Boten en vliegtuigen zijn lastiger te verduurzamen dan auto's, bussen en vrachtwagens. Maar er is een tussenvorm die met name voor eilanden heel praktisch kan zijn en bovendien significant minder energie gebruikt: een wing-in-groundeffectvoertuig, ofwel een wig. Het is dus een voertuig met vleugels dat er uitziet als een vliegtuig, maar dat min of meer de functie heeft van een boot. Het zweeft boven water, voor de minst mogelijke luchtweerstand.
De voordelen zijn legio. Ten eerste is het energiegebruik vele malen lager dan van boten en vliegtuigen, vanwege die lagere weerstand. En ten tweede zijn ze zeer flexibel inzetbaar. Niet alleen boven zee, maar ook op meren, rivieren, moerassen, sneeuw en ijs. Denk bijvoorbeeld aan de Waddenzee, waar boten door diepe geulen moeten varen om te voorkomen dat ze bij eb vast komen te zitten. Voor wigs is geen vliegveld nodig, alleen een haven. Bovendien kunnen ze opstijgen vanaf open water en ook over obstakels heen vliegen.
Met name voor transport tussen eilanden onderling, en in mindere mate ook verbindingen met het vasteland, lijken dit soort voertuigen ideaal. Denk dan behalve aan de Waddeneilanden ook aan Aruba, Bonaire en Curaçao, de Azoren en Canarische Eilanden. Het zou meer rechtstreekse snelle verbindingen mogelijk maken, tegen lagere kosten. Bovendien wordt daar door het gebrek aan alternatieven voor het transport van personen en goederen zeer zwaar geleund op het verbranden van fossiele brandstoffen.
:strip_exif()/i/2007271544.jpeg?f=imagearticlefull)
Techniek: het grondeffect
Wigs combineren dus elementen van zowel vliegtuigen als boten. Wat hen echt onderscheidt is dat ze gebruikmaken van een aerodynamisch fenomeen dat optreedt wanneer een vleugel dicht bij een oppervlak beweegt: het grondeffect. Dit is een aerodynamisch fenomeen waarbij de liftcoëfficiënt (CL) toeneemt en tegelijkertijd de luchtweerstandscoëfficiënt (CW) juist afneemt wanneer een vleugel zich dicht bij een oppervlak bevindt. Dit komt door drie factoren: verminderde geïnduceerde weerstand (induced drag), een hogere liftcoëfficiënt en vermindering van zogenaamde vortexverliezen.
De wingtipvortex wordt beperkt doordat de luchtstroom tussen de vleugel en het wateroppervlak een drukbuffer creëert. Dit verlaagt de geïnduceerde weerstand aanzienlijk. Tegelijkertijd wordt de luchtlaag onder de vleugel samengedrukt, wat resulteert in een verhoogde luchtdruk en dus extra lift zonder extra energiegebruik. Bij conventionele vliegtuigen leidt turbulentie aan de vleugeltips tot energieverlies, maar wigvoertuigen minimaliseren dit effect juist. Ze combineren dus de lage weerstand van luchttransport met de stabiliteit en energie-efficiëntie van boten.
De optimale vlieghoogte in grondeffect ligt tussen 10 en 30 procent van de spanwijdte. Dus bijvoorbeeld een voertuig met een spanwijdte van 15 meter zal het efficiëntst opereren op ongeveer 1,5 tot 4,5 meter boven het wateroppervlak. Net zoals bij vliegtuigen wordt de meeste energie gebruikt tijdens het opstijgen en vrij weinig tijdens het vliegen, mede dankzij het grondeffect.
Type | Snelheid (km/u) | Weerstandstype | Energiegebruik (kWh/100km) |
Conventionele boot | 50-80 | Hydrodynamische weerstand | 300-500 |
Wigeffectvoertuig | 150-300 | Verminderde luchtweerstand | 50-150 |
Commercieel vliegtuig | 800-1100 | Hoge aerodynamische weerstand | 300-500 |
Een algemene vergelijking van het energiegebruik en de aerodynamische efficiëntie tussen wigvoertuigen, boten en vliegtuigen
Ontwerp
Een wig vereist een specifiek vleugel- en rompontwerp omdat de aerodynamische efficiëntie daar sterk van afhangt. Er zijn verschillende opties, zoals een V-vormige romp, een tandemconfiguratie of een omgekeerde delta- of tandemvleugel. Brede, korte vleugels met een lage aspectratio maximaliseren het grondeffect en verbeteren de lift. Idealiter worden de motoren hoog gepositioneerd in het ontwerp, zodat watercontact vermeden kan worden en de aerodynamische efficiëntie beter is.
