Létající auta – emisně šetrnější, než jízda po silnici?

Spoluzakladatel žánru sci-fi Jules Verne v četných literárních dílech předpověděl mnoho technických vynálezů. Jeho popis vědeckotechnické fikce, která se později stala realitou, v exaktnosti nesrovnatelně překonal nicneříkající verše básnicky nadaného Nostradama.

Nyní pomalu ale jistě se začíná plnit i další předpověď zvěčněná na stránkách románu Robur dobyvatel. V něm postava domýšlivého pána postaví akumulátory poháněný stroj z papíru.

V textu knihy autor vymodeloval létající aparát do podoby lodního trupu, jehož paluba místo stěžňů byla poseta polem třiceti sedmi vztyčených stožárů, na jejichž koncích vrněly svislé protiběžné vrtule a dopředný impuls udělovaly další dvě vrtule umístěné na přídi a zádí.

Správný odhad budoucnosti, učiněný v době balónového létání, slučuje dvě vizionářské složky. Za prvé Roburova létající loď těžší vzduchu snese přirovnání k nudným vrtulníkům, ale také k vzrušujícím malým elektrickým strojům. Ty kromě elektropohonu ke knižní předloze přibližuje přítomnost více vrtulí a kolmý způsob vzletu a přistání.

V poslední době se do navrhování těchto elektrických letadel pro přepravu několika osob pustili snad všichni, kdo v leteckém oboru něco znamenají a s nimi současně i někteří zelenáči. Nová třída dopravních prostředků ohromuje příslibem pohodlného městského a příměstského cestování.

Konstruktéři v myslích krouží i kolem větších strojů. Nicméně v rozletu je brzdí nízká kapacita akumulátorů. Přesto nejsou blázni. Akumulátory s energetickou hustotou okolo 800 Wh/kg dříve či později budou dostupné. Pak takový “aeroplán na baterky” uletí přes 1100 km, což už je velmi zajímavé, protože 50 % všech letů na světě spadá do této kategorie.

Zatím se musíme smířit jen s přepravou na krátké vzdálenosti. I tak budou mít malá letadla spoustu práce. Soupeřit se vzdušnými obry nedokáží, ale snížit vytíženost automobilové dopravy mohou. Ne nadarmo se jim ve světě přezdívá létající auta, i když o létající auta, tak jak si je představujeme, nejde, jelikož neumí jezdit po silnici a jejich jedinou specializací je vzduch.

Jak už bylo naznačeno létající auta poznáme podle vícenásobného pohonu. Odborníci z NASA tomu dali technický termín distribuovaný pohonný systém. Přidat do konstrukčních plánů nějakou tu vrtuli navíc se hodí. Aby prostředek dokázal vzlétnout svisle z ploch mimo klasická letiště, musí vyvinout větší tah než, když startující letadlo uhání po letištní dráze a o vztlak se starají křídla.

Mimoto nezávislá regulace otáček vrtulí přispívá k lepší ovladatelnosti a bezpečnosti při nejrizikovějších fázích letu. Ne že by to bylo potřeba u vysoce spolehlivých elektromotorů a jejich elektroniky zvlášť zdůrazňovat, ale pasažéry určitě potěší, že výpadek jednoho pohonného ústrojí nepošle vzdušné plavidlo k zemi vstříc katastrofě.

Elektrické letadlo tedy odstartuje vzhůru stylem dronu z hračkářství, ale kdyby se stejným způsobem po vzoru kvadrokoptéry pohybovalo i vodorovně, setkalo by se s malým pochopením u lidí, co dbají na nízkou uhlíkovou stopu.

Klíčem k udržitelnosti této dopravy bude to, že se vrtule po vzletu překlopí z horizontální do vodorovné polohy a začnou být využívány přednosti úsporného letu s pevným křídlem.

