Lượng khí thải carbon khổng lồ của ngành hàng không sẽ được giải quyết khi chuyển sang điện khí hóa. Nhưng cho đến nay, chỉ có những chiếc máy bay nhỏ chạy điện đã cất cánh. Động cơ điện của những máy bay này chỉ có công suất hàng trăm kilowatt.

Để điện khí hóa những phương tiện bay có kích thước và trọng lượng lớn như máy bay vận tải thương mại, cần phải có những động cơ quy mô megawatt. Lực đẩy cho máy bay sẽ được tạo ra từ các hệ thống động cơ hybrid điện hoặc turbo-điện, trong đó một động cơ điện được kết hợp với một động cơ hàng không turbine khí.

 Máy bay thương mại vận tải của tương lai

Hiện thực hóa chuyển đổi từ hàng không nhiên liệu hóa thạch sang hàng không xanh, một nhóm kỹ sư Viện công nghệ Massachusetts (MIT) đang nghiên cứu chế tạo động cơ điện có công suất 1 megawatt, một bước phát triển quan trọng để điện khí hóa những máy bay thương mại lớn hơn.

Nhóm kỹ sư đã thiết kế và thử nghiệm những bộ phận chính của động cơ. Thông qua những tính toán chi tiết và mô phỏng máy tính cho thấy, nếu các bộ phận được lắp ghép, có thể hoạt động như một động cơ điện hoàn chỉnh, cho công suất tổng thể đến 1 megawatt, nhưng có trọng lượng và kích thước tương tự các động cơ máy bay nhỏ hiện nay.

Để máy bay bay hoàn toàn bằng điện, động cơ sẽ được ghép nối với nguồn điện như pin hoặc pin nhiên liệu hydro. Động cơ điện được sử dụng để quay cánh quạt tạo lực đẩy. Động cơ điện có thể được ghép nối với động cơ tua bin phản lực truyền thống để bay với hệ thống đẩy lai, sử dụng điện khi bay hành trình trong giai đoạn giữa của chuyến bay và kết hợp với động cơ nhiên liệu khi cất cánh.

Zoltan Spakovszky, GS T. Wilson trong ngành Hàng không, giám đốc Phòng thí nghiệm động cơ tua-bin khí (GTL) tại MIT, chủ nhiệm công trình nghiên cứu cho biết: "Bất kể chúng ta sử dụng phương tiện vận chuyển năng lượng nào, pin, hydro, amoniac hay nhiên liệu hàng không bền vững, không phụ thuộc loại nhiên liệu, động cơ loại công suất megawatt sẽ là yếu tố chính để xanh hóa ngành hàng không".

Nhóm nghiên cứu của GS Spakovszky, phối hợp với các cộng tác viên trong ngành hàng không và điện sẽ trình bày thiết kế động cơ của nghiên cứu tại một phiên họp đặc biệt của Viện Hàng không và Du hành vũ trụ Mỹ - Hội nghị chuyên đề về Công nghệ Máy bay Điện (EATS ) tại Diễn đàn Hàng không vào tháng 6.

Nhóm MIT bao gồm các giảng viên, sinh viên và nhân viên nghiên cứu từ GTL và Phòng thí nghiệm Hệ thống điện từ và điện tử MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault, và Mohammad Qasim, cùng với Marc Amato của Innova-Logic LLC. Dự án được tài trợ bởi Mitsubishi Heavy Industries (MHI).

Giảm thiểu trọng lượng của động cơ điện

Để ngăn chặn những tác động tồi tệ nhất từ ​​biến đổi khí hậu, các nhà khoa học khẳng định, lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu phải đạt mức trung hòa vào năm 2050. Đối với ngành hàng không, GS Spakovszky cho rằng sẽ có "những thành tựu thay đổi từng bước" trong thiết kế phi truyền thống cấu trúc máy bay, hệ thống nhiên liệu thông minh, linh hoạt, vật liệu tiên tiến, động cơ đẩy điện khí hóa an toàn và hiệu quả. Nhiều công ty hàng không đang tập trung vào phát triển động cơ đẩy điện, thiết kế động cơ điện có công suất đến megawatt, gọn và nhẹ cho máy bay chở khách.

GS Spakovszky nói: “Không có viên đạn bạc nào biến những yêu cầu này thành hiện thực, vấn đề nằm ở thiết kế tổng thể và bộ phận, chi tiết. Đây là kỹ thuật phần cứng, đồng tối ưu hóa những bộ phận riêng lẻ, tương thích với nhau và đạt hiệu suất cao tổng thể. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu phải vượt qua những giới hạn về vật liệu, quy trình sản xuất, quản lý nhiệt, cấu trúc và động lực học cánh quạt cũng như công suất của hệ thống thiết bị điện tử."

Một động cơ điện sử dụng lực điện từ để tạo ra chuyển động cơ học. Động cơ điện, sử dụng năng lượng điện từ pin hoặc nguồn điện để tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua cuộn dây đồng. Một nam châm vĩnh cửu, đặt gần các cuộn dây, sẽ quay theo hướng của từ trường làm quay cánh quạt.