:strip_exif()/i/2007271300.jpeg?f=imagearticlefull)
Geschiedenis
Zoals wel vaker zijn wigs niet een compleet nieuwe ontwikkeling. De ontwikkeling van wigvoertuigen begon al in de twintigste eeuw, toen ingenieurs de voordelen van het grondeffect voor efficiënter transport onderzochten. Een van de vroegste en bekendste ontwikkelingen was de Sovjet-ekranoplan, een reeks grote wigvoertuigen zoals de Lun-klasse en de Caspian Sea Monster, ontwikkeld door Rostislav Alexeyev in de jaren 60 en 70. Deze machines waren bedoeld voor snelle militaire operaties over water. In het Westen waren er eveneens experimenten met wigvoertuigen. In 1970 ontwikkelde Hanno Fischer in Duitsland de X-113, een experimenteel toestel dat ook gebruikmaakte van het grondeffect. De X-113 had een tandemvleugelconfiguratie, wat hielp bij stabiliteit en liftgeneratie dicht bij het wateroppervlak. Later volgde de X-114, een verbeterde versie die bedoeld was als een mogelijk militair verkennings- en transportmiddel. Hoewel de prestaties veelbelovend waren, werd de ontwikkeling uiteindelijk stopgezet door gebrek aan financiering en commerciële interesse.
In de decennia daarna bleef de interesse in wigvoertuigen beperkt tot militaire toepassingen en experimenten. De gedachte daarbij was dat hiermee militairen snel en relatief onopvallend over een grote afstand kunnen worden verplaatst. Zowel Rusland als de VS hebben ze gebouwd.
Op dit moment is er opnieuw interesse voor, mede omdat de noodzakelijke technologie nu veel verder is dan toen. Denk bijvoorbeeld aan lichte composietmaterialen, efficiëntere elektrische aandrijving, nieuwe accutechnologie en verbeterde aerodynamische software.
Praktijkvoorbeeld: Seaglider Viceroy
De Seaglider Viceroy is een elektrisch aangedreven wigvoertuig dat is ontworpen voor commercieel transport over water. Het combineert grondeffectvliegen met hydrofoiltechnologie om efficiënte starts en landingen te realiseren. Het toestel wordt ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf Regent uit Rhode Island.
De Viceroy Seaglider is een model voor twaalf passagiers, plus twee bemanningsleden, dat bedoeld is voor korte regionale verbindingen. Het voertuig heeft een bereik van ongeveer 300km en haalt een cruisesnelheid van 290km/u. Met die snelheid kan het dus ongeveer een uur in de lucht blijven. De geluidsproductie van het voertuig zou significant stiller moeten zijn dan een vliegtuig of helikopter. De Viceroy kan 1600kg aan gewicht vervoeren, zij het vracht of passagiers. Hoewel de exacte specificaties van het accupakket nog niet openbaar zijn gemaakt, wordt geschat dat de capaciteit ongeveer 1MWh bedraagt. Het maximum van twaalf passagiers is vrij beperkt en vergelijkbaar met andere snelle verbindingen, zoals watertaxi's in Rotterdam en de Waddentaxi, voor twaalf personen, van Harlingen naar Terschelling. De Viceroy zal vooral op snelheid moeten concurreren met bestaande verbindingen, zoals rechtstreekse verbindingen die er nu nog niet zijn of verbindingen die op bepaalde momenten, zoals bij eb, niet mogelijk zijn. Dankzij de snelheid is het mogelijk om de concurrentie met boten aan te gaan, maar op prijs is dat lastiger. Daarvoor is schaal nodig. Vandaar dat Regent ook een tweede model in ontwikkeling heeft, dat een capaciteit moet krijgen van 80 tot 100 passagiers. Deze Monarch Seaglider moet volgens eigen zeggen tegen 2028 operationeel zijn, al klinkt dat optimistisch, want daarvan is er nog geen werkend prototype.
