Jazda bez trzymanki
Niedawno pisaliśmy w "MT" o słabnącym entuzjazmie do idei "samochodu bez kierowcy". Po śmiertelnych wypadkach spowodowanych przez maszyny Tesli i Ubera nadeszła fala zwątpienia w projekty autonomiczne. Wydaje się jednak, że nie ma od nich odwrotu, bo kolizji z udziałem pojazdów tradycyjnych, kierowanych ludzką ręką jest znacznie więcej. Nikt chyba nie wątpi, że systemy automatycznego prowadzenia i nawigacji są w sumie bezpieczniejsze.
Obecnie trwa po prostu etap weryfikacji zbyt daleko idących oczekiwań i radykalnych projektów, przestawiających motoryzację od razu na pełną autonomię. Będziemy więc widzieć strategię małych kroków, stopniowego automatyzowania, czyli rozwoju funkcji samodzielnego parkowania i dojazdu do kierowcy, działania tempomatu, automatycznych reakcji świateł, komunikacji wozu z systemami inteligentnej drogi itd. Standardowy samochód będzie ewoluował od wspomagania kierowcy w niektórych sprawach do stopniowego przejmowania pełnej kontroli nad wszystkimi aspektami jazdy w większości warunków drogowych.
Podobnie wygląda to w dziedzinie wciąż niezadowalającego zasięgu napędów elektrycznych. Niedawno, w ramach aktualizacji technicznych wprowadzanych regularnie przez firmę Elona Muska, Tesla Model S Long Range (1) stał się pierwszym samochodem elektrycznym w historii, który przekroczył barierę 600 km realnego zasięgu na jednym ładowaniu. Ten sam model - ale wcześniejszej generacji, Model S 100D - był pierwszym autem elektrycznym na świecie, które przebiło 500 km realnego zasięgu na jednym ładowaniu.
Trzecie dziesięciolecie XXI wieku będzie zatem najprawdopodobniej okresem dojrzewania transportowych rozwiązań, które pojawiły się w kończącej się dekadzie. Zapewne przy mniejszym już szumie medialnym, za to z większą skutecznością na rynku. Warto pamiętać, że wiele krajów już od 2030 r. (niektóre dekadę później) chce wręcz "zakazać" używania samochodów z napędem spalinowym. Różnie jest to zresztą rozumiane, bo może np. oznaczać zakaz wjazdu do centrów miast.
Jeśli mówimy o zakazie sprzedaży samochodów opartych wyłącznie na silnikach spalinowych, to najbardziej agresywne cele wyznaczyła sobie Norwegia, zakazując sprzedaży pojazdów o napędzie tradycyjnym już od 2025 r. Inne państwa, takie jak Indie, Holandia i Izrael, zaproponowały ów cel na rok 2030, podczas gdy Chiny (największy rynek samochodowy na świecie) póki co rozważają i badają ewentualne skutki wprowadzenie zakazu (2). Jeśli te plany się urzeczywistnią, to w wielu krajach za dziesięć lat będziemy już w zupełnie innej epoce motoryzacji.
Podróż po Internecie Rzeczy
Najbardziej charakterystycznym przykładem strategii stopniowej automatyzacji jest postępowanie Tesli. Jak podaje serwis informacyjny Tesla Teslarati, firma ta instaluje obecnie w swoich samochodach system o nazwie Hardware 3 (HW3), który ma umożliwić "pełną samosterowność", będąc istotnym krokiem naprzód w stosunku do najnowszej wersji firmowej funkcji Autopilota. Nie wszystko w tej sprawie jest jeszcze jasne, ale Hardware 3 ma m.in. pozwolić komputerowi pokładowemu wykonywać znacznie więcej obliczeń na sekundę, pomagając dokładniej skanować obszar wokół pojazdu i podejmować krytyczne decyzje. Celem doskonalenia tych funkcji jest zapewne uniknięcie wypadków, które wozom Tesli się w ostatnich latach zdarzały, choć funkcja Autopilota, została ostatecznie od winy za te zdarzenia uwolniona.
Powszechnie zakłada się, że aby samochody bez kierowców mogły funkcjonować tak, jak to sobie wyobrażamy, będą potrzebowały sieci 5G (3). Pojazdy zaczną poruszać się nie tylko po drodze, ale również po Internecie Rzeczy, komunikując się ze światem zewnętrznym.
Czujniki przeznaczone do rozpoznawania i kontaktowania się z ulepszonymi znakami drogowymi, oznaczeniami, sieciami kamer, pieszymi i innymi pojazdami pozwolą samochodom zsynchronizować ich ruch, minimalizując zużycie paliwa. Auta będą również w stanie pomóc w utrzymaniu infrastruktury drogowej, np. za pomocą pracy czujników opon, które poinformują policję o pogarszających się warunkach drogowych.
