleen de prestaties verminderen, maar ook de levensduur van de batterij verkorten. In het ergste geval kan oververhitting leiden tot een zogenoemde thermal runaway, waarbij een defecte batterijcel ook omliggende cellen aansteekt.
Om dat te voorkomen maken veel fabrikanten gebruik van vloeistofkoeling. Daarbij circuleert koelvloeistof via leidingen en pompen door het batterijpakket. Dat werkt effectief, maar brengt ook nadelen met zich mee. Het complete koelsysteem voegt extra gewicht toe, vraagt onderhoud en introduceert meer onderdelen die defect kunnen raken.
In de luchtvaart telt iedere kilogram. Gewichtsbesparing kan worden ingezet voor extra laadvermogen, een groter bereik of een lager energieverbruik.
Vergelijkbare prestaties zonder pompen
Calogy kiest daarom voor een andere aanpak. De batterij maakt gebruik van een passief luchtgekoeld systeem dat volgens het bedrijf vergelijkbare koelprestaties levert als vloeistofkoeling. De technologie, Uni.T genaamd, voert warmte af zonder pompen, slangen of koelvloeistof.
Doordat het complete koelsysteem eenvoudiger wordt, kan het batterijpakket lichter worden uitgevoerd. Dat levert vliegtuigontwerpers extra speelruimte op. Zij kunnen die gewichtsbesparing inzetten voor een grotere vracht, langere vliegtijd of extra veiligheidsmarges.
Daarnaast is het batterijpakket zo ontworpen dat de warmte van een defecte batterijcel zich minder gemakkelijk verspreidt naar de rest van het pakket. Binnen de luchtvaart krijgt het beheersen van thermal runaway steeds meer aandacht, mede doordat certificeringsinstanties hoge eisen stellen aan de veiligheid van batterijsystemen.
Eén platform, meerdere toepassingen
De nieuwe batterij wordt toegepast in de onlangs aangekondigde JC 250 en JX 250 van Jaunt Air Mobility. Beide toestellen maken gebruik van dezelfde hybride elektrische aandrijflijn, maar zijn bedoeld voor verschillende toepassingen.
De JC 250 richt zich op vrachtvervoer, terwijl de JX 250 is ontwikkeld voor onder meer militaire logistiek, verkenningsmissies, rampenbestrijding en maritieme surveillance. Juist bij zulke missies is een combinatie van een hoge betrouwbaarheid, een groot bereik en verticaal kunnen opstijgen essentieel.
Beide toestellen maken gebruik van het zogenoemde Slowed Rotor Compound ontwerp. Daarbij leveren de rotoren tijdens de verticale vlucht de benodigde lift, terwijl tijdens de kruissnelheid een groter deel van het draagvermogen wordt overgenomen door de vleugels. Daardoor hoeft het toestel tijdens de kruissnelheid minder lift uit de rotoren te halen, wat het energieverbruik verlaagt ten opzichte van veel andere eVTOL ontwerpen.
Een extra veiligheidsvoordeel van het ontwerp is dat het toestel bij volledig motorverlies nog kan autoroteren of een gecontroleerde glijvlucht kan uitvoeren.
Batterijen bepalen steeds vaker het ontwerp
De ontwikkeling laat zien hoe de rol van batterijen binnen de luchtvaart verandert. Waar accutechnologie vroeger vooral werd gezien als een energiebron, heeft zij tegenwoordig steeds meer invloed op het ontwerp van het vliegtuig als geheel.
Niet alleen de energiedichtheid is daarbij van belang, maar ook zaken als warmteafvoer, veiligheid, laadsnelheid en de totale systeemmassa. Een efficiëntere batterij maakt het mogelijk om andere onderdelen lichter uit te voeren of de prestaties van het vliegtuig te verbeteren zonder grotere accu’s te hoeven plaatsen.
Dat is vooral belangrijk voor hybride elektrische vliegtuigen. Anders dan volledig elektrische toestellen beschikken zij naast batterijen ook over een verbrandingsmotor of generator die tijdens de vlucht elektriciteit opwekt. Daardoor hoeven de batterijen minder energie op te slaan, maar moeten ze wel in staat zijn om tijdens het opstijgen en landen in korte tijd zeer hoge vermogens te leveren. Juist dan ontstaat de meeste warmte.
De race naar efficiëntere elektrische luchtvaart
Wereldwijd investeren tientallen bedrijven in nieuwe batterijtechnologie voor de luchtvaart. Daarbij ligt de nadruk niet alleen op hogere energiedichtheid, maar ook op slimme manieren om warmte af te voeren zonder extra gewicht toe te voegen. Innovaties in batterijkoeling kunnen daardoor net zo belangrijk worden als verbeteringen in de batterijcellen zelf.
Voor Jaunt vormt de samenwerking met Calogy een volgende stap richting de eerste vliegtesten van zijn hybride elektrische platforms. Als de passieve koeling in de praktijk inderdaad vergelijkbare prestaties levert als vloeistofkoeling, kan de technologie ook interessant worden voor andere hybride elektrische vliegtuigen en grote drones die met dezelfde warmteproblemen kampen.