De Seagliders worden gebouwd met composietmaterialen, zoals koolstofvezel en glasvezel, om een lichtgewicht en stevige structuur te realiseren. De romp is aerodynamisch geoptimaliseerd voor minimale luchtweerstand en maximale stabiliteit in het grondeffect. De brede spanwijdte van de vleugels en de lage vleugelbelasting dragen bij aan de liftkarakteristieken van het voertuig. De voertuigen hebben een amfibische configuratie, wat betekent dat ze zowel in grondeffect kunnen vliegen als kunnen opereren op het water als een conventionele draagvleugelboot. Geïntegreerde hydrofoiltechnologie, bestaande uit onderwater draagvleugels (hydrofoils) die het voertuig bij lage snelheden uit het water tillen, zorgt voor een efficiënte transitie van stilstand naar een grondeffectvlucht. Bij lage snelheden functioneert de Seaglider als een draagvleugelboot, waarbij de onderwater hydrofoils het voertuig uit het water tillen om de weerstand te minimaliseren en efficiënter snelheid op te bouwen. Zodra voldoende snelheid is bereikt, trekken de hydrofoils zich terug en komt het voertuig los van het water, waarbij het volledig overstapt op het grondeffect. In deze fase vliegt de Seaglider op slechts enkele meters boven het wateroppervlak, wat resulteert in een drastische vermindering van de aerodynamische weerstand en een uiterst efficiënt energiegebruik.
De aandrijving van de Seaglider is volledig elektrisch en maakt gebruik van een batterijpakket met een hoge energiedichtheid. De exacte specificaties, zoals de chemie en capaciteit, zijn nog niet bekendgemaakt, maar er wordt dus uitgegaan van een accu van ongeveer 1MWh. Voor de voortstuwing wordt gebruikgemaakt van een groot aantal elektrische propellers, die over de gehele breedte van het voertuig zijn geplaatst voor een optimale verdeling van de stuwkracht en redundantie. Deze opstelling zorgt niet alleen voor een efficiënte voortstuwing, maar draagt ook bij aan een verbeterde controle tijdens de verschillende vluchtfasen. De besturing van de Seaglider wordt volledig geregeld door fly-by-wiresystemen en de digitale besturing schijnt op een vergelijkbare manier te werken als moderne vliegtuigen. De geïntegreerde hydrofoilstabilisatie maakt het mogelijk om het voertuig veilig te laten opereren in wisselende watercondities, terwijl de automatische hoogtecontrole ervoor zorgt dat de Seaglider constant binnen het optimale bereik van het grondeffect blijft vliegen. Volgens Regent blijft het voertuig stabiel, ook bij ruwe zee.
Het bedrijf heeft meer dan 90 miljoen dollar opgehaald bij investeerders en zegt wereldwijd meer dan 600 orders te hebben ontvangen voor het toestel − goed voor een waarde van meer dan 9 miljard dollar. Maar dat gaat vermoedelijk om intentieverklaringen en geen bindende orders. Het gaat om zowel voertuigen voor vracht als passagiers. Onder andere het Nieuw-Zeelandse bedrijf Ocean Flyer heeft 25 Seagliders besteld voor commercieel transport. Het bedrijf denkt dat de Viceroy tussen 2026 en 2027 operationeel zal zijn. De voertuigen zullen vermoedelijk worden gereguleerd als maritieme vaartuigen, niet als vliegtuigen, want ze vallen internationaal onder de International Maritime Organization (IMO).
Dat zou de certificering kunnen versnellen, want voor nieuwe typen vliegtuigen is die doorgaans een tijdrovend en complex proces. Zoals eerder genoemd in een interview op Tweakers kan een geheel nieuw vliegtuig certificeren vele jaren duren, waardoor het bijvoorbeeld sneller is om elektrische vliegtuigen, zoals de Pipistrel, te baseren op een bestaand brandstofmodel en dat stap voor stap modulair aan te passen. Dan hoeft niet het hele certificatieproces opnieuw, maar alleen het aangepaste deel. Voor boten is het certificeringsproces minder complex, hoewel dit per land kan verschillen. In sommige regio's kunnen wigs wel onder de luchtvaartautoriteiten vallen.