Raczej wątpliwe, czy już za dziesięć lat normą stanie się całkowita autonomia. Przy wielu funkcjach automatycznych wciąż ostateczną instancją będzie człowiek. A kiedy ludzie zdecydują się przejąć kierownicę, oparta na sieci technika ma wciąż ostrzegać ich przed zbliżającymi się kolizjami z innymi użytkownikami dróg i próbować ich uniknąć.
Czujniki termiczne prawdopodobnie pozwolą samochodom widzieć daleko poza zasięgiem oświetlenia reflektorów. Kierowcy będą mogli komunikować się ze swoimi autami za pomocą poleceń głosowych lub gestów. W modelach wysokiej klasy możemy już nawet zobaczyć kilka wczesnych wersji interfejsów mózg-komputer, które kojarzyłyby wzorce aktywności mózgu z poleceniami kontrolowania samochodu lub rozrywki osób przebywających w pojeździe.
Dziesiątki udoskonaleń małych i dużych
Kwestią otwartą jest, czy wobec tych wszystkich zmian będziemy mieć nadal do czynienia z markami znanymi od dekad.
Opiewająca na 500 mln dolarów transakcja Toyoty i Ubera sygnalizuje, że znana firma motoryzacyjna zamierza zmierzyć się z nowymi czasami. Pamiętajmy jednak, że tak jak Apple i Samsung przejęły rynek telefonów komórkowych, wypierając Nokię i Blackberry, tak Tesla, Apple, Dyson i Google mogą już wkrótce stać się najbardziej znanymi markami samochodowymi.
Lub też - wcale nie, bo okaże się, że w nadchodzącym świecie inteligentnych autonomicznych rozwiązań transportowych coś takiego jak marka straci na znaczeniu. Zobaczymy. Na razie to nikt inny, jak znana marka Mercedes-Benz prezentuje wizję Vision Urbanetic (4), modułowego pojazdu, który może zmieniać nadwozia w zależności od potrzeb - do przemieszczania ładunku lub ludzi.
Cząstkowych ulepszeń w samych samochodach nie sposób zliczyć. Wskażmy zatem tylko kilka najbardziej charakterystycznych, wytyczających przyszłość naszpikowaną inteligentnymi rozwiązaniami, czujnikami i przenikającą wszystko siecią.
Choćby elektroniczny system informacji o oponach Continental, eTIS, który wykorzystuje czujnik podłączony bezpośrednio do wykładziny opony w celu pomiaru jej temperatury, obciążenia, a nawet głębokości bieżnika oraz ciśnienia. Podobnie jak w przypadku systemu monitorowania okresu eksploatacji oleju, eTIS może ostrzegać kierowcę, że nadszedł czas wymiany opony - nie na podstawie przebiegu, ale stanu gumy.
Albo stanowiące kolejny krok naprzód w dziedzinie oświetlenia dróg reflektory, które zapewniają kierowcy maksymalną widoczność i pełne natężenie światła bez oślepiania nadjeżdżających kierowców i pieszych (5) - znane jako adaptacyjne światła drogowe. Reflektory Matrix HD LED - jak nazywa to system ADB firmy Audi - wykorzystują 32 diody LED rozmieszczone w dwóch rzędach.
Wyłączając poszczególne diody LED lub ściemniając je w 64 stopniach, można wygenerować miliony wzorów świetlnych. Tablice pozwalają na stworzenie efektu obrotu bez ruchomych części i wykorzystanie systemu nawigacyjnego do przewidywalnego "celowania" światłami w zakręty.
Z kolei Porsche ubiera konwencjonalne żeliwne tarcze hamulcowe w 0,004-calową warstwę węglika wolframu, aby ograniczyć powstawanie pyłu z tlenku żelaza, który często pokrywa koła i zaciski pojazdów o wysokich osiągach. Co ciekawe, Porsche zaproponował również szybką ładowarkę do aut elektrycznych o mocy 350 kW, która działa znacznie szybciej niż rozwiązania rozreklamowanej Tesli. Nie wchodząc w szczegóły, niemiecka technika pozwala naładować akumulator do jazdy przez 350 km w ledwie piętnaście minut.
Zmieniać się będą wnętrza aut. W najnowszym samochodzie koncepcyjnym Volvo 360c przewidziano wielofunkcyjną przestrzeń, która może przekształcić się w salonik, biuro, a nawet sypialnię (6). Osłony przeciwsłoneczne odejdą w przeszłość, a inteligentne szyby pozwolą nam kontrolować ilość wprowadzanego światła dziennego.