Cấu trúc của động cơ điện đã tồn tại hơn 150 năm, những bộ phận của động cơ điện cồng kềnh, chiếm chiếm không gian và có khối lượng quá lớn cho hệ thống đẩy điện, có thể được áp dụng trên máy bay. GS Spakovszky nói: "Những thiết bị nặng nề không thể được sử dụng trên máy bay. Vì vậy, chúng tôi phải sáng tạo một kiến ​​trúc nhỏ gọn, nhẹ và mạnh mẽ."

Hướng phát triển động cơ điện phù hợp cho máy bay thương mại

Theo thiết kế, mỗi động cơ điện và thiết bị điện tử công suất của MIT đều có kích thước bằng một chiếc vali xách tay, có trọng lượng nhẹ hơn một người trưởng thành.

Các thành phần chính của động cơ điện do MIT chế tạo bao gồm: một rôto tốc độ cao, được gắn dãy nam châm có hướng phân cực khác nhau; một stato nhỏ gọn có tiêu hao điện thấp nằm vừa bên trong rôto và chứa một dãy phức tạp những cuộn dây đồng; một bộ trao đổi nhiệt tiên tiến làm mát các bộ phận động cơ khi hoạt động; một hệ thống điện tử công suất phân tán, được kết hợp từ 30 bảng mạch tùy chỉnh, điều khiển chính xác dòng điện chạy qua từng cuộn dây đồng của stato với tần số cao.

GS Spakovszky nói: "Tôi tin rằng đây là thiết kế tích hợp đồng tối ưu thực sự đầu tiên. Trong nghiên cứu chúng tôi đã thực hiện một cuộc khám phá không gian thiết kế rộng lớn, liên quan đến từng chi tiết, phải cân nhắc tất cả, từ quản lý nhiệt đến động lực học rôto, điện tử công suất và kiến ​​trúc động cơ điện. Tất cả được đánh giá theo phương thức tích hợp để chọn lựa sự kết hợp tốt nhất, đạt được công suất cao nhất ở cấp độ 1 megawatt."

Trong toàn bộ hệ thống, động cơ được thiết kế sao cho những bảng mạch điều khiển phân tán được kết hợp chặt chẽ với động cơ để giảm thiểu tổn thất truyền dẫn, đồng thời động cơ phải được làm mát bằng không khí hiệu quả, sử dụng bộ trao đổi nhiệt tích hợp.

Spakovszky lưu ý: “Đây là một cỗ máy tốc độ cao, để giữ cho cánh quạt quay ổn định khi tạo ra mô-men xoắn, từ trường phải di chuyển rất nhanh, đây là sáng tạo chúng tôi thực hiện được thông qua những bảng mạch chuyển đổi ở tần số cao”.

Nhằm giảm thiểu rủi ro, nhóm nghiên cứu đã chế tạo và thử nghiệm riêng lẻ từng thành phần chính của động cơ, cho thấy các bộ phận có thể hoạt động như thiết kế và ở các điều kiện kỹ thuật vượt quá yêu cầu hoạt động bình thường. Các nhà nghiên cứu MIT có kế hoạch lắp ráp động cơ điện đồng bộ, có thể hoạt động và bắt đầu thử nghiệm vào mùa thu.

Phillip Ansell, giám đốc Trung tâm Hàng không bền vững tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, không tham gia dự án cho biết: “Tiến trình điện khí hóa máy bay đang gia tăng đều theo thời gian. Thiết kế của nhóm MIT là sự kết hợp tuyệt vời giữa các phương pháp thông thường và tiên tiến để phát triển động cơ điện, cho phép thiết bị có công suất lớn và hiệu quả cao, đáp ứng nhu cầu thực tế của máy bay điện trong tương lai."

Sau khi nhóm MIT chứng minh được khả năng hoạt động thực tế của động cơ điện, thiết kế này có thể được phát triển để cung cấp lực đẩy cho những máy bay thử nghiệm chạy điện và kết hợp với động cơ tuabin cánh quạt trong loại động cơ lai điện.

Nhóm nghiên cứu cho rằng, với kích thước nhỏ gọn, các nhà thiết kế có thể lắp đặt nhiều động cơ điện 1 megawatt cánh quạt, phân bố dọc theo cánh nâng chính của các cấu trúc máy bay điện trong tương lai. Đồng thời, thiết kế cơ bản của động cơ điện 1 megawatt có khả năng phát triển thành động cơ nhiều megawatt, cung cấp lực đẩy cho các máy bay chở khách hạng nặng.

GS Spakovszky bình luận: "Tôi nghĩ chúng ta đang đi đúng hướng. "Chúng tôi không phải là kỹ sư điện được đào tạo, nhưng mục tiêu giải quyết những thách thức lớn về khí hậu năm 2050 có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Trong quá trình thiết kế, nhóm nghiên cứu đã sử dụng rất nhiều các công nghệ khác nhau cho một giải pháp tối ưu nhất. Nghiên cứu của nhóm đã hình thành một lĩnh vực mới, thiết kế và chế tạo động cơ máy bay chạy điện hoặc hybrid – điện. MIT mang lại cho nhóm nghiên cứu cơ hội để thiết kế tương lai."