Elektrische auto’s zijn een steeds beter alternatief voor auto’s met een verbrandingsmotor. Elektrisch vliegen staat echter nog in de kinderschoenen. Een groot probleem voor elektrisch vliegen is de energiedichtheid. Dit is de hoeveelheid energie per kilogram brandstof of per kilogram accu.
a) Leg uit dat de energiedichtheid een groot probleem voor elektrisch vliegen is.
Accu’s zijn zwaar ten opzichte van de hoeveelheid energie die ze kunnen bevatten. Voor een vliegtuig zijn zware accu’s ongunstig om mee de lucht in de te nemen. Dat kost juist weer veel extra energie.
Een studententeam van AeroDelft heeft in 2019 voor een nieuw vliegtuigje geen accu, maar waterstof als energiedrager getest. Met een brandstofcel kan dit omgezet worden in elektrische energie voor een elektromotor. Bij kamertemperatuur is waterstof gasvormig. Ook dat is lastig voor het gebruik in een vliegtuig.
b) Leg dat uit.
In gasvorm neemt de ‘brandstof’ heel veel ruimte in. Ruimte aan boord van een vliegtuig is beperkt. Het moet dan onder druk, maar daar is weer een sterke en dus zware tank voor nodig.
Een oplossing is om het waterstof bij veel lagere druk in vloeibare vorm mee te nemen. Daartoe moet deze echter wel gekoeld worden.
c) Zoek op tot welke temperatuur het waterstof dan minimaal gekoeld moet worden.
- 253 oC of 20 K.
Om het waterstof op deze lage temperatuur te houden is veel isolatiemateriaal nodig. Volgens de ontwerpers wordt de laag om de tank 20 cm dik, maar zal de massa van de tank toch maar 4 kg zijn.
d) Leg uit of het gebruikte materiaal een hoge of een lage dichtheid heeft.
Het volume van het isolatiemateriaal is relatief hoog ten opzichte van de massa. De dichtheid is dus laag.
Om de waterstof om te zetten in elektriciteit wordt een brandstofcel gebruikt. Volgens de ontwerpers is deze brandstofcel groter dan nodig is om het toestel met een constante snelheid te laten vliegen, maar niet groot genoeg om het toestel op te laten stijgen.
e) Welke natuurkundige grootheid speelt bij de keuze van deze brandstofcel een grote rol?
1. Energie
2. Kracht
3. Tijd
4. Vermogen
4
Om toch op te kunnen stijgen, wordt parallel aan de brandstofcel een kleine accu geschakeld. Zie figuur 1.
f) Leg uit dat door het gebruik van deze schakeling het vliegtuig wel kan opstijgen en kan vliegen met de kleine brandstofcel.
De accu levert extra vermogen zodra de brandstofcel onvoldoende vermogen kan leveren. Tijdens de vlucht met constante snelheid kan de brandstofcel meer energie produceren dan de motoren nodig hebben. Met dit overschot kan de accu weer bijgeladen worden.
