המרדף אחרי האפס המוצק: העולם סביבנו עובר אלקטריפיקציה מטורפת. טסלות חותכות את הנתיבים, אוטובוסים עירוניים שקטים מניעים את ההמונים, ואפילו סירות מנוע עוברות בשקט לסטאפ של סוללות. הכל ירוק, הכל נקי, הכל קורה עכשיו. תרימו את הראש למעלה. מה אתם רואים? פסים לבנים בשמיים. דלק סילוני מזהם, מיושן ורועש. למה, בעצם, אין לנו מטוסי נוסעים חשמליים?
התשובה לא קשורה למזימה של חברות הנפט, ולא לחוסר רצון של חברות התעופה. היא קשורה לפיזיקה אכזרית, קרה ובלתי מתפשרת. קוראים לזה "צפיפות אנרגיה", והנתונים הולכים להכאיב לכל מי שפנטז על טיסה נקייה מרגשות אשם אקולוגיים.
הקרב על הקילוגרם
נדבר במספרים. דלק סילוני הוא פלא הנדסי מטורף בכל הנוגע לאחסון אנרגיה. קילוגרם אחד בלבד של הנוזל הזה מחזיק בתוכו כ-12 אלף וואט-שעה. מה יש לאנושות להציע מנגד? סוללות הליתיום-יון המתקדמות ביותר, אלה שנמצאות בחזית המדע ובמעבדות הטכנולוגיה הכי קיצוניות, מגרדות בקושי את ה-330 וואט-שעה לקילוגרם.
מה זה אומר "וואט-שעה לקילוגרם"? תחשבו על זה כעל מדד ה"דחיסות" של הקלוריות בחומר. וואט-שעה היא יחידת אנרגיה (כמה כוח חומר מספק לאורך שעה אחת). כשמחלקים אותה בקילוגרם, מקבלים את השורה התחתונה של עולם התעופה. כמה כוח תקבלו מכל קילוגרם של משקל שמעמיסים על המטוס. ככל שהמספר גבוה יותר, ככה סוחבים פחות "שומן מת" ויותר שרירים אנרגטיים.
במילים פשוטות (ובחישוב מהיר), דלק סילוני דוחס פי 40 יותר אנרגיה בכל קילוגרם לעומת הסוללה הכי טובה שיצרנו אי פעם.
מה זה אומר? צפיפות אנרגיה היא כמות האנרגיה שניתן לאגור במערכת או בחומר מסוים ליחידת מסה (משקל) או נפח. בתעופה, המשקל הוא המלך הבלתי מעורער. ככל שחומר מחזיק יותר אנרגיה בפחות משקל, כך הוא יעיל יותר להרמת גופים כבדים לאוויר.
ההבטחה הסינית
אל תמצמצו, כי תעשיית הסוללות לא מחכה לאף אחד. ענקית האנרגיה הסינית CATL כבר זורקת למערכה סוללות "מצב דחוס" ומנפנפת בנתון מטורף של 500 וואט-שעה לקילוגרם. זינוק מרשים מה-330 הסטנדרטי, נכון? לא בדיוק.
גם חצי קילו-וואט שעה לקילוגרם הוא פירור מול ה-12 אלף של הדלק הסילוני. המעבדות הסיניות אולי יספקו סוללות למוניות מעופפות (eVTOL) או למטוסים פרטיים זעירים, אבל הבואינג 737? הוא עדיין כבד מדי, עצלן מדי, ולא זז מילימטר מהתעלה.
טיעון הנגד
"רגע אחד", יגידו חובבי הטכנולוגיה. "מנועי סילון הם בזבזניים! הם מאבדים חצי מהאנרגיה שלהם כחום שנפלט לאטמוספירה!" זה נכון. מנוע סילון הוא שורף אנרגיה לא מרוסן. מנגד, מנועים חשמליים הם יצירות מופת של יעילות - הם יודעים לנצל כ-90% מהאנרגיה של הסוללה לטובת תנועה נקייה.
אבל הנה הפאנץ'. גם אחרי שמקזזים את האנרגיה שהופכת לחום במנוע הסילון, ומחמיאים ליעילות המטורפת של המנוע החשמלי, השורה התחתונה נשארת נוקאאוט מהדהד. דלק סילוני עדיין צפוף אנרגטית פי 14 מסוללה, קילוגרם מול קילוגרם. היתרון החשמלי נמחק עוד בשלב פתיחת המעטפה.
כנפיים מרובות מנועים
למנוע החשמלי יש קלף סודי אחד בשרוול, והוא משנה את האווירודינמיקה לחלוטין. מנוע סילון הוא מפלצת כבדה ומסורבלת; אי אפשר לתקוע 16 מנועים כאלה על כנף אחת בלי לפרק את המטוס. מנועים חשמליים, לעומת זאת, הם קטנים, קלים ופשוטים מכנית. זה מאפשר להנדס מטוסים בשיטת DEP (Distributed Electric Propulsion) - פיזור של עשרה או שנים-עשר מנועים זעירים לאורך כל שפת הכנף.
מה זה אומר נצילות מנוע? היחס הטהור בין האנרגיה שנכנסת למערכת לבין האנרגיה שיוצאת ממנה כעבודה שימושית שמניעה אתכם קדימה. מנוע סילון הוא בזבזן היסטרי. הוא שורף דלק ומעיף חצי מהאנרגיה שלו לאטמוספירה בצורת חום מטורף ורעש.