/i/2007271608.webp?f=imagenormal)
Andere wigvoertuigen
Regent is niet de enige wigspeler. Een ander bekend model is de AirFish 8, dat ontwikkeld wordt door Wigetworks, een bedrijf gevestigd in Singapore. Het is gebaseerd op eerdere ontwerpen van de Duitse ingenieur Alexander Lippisch. Net als de Seaglider is de AirFish vervaardigd uit composietmaterialen zoals koolstofvezel en glasvezel. De romp is aerodynamisch gestroomlijnd en ontworpen om minimale luchtweerstand te genereren, terwijl de brede vleugels en lage vleugelbelasting de lift maximaliseren in het grondeffect. Dit stelt het voertuig in staat om op lage hoogtes te vliegen met een lage stuwkrachtbehoefte.
Er is een geheel elektrische versie van de AirFish in ontwikkeling, genaamd de AirFish NextGen. Maar de huidige versies, zoals de AirFish 8, zijn nog gebaseerd op fossiele brandstoffen. Zo wordt de AirFish 8 aangedreven door een 500pk sterke GM LS3 V8-benzinemotor. Deze motor drijft een duwpropeller aan die efficiëntie optimaliseert en de nodige stuwkracht levert bij lage snelheden. Het voertuig haalt een topsnelheid van 190km/u en heeft een operationele kruissnelheid van ongeveer 150km/u. Volgens de makers zou de AirFish 8 de helft minder brandstof vergen dan een conventioneel vliegtuig met vergelijkbare capaciteit.
Een ander voorbeeld is de Russische ekranoplan A-050, een modern wigvoertuig uit Rusland dat is gebaseerd op de Sovjet-ekranoplans uit de Koude Oorlog. Dit model is ontworpen voor zowel passagiers- als vrachtvervoer en heeft een aanzienlijk groter laadvermogen dan de Seaglider. In 2015 werden er tijdens een luchtshow twee concepten getoond: een voor passagiers en een voor militaire doeleinden, compleet met machinegeweren. Met een kruissnelheid van 400 tot 480km/u is het een van de snelste wigs in ontwikkeling.
Een ander opmerkelijk voertuig is de Universal Hovercraft UH-19XRW, een compact en amfibisch wigvoertuig met een luchtkussen en een enkele duwpropeller aan de achterkant. Dankzij de lichte constructie en hoge wendbaarheid kan het opereren in gebieden waar grotere wigs beperkt zouden zijn.
Daarnaast wordt er gewerkt aan de FlyShip FS-100, een groter commercieel georiënteerd wigvoertuig dat specifiek is ontworpen voor vracht- en passagiersvervoer. Dit model combineert hoge snelheid en efficiëntie met een groot laadvermogen en kan mogelijk een rol spelen in de toekomst van maritieme logistiek.
Knelpunten
Hoewel wigvoertuigen op papier veel potentie hebben vanwege het lagere energiegebruik en de flexibele inzetbaarheid, zijn er zeker nog technische en regelgevende uitdagingen die overwonnen moeten worden voordat ze op grote schaal commercieel haalbaar worden.
De productie van grote composietstructuren is duur en vereist geavanceerde fabricagetechnieken. Naarmate de schaal van deze voertuigen toeneemt, moeten de vleugelconfiguraties zorgvuldig worden geoptimaliseerd om voldoende stabiliteit te garanderen. Dit vereist een grondige aerodynamische analyse en mogelijk het gebruik van aanpasbare vleugels of automatische stabilisatiesystemen.
Een ander belangrijk aspect is accu- en energiebeheer. Voor elektrische wigs zoals de Seaglider is een accu met een zeer hoge energiedichtheid van belang, bijvoorbeeld op basis van een siliciumanode of zwavelkathode. Deze accu's bestaan al, maar zijn nog niet op hetzelfde niveau als cellen die nu in massaproductie zijn. Ook zijn er in havens snelladers nodig om de voertuigen gereed te maken voor de volgende reis. Steeds meer havens krijgen weliswaar laders, maar zeker in afgelegen gebieden is dit vaak nog niet het geval. Omdat de infrastructuur nog steeds vooral op fossiele brandstoffen gebaseerd is, is het denkbaar dat hybride aandrijfsystemen voor de korte termijn sneller commercieel haalbaar zijn.
