Pada rapat umum baru-baru ini, Donald Trump menyatakan bahwa pesawat listrik akan menjadi ide yang buruk karena kamu tidak bisa terbang jika mendung. Saya kira “listrik” sama dengan “energi surya” dalam benak mantan presiden—yang, Anda tahu, sebenarnya hebat. Hanya saja… tidak demikian halnya dengan perjalanan udara.
Oh, pesawat tenaga surya sudah ada sejak lama, tetapi mungkin bukan itu yang ada dalam pikiran Trump. Ini adalah pesawat ultralight, biasanya tak berawak atau membawa seorang pilot kurus. Sangat tidak mungkin Anda akan menjadi penumpang di pesawat bertenaga surya yang tertunda oleh awan.
Bagaimana saya bisa begitu yakin? Karena fisika. Mari kita lihat alasannya.
Apa yang Membuat Pesawat Terbang?
Lain kali Anda naik mobil, julurkan tangan Anda ke luar jendela, datar, dengan telapak tangan menghadap ke bawah. Anda akan merasakan gaya dorong ke belakang akibat interaksi dengan udara. Sekarang miringkan tangan Anda sedikit ke atas—jangan melawan, biarkan saja udara mendorong tangan Anda ke atas. Rasanya seperti ingin terbang, bukan? Tangan Anda seperti sayap pesawat.
Apa yang sebenarnya terjadi di sini? Mari kita fokus pada satu molekul udara yang berinteraksi dengan tangan Anda. Molekul tersebut mulai diam—kecepatannya (kita) adalah 0, seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah. Kemudian, tangan-sayap Anda yang bergerak bertabrakan dengan molekul udara tersebut dan mendorongnya sehingga bergerak ke bawah dan ke depan.
Atas kebaikan Rhett Allain
Molekul udara tersebut berubah kecepatannya, yang berarti ia mengalami percepatan. Itu berarti pasti ada gaya (F) ke arah percepatan. (Hukum kedua Newton: F = m⋅aDi mana M adalah massa.) Gaya pada udara ini berasal dari tangan yang mendorongnya. Akan tetapi, jika tangan mendorong udara, maka udara akan mendorong balik tangan dengan gaya yang sama tetapi berlawanan. (Itulah hukum ketiga Newton, jika Anda mencatatnya.)
Jadi hasil interaksi antara tangan dan udara ini akan mendorong tangan ke atas Dan kembali. Dengan sejumlah besar molekul udara, interaksinya pada dasarnya sama. Bagian gaya dorong ke atas ini disebut mengangkatBagian yang mendorong ke belakang disebut menyeretGaya angkat dan gaya hambat hanyalah dua bagian dari interaksi yang sama—Anda tidak dapat memiliki yang satu tanpa yang lain.
Lift adalah apa yang kita inginkan, karena itu menyeimbangkan gaya gravitasi dan menjaga pesawat tetap mengudara. Namun, kita juga memiliki gaya hambat yang menyebalkan. Karena ini adalah gaya dorong ke belakang, maka gaya ini akan menyebabkan pesawat melambat. Jika Anda tidak ingin melambat, Anda akan memerlukan beberapa jenis gaya yang mendorong pesawat ke depan, seperti mesin jet. Kami menyebutnya doronganJika semuanya digabungkan—daya angkat, gaya hambat, gaya gravitasi, gaya dorong—inilah diagram gaya untuk pesawat yang terbang dengan kecepatan konstan:
Atas kebaikan Rhett Allain
Tentu saja, untuk menciptakan gaya dorong, dibutuhkan sejumlah energi.
Tenaga untuk Pesawat Terbang
Jadi, berapa konsumsi daya pesawat penumpang seperti Boeing 737? Ada dua metode yang berguna untuk memperkirakan daya yang dibutuhkan untuk terbang dengan kecepatan konstan. Mari kita bahas keduanya.
Metode pertama adalah dengan menggunakan rasio luncur. Bayangkan pesawat Anda kehabisan bahan bakar. Untuk mempertahankan kecepatan pesawat, Anda dapat mengurangi ketinggian dan kehilangan sebagian energi potensial gravitasi untuk mengatasi hilangnya energi akibat hambatan. Saya tidak memiliki angka pasti, tetapi saya rasa rasio luncur 17:1 tampaknya masuk akal untuk 737. Ini berarti bahwa tanpa tenaga, 737 akan bergerak maju sejauh 17 meter untuk setiap 1 meter jatuhnya.