Tím to nekončí. Vhodná konfigurace distribuovaného pohonu přináší další snížení aerodynamického odporu a hluku nad rámec tradičních letadel. Zásluhu na tom má zejména potlačení vírů na koncích křídel a zachování mezní vrstvy.

Ať tak či tak letecká doprava má všeobecně velmi špatnou reputaci ohledně dopadu na životní prostředí. Udržovat objekt s větší hustotou než okolní atmosféra ve vzduchu je zkrátka značně nehospodárné. Na druhou stranu ptáci umí přeletět z kontinentu na kontinent bez toho, aby přijímali během toho potravu, takže létání může být relativně energeticky nenáročné.

Jak je to přesně s vlivem na životní prostředí u létajících aut zjišťoval postgraduální student Akshat Kasliwal spolu s dalšími spolupracovníky. Evidentně se jedná o žhavé téma, protože jejich přímočarou analýzu publikoval prestižní časopis Nature Communications.

Co přesně dělali? Jednoduše porovnali emise skleníkových plynů produkovaných provozem vertikálně startujících a přistávajících letadel (VTOL) na elektřinu s auty pohybujícími se po silnici vybavených buďto spalovacím motorem nebo elektromotorem. (pozn. VTOL: vertical take-off and landing )

Závěry vypracované studie tak jednoduše ovšem vyjádřit nelze. Zatímco pozemní dopravní prostředky v modelu vykazují stále stejnou spotřebu v závislosti na zdolané vzdálenosti, u VTOL strojů se profil letu dá rozložit na několik fází s různou spotřebou.

Nejvíce ze zdroje ukrojí stoupání do letové hladiny (305 m). Samotná cesta k cíli rychlostí 251 km/h v konstantní výšce stojí mnohem méně energie. Proto se emise oxidu uhličitého na kilometr cesty odvíjí od vzdálenosti, kterou letadlo uletí. Ze začátku je množství odpadního plynu hrozivé, ale s narůstající vzdáleností klesá.

Po 35 kilometrech se intenzita tvorby skleníkového plynu vyrovná se spalovacími auty. Dalším prodlužováním dráhy letu křivka produkce plynu klesá dál, až přejde do ustálené asymptoty. Od tohoto bodu vypustí VTOL o 38 % méně oxidu uhličitého oproti vozu vybaveného spalovacím motorem a zároveň o 28 % více než elektromobil.

Toto platí pro jednoho přepravovaného cestujícího. Vědci si ale hráli dál. Letadlo plně obsadili třemi pasažéry a u auta zavedli statistickou hodnotu průměrné obsazenosti, která činí pouze 1,54 člověka. Pak jim vyšlo snížení intenzity emisí o 52 % vůči vozu s pístovým motorem a o 6 % vůči elektromobilu.

Nutné dodat, že kalkulace vychází z předpokládaného amerického energetického mixu pro rok 2020. Při odběru elektrické energie ze zelenějších zdrojů by byl výsledek ještě příznivější. Stejně tak pokud by stroj řídil automatizovaný systém. Z rovnice by vypadl pilot a místo toho přibil jeden pasažér navíc.

Pro zachování emisního benefitu bude proto potřeba klást důraz na sdílené cestování v VTOL aparátech a to na delší trasy.

Nakonec informace v publikaci vyvrací domnělou představu energetické neefektivnosti letecké dopravy. Malý proudový dopravní stroj Embraer 145 s kapacitou 49 cestujících uvolní 0,1 kg oxidu uhličitého na osobu a kilometr při plném vytížení. Elektrické letadlo při obsazení tří míst 0,06 kg oxidu.

Někoho téměř srovnatelné hodnoty asi překvapí, když v účinnosti elektromotor strčí do kapsy nenasytnou proudovou turbínu. Svou roli nejspíš hraje, že spalováním leteckého petroleje ubývá tryskáč značně na váze, kdežto elektrické letadlo musí nést stejnou hmotnost po celou dobu od startu do cíle.