Wigs zijn weliswaar flexibel inzetbaar, waardoor ze in principe overal kunnen opstijgen en landen zonder dat er speciale infrastructuur nodig is, maar slechte weersomstandigheden kunnen alsnog roet in het eten gooien. Omdat wigs slechts enkele meters boven het wateroppervlak vliegen, kunnen hoge golven de stabiliteit en efficiëntie negatief beïnvloeden. Wanneer de golven te hoog worden in verhouding tot de vlieghoogte, kan het grondeffect verminderd worden doordat de luchtstroom onder de vleugels wordt verstoord. Dit resulteert in een fluctuerende liftkracht, waardoor het voertuig onstabiel wordt en mogelijk vaker contact maakt met het wateroppervlak. Dit verhoogt niet alleen de mechanische belasting op de romp en vleugels, maar ook het energiegebruik, aangezien er meer vermogen nodig is om hoogtefluctuaties te corrigeren.
Daarnaast hebben hoge golven invloed op de veiligheid. Een wig die door een plotselinge golfslag wordt opgetild of naar beneden wordt gedrukt, kan in extreme gevallen het grondeffect verliezen en onbedoeld terugvallen in het water, wat leidt tot een noodlanding of zelfs schade aan de structuur. Moderne wigontwerpen proberen dit probleem te mitigeren met geavanceerde stabilisatiealgoritmes en fly-by-wirebesturingssystemen die de hoogte dynamisch aanpassen. Sommige modellen, zoals de Seaglider, combineren het gebruik van hydrofoils bij lage snelheden om een soepelere transitie te bieden tussen het wateroppervlak en de vluchtmodus. Dit helpt bij het overbruggen van ruwe zeeën voordat het voertuig volledig in het grondeffect overgaat. Toch blijft de operationele inzet van wigs het geschiktst voor relatief kalme wateren, zoals kustgebieden, binnenzeeën en meren, waar de impact van hoge golven beperkt blijft.
Naast technische verbeteringen moeten er ook regelgevende obstakels worden overwonnen. Wigvoertuigen zijn eigenlijk een hybride categorie tussen vliegtuigen en boten, waardoor certificering complex kan zijn. Dit kan bovendien per land verschillen, waarbij een wig in het ene land als vliegtuig wordt aangemerkt en in het andere als een boot. Zoals beschreven is het certificeringsproces voor boten relatief eenvoudiger en dus potentieel sneller. Ook als de technologie er klaar voor is, kan dit nog een struikelblok vormen waardoor jaren uitstel dreigt.
:strip_exif()/i/2007284796.jpeg?f=imagearticlefull)
Conclusie
Wigvoertuigen, zoals de Seaglider en de AirFish 8, kunnen een interessant alternatief zijn voor schepen en boten. Boten hebben vaak geulen nodig en kunnen bij eb niet altijd varen en vliegtuigen vereisen speciale infrastructuur, zoals vliegvelden, en zijn vaak beperkt tot specifieke routes. Mede door die beperkingen zijn er soms geen rechtstreekse routes tussen eilanden onderling. Zo zijn er slechts een beperkt aantal bootverbindingen tussen de Waddeneilanden en meestal alleen tussen mei en september. Op de Canarische Eilanden gebruiken boten en vliegtuigen een hubsysteem, waarbij alles via Tenerife en Gran Canaria verloopt. Wil je van La Palma naar El Hierro of La Gomera, dan moet je via een van deze twee hubs, ook al liggen de eilanden relatief dicht bij elkaar. Tussen Bonaire, Curaçao en Aruba zijn momenteel geen veerverbindingen, maar alleen vluchten. Wigs zouden op die locaties dus een snel en energie-efficiënt transport over water kunnen bieden.
Ondanks alle uitdagingen zouden elektrische wigs een duurzaam alternatief kunnen vormen voor korteafstandsvluchten en snelle veerboten, mits ze daarmee ook commercieel kunnen concurreren. Als het aan de start-ups ligt, worden binnen nu en vijf jaar de eerste wigs in de praktijk ingezet voor het transport van passagiers en goederen. Het valt nog te bezien of ze een nicheoplossing blijven of een bredere rol gaan spelen in de toekomst van transport over water.
Redactie: Jeroen Horlings Eindredactie: Monique van den Boomen