הסטאפ הזה מייצר זרימת אוויר מטורפת, מגדיל את העילוי בטירוף ומאפשר המראות ממסלולים קצרים. זה אולי לא פותר את משקל הסוללה, אבל זה הופך את המטוס החשמלי ליצור הכי אווירודינמי על המסלול.
אפקט הדיאטה המוטסת
כאן נכנס האלמנט ההנדסי שרובנו שוכחים: מטוסים הם יצורים דינמיים, והמשקל שלהם משתנה בזמן אמת.
מטוס בואינג 737 טיפוסי ממריא כשהוא נושא בתוך הכנפיים שלו משהו כמו 16 אלף קילוגרם של דלק. ככל שהטיסה מתקדמת, המטוס שורף את הדלק הזה ומשחרר אותו. המשמעות היא שהמטוס הולך ונעשה קל יותר מרגע לרגע. מטוס קל יותר צריך פחות עילוי, מה שדורש פחות כוח מהמנועים, מה שהופך את הטיסה להרבה יותר יעילה ככל שמתקרבים ליעד. זו דיאטה תוך כדי תנועה.
ומה קורה עם סוללה? סוללה היא לבנה קשוחה, כבדה ועקשנית. סוללה ב-1% קיבולת שוקלת בדיוק, אבל בדיוק, כמו סוללה ב-100% קיבולת. המטוס החשמלי שלכם יסחב את משקל "מיכל הדלק" המטורף שלו לאורך כל הדרך, מההמראה ועד לנחיתה. אפס גמישות.
כדאי לדעת: מטוס הוא לא משאית. אי אפשר להעמיס עליו סחורה. לכל כלי טיס יש קו אדום הנדסי קשיח שנקרא Maximum Takeoff Weight. זהו המשקל המקסימלי שבו המטוס מסוגל לייצר מספיק עילוי כדי לנתק מגע מהמסלול ולטפס לאוויר בצורה בטוחה, בלי שהכנפיים יתעקמו או המנועים יקרסו מהעומס. ברגע שהסוללות לבדן שוקלות פי 12 מהמשקל הזה - המטוס הופך למשקולת נייר יקרה על הקרקע.
הסוד המלוכלך של חברות התעופה
חברות התעופה הגדולות בכלל לא בונות על חשמל לטווח הארוך. ההימור האמיתי שלהן נקרא (Sustainable Aviation Fuel) - דלק סילוני בר-קיימא. לוקחים שמני בישול משומשים, פסולת עירונית, או פחמן שנלכד מהאוויר, ומזקקים אותם לקרוסין ירוק.
הפיזיקה פה מושלמת. הוא שומר על צפיפות האנרגיה המטורפת של דלק רגיל, המטוס עדיין מרזה תוך כדי טיסה, ולא צריך להחליף בורג במנועים הקיימים. הבעיה? הוא יקר רצח, וכושר הייצור העולמי כרגע בקושי מספיק כדי לתדלק אחוז קטן מהשמיים.
מחקר מקיף של אוניברסיטת סטנפורד לקח את הבואינג 737 המוכר ובדק מה יקרה אם ננסה להפוך אותו לחשמלי לחלוטין. התוצאה היא מדע בדיוני, מהסוג הרע. כדי לספק למטוס כזה מספיק אנרגיה לטיסה מסחרית סטנדרטית, נצטרך להעמיס עליו כ-351 אלף קילוגרם של סוללות.
כדי להבין את גודל האבסורד צריך לחשוב שמשקל הסוללות בלבד גדול פי 12 ממשקל המטען המקסימלי שהמטוס הזה מסוגל לשאת בכלל. הוא לא יצליח לנתק גלגלים מהמסלול. הוא אפילו לא יצליח לזוז מהטרמינל.
כדאי לדעת: אם סוללות כבדות מדי, למה לא לטוס על מימן? המימן מגיע עם תיק משלו, וזה נפח. כדי לאחסן מימן במצב צבירה נוזלי, צריך לקרר אותו למינוס 253 מעלות צלזיוס ולדחוף אותו למיכלי ענק כדוריים מבודדים תרמית. המיכלים האלה תופסים כל כך הרבה מקום, שחברות התעופה יצטרכו לוותר על חצי ממושבי הנוסעים במטוס רק כדי לפנות מקום ל"דלק".
אז מה הסטטוס?
כדי שמטוסי נוסעים חשמליים מסחריים יהפכו למציאות בשמים, המדע חייב לייצר פריצת דרך קיצונית בחומרים. אנחנו צריכים סוללות שיגיעו לצפיפות של 2,000 עד 3,000 וואט-שעה לקילוגרם. כרגע, אנחנו רחוקים משם שנות אור.
בשנים הקרובות כנראה נראה טיסות אזוריות קצרות מאוד, במטוסים קטנים וקלילים. אבל טיסה חשמלית ישירה מניו יורק ללוס אנג'לס בבואינג חשמלי? תשכחו מזה. הפיזיקה פשוט אמרה לא.
טעינו? נתקן! אם מצאתם טעות בכתבה, נשמח שתשתפו אותנו