美研究提出电池能量密度门槛 太阳能飞机有望连飞数月

一项由美国主导的研究提出，500瓦时每千克（Wh/kg）的电池能量密度，是长航时太阳能飞行器在气候条件适宜区域持续飞行的关键门槛。若这一指标能够实现，无人飞行器有望在空中连续飞行数周乃至数月。相关研究路径由哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院研究人员联合密歇根大学及产业合作方提出，论文发表于《ACS Energy Letters》。

这类飞行器通常在距地面约6万英尺（约18.3千米）的平流层活动，承担气候研究、飓风追踪、野火监测等观测任务。其运行方式为白天由太阳能板供电并为电池充电，夜间则依靠电池储能维持飞行。研究给出的500Wh/kg目标，约为商用电动汽车电池（约250Wh/kg）的两倍；目前已有实验型特种电池达到约400Wh/kg，距门槛已不远，但成本仍是主要制约。

研究由克雷格·马斯卡雷纳斯牵头，依托哈佛大学大气科学家吉姆·安德森的实验室开展。马斯卡雷纳斯描述了其中的工程难点：储能需求越大，电池自重越高，飞机就需要更大动力才能维持升力与前进。因此研究团队认为，面向这类飞行器的电池研发应优先追求能量密度，即单位重量可储存的电能；而代表放电速度的功率密度并非关键，因为飞行器本身功耗不高，核心诉求是携带足够电量撑过整夜。“我们已经很接近目标了。这类电池现在价格高昂，但降价速度很快。”马斯卡雷纳斯表示。

需要说明的是，该成果给出的是研发指标，并非已经造出新型电池，也未实现长达数月的飞行任务。能否持续飞行，同样取决于当地大气环境条件。电池领域研究者文卡塔苏布拉马尼亚·维斯瓦纳坦与沙尚克·斯里帕德参与了本次分析，航空创业者约翰·兰福德为论文合著者，其旗下企业已研发并试飞过多款实验太阳能飞机。

安德森已研究太阳能飞行器方案三十年，主导哈佛大学参与平流层机载气候观测系统（SACOS）项目。该方案的最大优势在于连续观测。研究资料显示，NASA的有人驾驶ER-2科研飞机单次任务通常只有6至8小时，每小时飞行成本高达数万美元。太阳能飞行器未来有望在数月内对同一区域反复监测，减少人力投入、压低运行成本，并获得更长的观测周期。

目前，安德森与马斯卡雷纳斯同时在推进相关研究，为野火测绘、环境遥感的深度学习模型与辐射传输模型提供支撑。马斯卡雷纳斯表示，他一心希望减轻全球野火带来的破坏，该项目所能实现的独特能力令人期待。