Kita dapat menggunakan perubahan ketinggian ini (dan energi potensial gravitasi) untuk menghitung efek gaya hambat. Oke, kita akan memerlukan beberapa parameter lagi. Bersamaan dengan rasio luncur, saya akan menggunakan pesawat bermassa 80.000 kilogram dan kecepatan jelajah 225 meter per detik (sekitar 500 mil per jam).
Misalkan pesawat jatuh pada jarak 1 meter—ini akan menjadi perubahan energi potensial gravitasi sebesar m⋅g⋅hDi mana M adalah massa, G adalah medan gravitasi (9,8 newton per kilogram), dan H adalah tingginya. Ini memberikan perubahan energi sebesar 7,84 x 105 joule. Bagaimana dengan daya? Daya adalah laju perubahan energi: P = ΔE/ΔtKita dapat mengetahui waktunya dengan melihat kecepatan pesawat selama meluncur. Untuk penurunan 1 meter itu, pesawat menempuh jarak 225 meter. Ini menghasilkan interval waktu 0,076 detik. Itu berarti daya yang dibutuhkan untuk bergerak dengan kecepatan konstan adalah 1,0 x 107 watt (1 watt = 1 joule per detik). Ya, itu 10 juta watt.
Sekarang untuk metode kedua—melihat mesin jet. Tentu saja ada banyak variasi Boeing 737, tetapi katakanlah kita memiliki pesawat dengan dua mesin yang bersama-sama menghasilkan daya dorong 100 kilonewton pada kecepatan jelajah 225 m/s. Di sini, kita dapat menghitung “kerja” yang dilakukan oleh mesin, yang merupakan hasil perkalian gaya dan perpindahan. Dalam kasus ini, saya akan memilih interval waktu 1 detik sehingga pesawat akan menempuh jarak 225 meter (lihat, itu mudah). Sekarang saya dapat menemukan daya sebagai kerja dibagi waktu. Ini memberi kita daya sebesar 2,3 x 107 watt. Ya, itu dua kali lipat dari perkiraan kami sebelumnya, tapi tidak apa-apa. Mari kita gunakan nilai yang lebih rendah yaitu 107 watt, untuk membuat kasus pesawat tenaga surya sekuat mungkin.
Pesawat Bertenaga Surya
Panel surya mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Daya yang dihasilkan oleh panel surya bergantung pada beberapa faktor: intensitas (SAYA) cahaya, ukuran (luas) panel (A), sudut (Saya) cahaya, dan akhirnya efisiensi (adalah) perangkat. Satu-satunya bagian yang sulit adalah sudutnya. Berikut diagramnya.
Atas kebaikan Rhett Allain
Sudut di mana cahaya mengenai panel, Sayadiukur dari garis tegak lurus ke permukaan. Ini berarti Anda akan mendapatkan daya panel surya maksimum saat cahaya bersinar lurus (Saya = 0), karena cosinus(0) = 1.
Oke, mari kita hitung cepat. Intensitas cahaya matahari di lokasi Bumi adalah sekitar 1.361 watt per meter persegiJadi, katakanlah panel surya kita berukuran 1 meter x 1 meter dengan efisiensi 25 persen (yang sangat optimis). Jika cahaya mengenai sudut 30 derajat, panel surya ini akan memberi kita daya sebesar 294,7 watt.
Nah, 737 bertenaga surya kita akan membutuhkan banyak daya yang lebih besar dari itu. Kita dapat menghitung luas permukaan yang dibutuhkan untuk menghasilkan 10 juta watt. Untuk menyederhanakannya, mari kita asumsikan cahaya tegak lurus terhadap panel (jelas tidak realistis). Dengan ini, kita akan membutuhkan panel seluas 29.000 meter persegi.
Sebagai perbandingan, 737 memiliki luas sayap 125 meter persegi. Jika ditutupi dengan panel surya, maka akan menghasilkan 42 kilowatt. Itu bagus, tetapi tidak cukup bagus untuk pesawat penumpang. Untuk lebih spesifik, itu adalah 0,4 persen dari daya yang Anda butuhkan untuk tetap berada di udara.
Intinya, cukup sulit untuk membayangkan cara membuat pesawat penumpang bertenaga surya. Namun, itu tidak menutup kemungkinan untuk pesawat listrik sama sekali! Kita mungkin memiliki beberapa pesawat yang bagus pesawat bertenaga baterai suatu hari nanti.
Oh, tapi bagaimana dengan pesawat bertenaga surya sungguhan? Kuncinya adalah terbang lebih lambat dengan massa yang lebih rendah sehingga gaya hambatnya lebih kecil. Jika sayapnya cukup besar, mungkin saja mendapatkan tenaga yang cukup untuk terbang—hingga langit mendung.
