השפעת פליטת הפחמן דו-חמצני, על ההתחממות הגלובלית, הפכה לכוח מניע מרכזי בפיתוח מטוסים חשמליים, כשצוותי הפיתוח שואפים לזיהום אפסי. תעופה מהווה 2.4% מכלל פליטות הפחמן הדו-חמצני שמקורן בדלק מאובנים, וחלקו בסך הכל גדל ב-32% בין 2013 ל-2018. יתרון נוסף הוא הפחתת הרעש מאחר שמטוסים חשמליים שקטים ממטוסים בעלי בעירה פנימית. מנועים חשמליים גם אינם מאבדים כוח בגבהים, בניגוד למנועי בעירה פנימית, תוך הימנעות מהצורך באמצעים מורכבים ויקרים המשמשים למניעת זאת, כגון שימוש במגדש טורבו.
מנגנוני האחסון והאספקה של החשמל הדרוש משתנים במידה ניכרת, ולכל אחד מהם יתרונות וחסרונות מובהקים. המנגנונים שבהם נעשה שימוש כוללים:
תאים סולאריים.
תא סולארי ממיר את אור השמש ישירות לחשמל, אם לצורך חשמל ישיר או לאחסון זמני. תפוקת החשמל של תאים סולאריים נמוכה ומחייבת שרבים מחוברים זה לזה, מה שמגביל את השימוש בהם. פאנלים סולאריים אופייניים הפועלים ביעילות המרה של 15–20% (אנרגיית אור השמש לחשמל) מייצרים כ-150–200 וואט למטר רבוע באור שמש ישיר. שטחים שמישים מוגבלים עוד יותר מכיוון שהפלט מלוח בעל ביצועים גרועים משפיע על התפוקה של כל הלוחות במעגל שלו, כלומר כולם דורשים תנאים דומים, כולל היותם בזווית דומה לשמש, ואינם מוסווים על ידי צל.
בין 2010 ל-2020 ירדה העלות של מודולי החשמל הסולאריים ב-90% והעלות ממשיכה לרדת ב-13–15% בשנה. יעילות התאים הסולריים עלתה גם היא באופן משמעותי, מ-2% בשנת 1955 ל-20% בשנת 1985, וכמה מערכות ניסיוניות עולות כעת על 44%.
הזמינות החופשית של אור השמש הופכת את כוח השמש לאטרקטיבי ליישומים בגובה רב, בעל סיבולת ארוכה, כאשר הקור וההפרעות האטמוספיריות המופחתות הופכות את האור ליעיל משמעותית מאשר על הקרקע. הירידה בטמפרטורת האוויר היבש ככל שהגובה עולה, עומדת בממוצע על 6.49 מעלות צלזיוס לקילומטר (שמחושב בהכשרת טייסים כ-1.98 מעלות צלזיוס ל-1,000 רגל או 3.56 מעלות פרנהייט ל-1,000 רגל) כך שהטמפרטורה בגובה השיוט של מטוס (כ-35,000 רגל) יהיה נמוך משמעותית מאשר בגובה הקרקע.
טיסות לילה בדרך כלל דורשות מערכת אחסון גיבוי, הנטענת במהלך היום מעודפי כוח, ומספקת חשמל בשעות החשכה.
סוללות.
סוללות הן המרכיב הנפוץ ביותר באחסון האנרגיה המשולב במטוסים חשמליים, בשל כושר האחסון הגבוה יחסית שלהן. סוללות הפעילו ספינות אוויר במאה ה-19, אך סוללות עופרת-חומצה היו כבדות מאוד ורק עם הגעתן של כימיקלים אחרים, כגון ניקל-קדמיום (NiCd) מאוחר יותר במאה ה-20, הפכו הסוללות למעשיות לכלי טיס הכבדים מן האוויר. סוללות מודרניות הן לרוב נטענות ומבוססות על טכנולוגיות ליתיום.
בשנת 2017 ההספק הזמין מסוללות נאמד בסביבות 170 וואט/ק"ג, 145 וואט/ק"ג כולל יעילות המערכת, בעוד טורבינת גז הוציאה 6,545 וואט/ק"ג מדלק של 11,900 וואט/ק"ג. בשנת 2018 נאמדו סוללות ליתיום-יון כולל אריזה ואביזרים לתת 160 וואט/ק"ג בעוד שדלק התעופה נותן 12,500 וואט/ק"ג.