Drzwi Mercedesa F015 mają nawet dodatkowe ekrany, które mogą funkcjonować jako okna lub systemy rozrywki. Wiele samochodów będzie wyposażonych w systemy rzeczywistości rozszerzonej, które nałożą wygenerowane komputerowo wizualizacje na przednią szybę, lub na inne obszary wyświetlania, m.in. w celu złagodzenia nerwów pasażera poprzez pokazanie, co samochód ma zamiar zrobić.
Nowe akumulatory dla nowej motoryzacji
Firma badawcza BloombergNEF przewidywała dwa lata temu, że w 2030 r. popyt na energię z ogniw napędzających pojazdy elektryczne przekroczyć ma 1500 gigawatogodzin rocznie. Wspomniane 600 km Tesli na jednym ładowaniu to wynik imponujący, ale wciąż nie zadowala do końca, bo np. przy szybkiej jeździe po autostradzie spada do 450 km. Poza tym to tylko jeden model. Większość pojazdów elektrycznych, których na świecie jest jedynie ok. 2% spośród wszystkich aut, ma znacznie krótsze zasięgi. Aby przekonać rynek, maksymalne zasięgi aut elektrycznych powinny sięgać tysiąca km na jednym ładowaniu, a średnia wyraźnie przekraczać 500 km. Do tego potrzeba przełomu w technice akumulatorowej.
Można oczywiście rozwiązać ten problem, stawiając na zasilanie z szyn, pantografów, nawet z drogi (techniką indukcyjną). Takie rozwiązania testuje się w Szwecji, Niemczech i w Korei Płd. Jednak wydają się one przydatne głównie do transportu ciężarowego lub masowej komunikacji autobusowej. Jeśli zaś przetrwać ma idea indywidualnego samochodu, który daję swobodę jazdy, potrzebne będą znacznie lepsze baterie niż te, które mamy dziś. I najlepiej takie, które szybko się ładują - nie dłużej niż trwa tankowanie na stacji benzynowej.
Szansę na przełom upatruje się od kilku lat w technice akumulatorów półprzewodnikowych, w której wykorzystuje się materiały stałe, ceramiczne, szklane lub polimerowe, zamiast ciekłych i w dodatku łatwopalnych elektrolitów, znanych chociażby z rozpowszechnionej techniki litowo-jonowej. Akumulatory półprzewodnikowe zapewniać mają do sześciu razy szybsze ładowanie w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi, dwa do dziesięciu razy większą gęstość energii oraz żywotność wydłużoną nawet do dziesięciu lat. Japońskie Konsorcjum Technologii oraz Centrum Oceny Baterii Litowo-Jonowych (LIBTEC) szacuje, że do 2025 r. zasięg samochodów elektrycznych z akumulatorami półprzewodnikowymi wyniesie 550 km na jednym ładowaniu, a do 2030 r. wzrośnie do 800 km.
Czy te ramy czasowe mają sens, dopiero się przekonamy. Technika jest w tym przypadku na bardzo wczesnym etapie rozwoju. Na razie najlepszy prototyp z akumulatorami półprzewodnikowymi ma tyle mocy, aby przemieścić jednoosobowy pojazd przez… parking Toyota Motor Corp., w pobliżu japońskiej góry Fuji.
Inne firmy samochodowe, takie jak Daimler AG i producent wozów elektrycznych z Kalifornii, Fisker Inc., również pracują nad tym zadaniem - podobnie jak Chińczycy, francuska firma naftowa Total SA oraz spółki powstałe na Massachusetts Institute of Technology i Uniwersytecie Stanforda. Pod koniec 2017 r. Toyota informowała, że gotowe do produkcji baterie półprzewodnikowe uzyska na początku przyszłej dekady. W pierwszej połowie dekady prawdopodobne wydaje się zademonstrowanie prototypowych rozwiązań przez inne ośrodki. Być może przed rokiem 2030 powstanie jakaś wersja produkcyjna.
Na czym polega główny problem z akumulatorami półprzewodnikowymi? Na stosunkowo szybkim powstawaniu w miarę użytkowania dendrytów, czyli spękań struktury materiałowej, które znacznie zmniejszają wydajność układu. Powszechne na rynku akumulatory litowo-jonowe radzą sobie z tą kwestią, używając ciekłych elektrolitów w miejsce stałego metalu. Dzieje się tak jednak kosztem zmniejszenia pojemności baterii oraz istnienia ryzyka zapalenia się elektrolitu.