פוטנציאל ההנעה הכל-חשמלית נשאר מוגבל לתעופה כללית, שכן בשנת 2018 צפיפות אחסון החשמל הייתה עדיין רק 2% משל דלק מטוסים. יחס 1:50 זה הופך את ההנעה החשמלית לבלתי מעשית למטוסים ארוכי טווח. לדוגמה, מטוס כול-חשמלי שיידרש לטוס למרחק של 500 מייל (930 ק"מ) עם 12 נוסעים תדרוש הגדלה פי שישה בצפיפות הסוללות.
נכון לשנת 2019, סוללות הלתיום-יון החזקות ביותר השיגו 250–300 ואט-שעה לק"ג, המספיקות למטוס קטן, ואילו מטוס אזורי יהיה צריך סוללה של 500 ואט-שעה לק"ג ומטוס בגודל של איירבוס A320 יהיה צריך סוללה בחוזק 2 קוט"ש לק"ג. סוללות כאלה יכולות להפחית את עלויות ההפעלה הכוללות של כמה טיסות לטווח קצר. לדוגמה, סוללה של 300 קוט"ש המשמשת ב-Harbour Air Beavers עולה להם בסביבות 30 דולר קנדיות בהשוואה ל-160 דולר להפעלת מנוע הבנזין פראט אנד ויטני R-985 וואספ ג'וניור למשך שעה אחת, כאשר הוא שורף 24 גלון אמריקאי.
טעינה.
ועדת AE-7D של SAE אינטרנשיונאל הוקמה על ידי חברת אלקטרו. Aero בשנת 2018 לתקנת טעינת מטוסים חשמליים ואחסון אנרגיה. אחד המסמכים הראשונים שפותחו היה תקן AS6968 לטעינת מטוסים חשמליים תת-מגה-ואט של מטוסים חשמליים. ועדת AE-7D מפתחת גם את דו"ח המידע על החלל AIR7357 לטעינה ברמת הספק של מגה-ואט.
קבלי על.
קבל על הוא מערכת אחסון אנרגיה אלקטרוכימית היברידית הגוברת בין סוללות וקבלים, ויש לה יתרונות מסוימים על פני סוללות ביכולת להטעין ולפרוק הרבה יותר מהר עם זרמי שיא גבוהים יותר, תוך שהיא לא מוגבלת במספר מחזורי פריקה-טעינה, כמו התגובה היא לא רק כימית אלא גם חשמלית.
צפיפות האנרגיה שלהם, בדרך כלל בסביבות 5 וואט שעה לק"ג, ועם זאת רמתם נמוכה בהרבה משל סוללות, והם יקרים בהרבה, גם כאשר תוחלת החיים שלהם ארוכה יותר.
תאי דלק.
תא דלק משתמש בתגובה בין שני כימיקלים כגון מימן וחמצן ליצירת חשמל, בדומה למנוע טילים מונע נוזלים, אך מייצר חשמל בתגובה כימית מבוקרת, במקום דחף. בעוד המטוס חייב לשאת את המימן (או דלק דומה), עם סיבוכים וסיכונים משלו, ניתן להשיג את החמצן מהאטמוספירה.
רחפן דיאמונד HK36 סופר דימונה שהוסב על ידי בואינג לנשיאת תאי דלק ביצע טיסות ניסוי ב-2008 עם מערכת היברידית של תאי דלק/סוללת ליתיום-יון והם שימשו בכמה רכבי נאס"א כולל לוויינים וכמוסות חלל, אם כי אלה חייבים לשאת גם חמצן.
נדרשת עבודת מחקר ופיתוח נוספת לפני שהם יעילים במטוסים, מכיוון שהם יקרים פי עשרה מהסוללות.
טעינה אלחוטית.
קרינת כוח (Power beaming) של אנרגיה אלקטרומגנטית כגון מיקרוגל נשענת על מקור חשמל על הקרקע. עם זאת, בהשוואה לשימוש בכבל חשמל, קרינת החשמל מאפשרת למטוס לנוע אופקית ולשאת משקל נמוך בהרבה, במיוחד ככל שהגובה עולה. הטכנולוגיה הודגמה רק בדגמים קטנים ומחכה לפיתוח מעשי בהיקפים גדולים יותר.
כבלי חשמל חיצוניים.
לרכבים ממונעים המחליפים איירוסטטים קשורים, ניתן לחבר כבל חשמל לקרקע, שיתחבר לגנרטור חשמלי או לרשת החשמל המקומית. בגבהים נמוכים זה נמנע מהצורך להרים סוללות, ושימש את רכב התצפית הניסיוני Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ-1 משנת 1917. אולם ככל שהוא עף גבוה יותר, כך אורך הכבל שהוא מרים כבד יותר.
הנעה.
מנועים חשמליים.
בעוד שהסוללות שוקלות יותר מכמות מקבילה של דלק, מנועים חשמליים שוקלים פחות ממקביליהם בעלי הבעירה הפנימית. המנוע החשמלי MagniX Magni500 המשמש את הדה האבילנד קנדה DHC-2 ביבר שוקל 135 ק"ג (297 ליברות) ומייצר 560 קילוואט (750 shp) בהשוואה ל-פראט אנד וויטני R-985 עם משקל יבש של 290 ק"ג (640 ליברות), שמייצר 300 קילוואט (400 כ"ס). מנועים אחרים שנמצאים בפיתוח, כגון סימנס, מספקים יחס הספק למשקל אפילו טוב יותר.
בססנה 208, מנוע הפראט אנד וויטני קנדה PT6 A-114A מייצר 503 קילוואט (675 כ"ס) ומשקלו 160 ק"ג (360 ליברות) יבש.
לסימנס יש מנוע חשמלי בחוזק 260 קילוואט (350 כ"ס) ששוקל 50 ק"ג (110 ליברות), שתוכנן במיוחד לשימוש במטוסים. תפוקות מנוע מקבילות לקונטיננטל IO-550 , שמפיק 220 קילוואט (300 כ"ס) ושוקל 195.37 ק"ג (430.72 ליברות) משקל יבש. מלבד המנוע עצמו, מערכת הנעה חשמלית כוללת גם מהפך מתח ומכילה מערכת המקבילה לעתודת דלק , בעוד שבמנועי הבנזין יש גנרטורים, מצנני נפט, קווי דלק, משאבות וציוד אחר שצריך לקחת בחשבון במלואו בכל השוואה והם לא כלולים במשקל היבש.
בנוסף, עליית ההספק, בשילוב עם שינויים בתעודת סוג משלים (STC) יכולים לקזז את משקל הסוללות על ידי הגדלת משקל הפעולה ברוטו של המטוס, כולל באופן מחייב, משקל הנחיתה. כלי טיס שמשתמשים בדלקי מאובנים קלים יותר כאשר הם נוחתים, מה שמאפשר למבנה שצריך לספוג את ההשפעה להיות קל יותר. עם מטוס המונע באמצעות סוללות, המשקל נשאר זהה, ולכן עשוי לדרוש חיזוק.
הנעה היברידית.
הוא כלי טיס בעל הנעה היברידית. בדרך כלל הוא ממריא ונוחת בעזרת כוח חשמלי נקי ושקט, ומשייט בעזרת מנוע בוכנה או מנוע סילון רגיל. זה הופך טיסות ארוכות למעשיות, תוך צמצום זיהום האוויר שלהן. במאי 2018 היו למעלה מ-30 פרויקטים, וכלי טיסה היברידיים-חשמליים לטווח קצר היו צפויים משנת 2032. המתקדמים ביותר הם הZunum Aero בעל 10 מושבים, האיירבוס E-Fan X VoltAero Cassio, יונייטד טכנולוג'יס מסבה בומברדייה דאש 8 להנעה היברידית, בעוד שאב טיפוס של אמפר טס לראשונה הלאה 6 ביוני 2019.
מגנטו-הידרודינמיקה.
בנובמבר 2018, מהנדסי המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס הטיסו את הטיסה הראשונה עם מטוס מדגם ללא חלקים נעים, ה-EAD Airframe 2. הוא מונע על ידי יצירת רוח יונים באמצעות מגנטו-הידרודינמיקה. מגנטו-הידרודינמיקה שימשה בעבר להשגת המראה אנכית, אך רק על ידי חיבור מערכת מחולל היונים לאספקת חשמל חיצונית.
היסטוריה.
חלוצים.
השימוש בחשמל להנעת מטוסים נוסה לראשונה במהלך פיתוח ספינת האוויר בחלק השני של המאה התשע עשרה. ב-8 באוקטובר 1883 הטיס גסטון טיסנדייה את ספינת האוויר הראשונה המונעת באמצעות חשמל. בשנה שלאחר מכן טסו צ'ארלס רנרד וארתור קרבס לה-צרפת עם מנוע חזק יותר.  אפילו עם כושר ההרמה של ספינת אוויר, המצברים הכבדים הדרושים לאחסון החשמל הגבילו מאוד את המהירות והטווח של ספינות אוויר מוקדמות כאלה.