Z problemem tym można sobie radzić, stosując rozwiązania pośrednie, tak jak próbuje zespół inżynierów z amerykańskiego Uniwersytetu Columbia, wspólnie z naukowcami z Narodowego Laboratorium Brookhaven i City University of New York. Ich pomysł to nanofolia z azotku boru o grubości od 5 do 10 nm, która oddziela metaliczny lit od przewodnika jonowego.
Izolacja obu warstw od siebie zapobiega tworzeniu się dendrytów oraz ewentualnym zwarciom, a dodatkowa warstwa pozostaje wystarczająco cienka, by nie zmniejszać drastycznie gęstości energii akumulatora. Technika ta wykorzystuje niewielką ilość ciekłego elektrolitu, ale w projekcie zastosowano głównie ceramiczną, półprzewodnikową konstrukcję maksymalizującą pojemność. Warstwa azotku ma defekty, umożliwiające transport jonów litu przy ładowaniu i rozładowywaniu baterii.
Zbudowane dotychczas prototypy akumulatorów półprzewodnikowych charakteryzują się zbyt krótkim czasem pracy, słabą przewodnością, wysokimi kosztami, a czasami dochodzi w nich do gwałtownych obrzęków i kurczenia się materiałów po naładowaniu lub rozładowaniu. Kiedy naukowcy rozwiązują jeden problem, zazwyczaj zaostrza się inny, jak stwierdził dwa lata temu Yasuo Ishiguro, dyrektor zarządzający LIBTEC. Rozwój tej techniki jest jednak silnie wspierany - w samej Japonii do LIBTEC należy grupa 25 potentatów przemysłu. W ciągu najbliższych lat można spodziewać się badawczego przełomu.
Pod bezzałogową banderą
Oczywiście transport samochodowy to nie wszystko. Pisaliśmy niedawno w "MT" o spodziewanej i wymuszonej nowymi normami ekologicznym rewolucji w dziedzinie napędów statków. Oprócz ogniw wodorowych i silników elektrycznych, podobnie jak w motoryzacji sporo mówi się o nadchodzącej erze autonomii jednostek pływających.
- W niedalekiej przyszłości pojawią się niewielkie statki autonomiczne, sterowane i nadzorowane przez pokładowy system komputerowy bez udziału człowieka - mówił prof. Tadeusz Szelangiewicz z Akademii Morskiej w Szczecinie, podczas odbywającego się w tym mieście w czerwcu 2019 r. Międzynarodowego Kongresu Morskiego.
Jego zdaniem w krótszej perspektywie, czyli roku-dwóch, pojawią się jednostki operujące "na krótkich odcinkach i w pobliżu brzegów", ale na dłuższą metę transport morski będzie realizowany przez statki autonomiczne.
- Dane statystyczne mówią, że czasami w ponad 90% wypadków morskich i katastrof winny jest człowiek, więc zakłada się, że jeżeli statek będzie sterowany przez komputery, to liczba wypadków powinna być dużo mniejsza - relacjonował prof. Szelangiewicz.
Zaletą statków autonomicznych ma być także zmniejszenie kosztów eksploatacji.
- Utrzymanie na statku załogi oraz wszystkich systemów, które są dla niej niezbędne, kosztuje, więc jednostka bez załogi będzie tańsza w eksploatacji - przekonywał.
Jak dodał, statek bezzałogowy nie będzie miał nadbudówki, czyli da się lepiej wykorzystać jego przestrzeń.
Przy okazji warto wspomnieć, że w gdańskich zakładach Aluship powstaje kadłub bezzałogowej i w pełni autonomicznej jednostki Mayflower Autonomous Ship (MAS) (7). Wykorzysta ona sztuczną inteligencję IBM, potężne serwery, chmurę i najnowocześniejsze technologie edge computing do samodzielnej nawigacji podczas planowanego dziewiczego rejsu na trasie z Plymouth w Anglii do Plymouth w stanie Massachusetts.
Latać jak najdalej - jak najszybciej
A co z transportem powietrznym?
Wspomniane elektryczne projekty Norwegów to na razie mała skala i trudno przypuszczać, aby elektryczne samoloty upowszechniły się do 2030 r. Testy autonomicznych samolotów pasażerskich już przeprowadzono, ale wydaje się mało prawdopodobne, aby tego rodzaju rozwiązania wprowadzono na większą skalę.
Potrzeba by rewolucji nie tylko technicznej, ale również dotyczącej przepisów, o zmianach w mentalności ludzkiej nie wspominając. Łatwiej sobie wyobrazić, że tu i ówdzie, na krótkich dystansach testowane i wdrażane będą projekty "taksówek powietrznych", takich jak opisywane już na naszych łamach konstrukcje EHang.
Lotnictwo na masową skalę może trochę zmienić tendencja do wydłużania zasięgów lotów. Niedawno linie Qantas dwukrotnie zabrały pasażerów na pokład Boeinga 787-9, w celu odbycia rekordowo długich podróży - najpierw trwający 19 godzin i 16 minut lot bez przesiadek z Sydney do Nowego Jorku, a ostatnio rejs z Londynu do Sydney, który zamknął się w czasie 19 godzin i 19 minut. Możliwość tak długiego podróżowania wynika z postępów techniki wykorzystania paliwa. Może to oznaczać, że latanie bez uciążliwych przesiadek stanie się tańsze, wskutek czego taki sposób podróżowania zacznie wybierać więcej osób.
Być może wróci komercyjne lotnictwo ponaddźwiękowe, choć raczej bliżej końca niż początku dekady. Początkowo NASA planowała już w tym roku latać samolotem X-59 (znanym też jako "Cichy Transport Ponaddźwiękowy" - QueSST), aby zademonstrować, że przez staranne kształtowanie konstrukcji da się zmniejszyć tzw. grom dźwiękowy wytwarzany przez takie maszyny. Dziś wiadomo, że pierwsze loty odbędą się później, być może w roku 2021.
Specjalna konstrukcja kadłuba X-59 (8) ma kontrolować rozchodzenie się fal dźwiękowych podczas lotu i osłabiać grom, zanim ten dotrze na ziemię. Jeśli NASA poradzi sobie z problemami w praktyce, a samolot okaże się odpowiednio oszczędny, X-59 mógłby mieć szansę w lotnictwie cywilnym. Dzięki poruszaniu się z prędkością Mach 1,4 (ok. 1700 km/godz.) na wysokości ok. 16,5 km, loty z jednego na drugi koniec USA lub Europy zostałyby skrócone o połowę.
Budową pierwszego egzemplarza testowego o długości ok. 28 m ma zająć się amerykański koncern zbrojeniowy Lockheed Martin. NASA chce uzyskać zgodę na loty naddźwiękowe już w 2023 r. i przetestować maszynę nad głowami mieszkańców USA. Amerykańska agencja zakłada zakończenie tych testów już w roku 2025.
NASA nie jest osamotniona. Marzenie o nowym Concorde żywe jest na całym świecie. Nad własnymi projektami pracują zarówno wielcy, w rodzaju Boeinga, jak i niewielkie startupy, typu Spike Aerospace. Dobrą prasę ma zwłaszcza inna mniej znana firma - Boom z Denver. W 2017 r. ogłosiła, że zebrała już 76 zamówień od pięciu linii lotniczych na swój nowy samolot, który poza prototypem jeszcze nie istnieje.
Wśród owych linii lotniczych znajduje się też słynny Virgin Galactic, który w przyszłym roku będzie pomagał w rozpoczęciu działalności poprzez loty próbne w Kalifornii. Japan Airlines zainwestował w Boom 10 mln dolarów i zamówił dwadzieścia maszyn. Prototyp XB-1, "Baby Boom", pomimo prędkości Mach 2,2 (2300 km/godz.) okazał się o sto razy cichszy niż Concorde. W 2023 r. firma ma zamiar przetransportować pasażerów przez Atlantyk.
Także Airbus opatentował naddźwiękową konstrukcję, a jego projekt nazwano Concorde 2. Prędkość maksymalna miałaby tu wynosić aż Mach 4,5, co pozwoliłoby na przelot z Londynu do Nowego Jorku w ciągu godziny. Airbus twierdzi, że samolot będzie w stanie odbyć takie podróże, jak do Tokio czy Los Angeles w zaledwie trzy godziny. Samolot ma się wspinać pionowo i po przejściu do lotu horyzontalnego łamać barierę dźwięku. Projekt wydaje się jednak na tyle futurystyczny, że raczej szybko jego realizacji nie ujrzymy.
Być może do 2030 r. pojawi się choć jeden praktyczny i gotowy do komercyjnego użytku "cichy" następca Concorde’a. Połączenie wielkich zasięgów z ogromną szybkością pozwoliłoby przenosić się z jednego końca świata na drugi w czasach zbliżonych do podróży Pendolino na trasie Kraków -Warszawa, Warszawa-Trójmiasto. I to byłaby rzeczywiście nowa jakość w podróżowaniu.
Mirosław Usidus
