Vliegen op accu's of waterstof

Onmogelijk of bijna realiteit?

Cruciale factoren van vormgeving tot opslag

Zoals op de vorige pagina beschreven, zijn vliegtuigbouwers heel conventioneel als het om aanpassingen van het ontwerp gaat. De basis van de huidige vliegtuigen dateert uit de jaren zestig en gaat uit van een romp, een staart en twee vleugels met ieder een of twee motoren. Los van strenge regelgeving die aanpassingen complex maakt, is er ook een zeer praktische reden: vliegvelden zijn niet geschikt om compleet andere typen vliegtuigen te verwelkomen en zouden massaal moeten worden aangepast.

Een inklapbare vleugel van de 777X. Beeld: Boeing

Langere vleugels

Langere en dunnere vleugels dan wat nu gangbaar is, zijn technisch gezien veel logischer, omdat een vliegtuig dan veel minder brandstof zou verbruiken en tegelijk meer draagkracht krijgt. Ook kan het hierdoor hoger, sneller en verder vliegen. De Boeing 777X, die begin 2020 zijn eerste testvlucht maakte, komt een eind in de richting met zijn uitklapbare vleugels; normaal is de spanwijdte 65m, maar uitgeklapt wordt dat 72m. Dankzij dit systeem past het vliegtuig toch op bestaande luchthavens. De iets langere vleugels zouden leiden tot een 7 procent lager energiegebruik ten opzichte van vliegtuigen met een vergelijkbare omvang. Idealiter zouden de vleugels nog veel langer zijn. Veel drones die voor observatiedoeleinden lange tijd in de lucht blijven, zijn al voorzien van extreem lange vleugels in vergelijking met vliegtuigen.

Andere vorm, geen ramen

Zou je echt from scratch een vliegtuig gaan ontwerpen, dan is een V-vorm wellicht veel logischer. De vleugeloppervlakte is dan veel groter en de weerstand van de romp veel lager. Dit vraagt wel om een andere positionering van de motoren en het leidt tot minder ramen. Overigens is het de vraag of een vliegtuig eigenlijk wel ramen voor passagiers moet hebben. Ramen leiden tot meer weerstand en doen afbreuk aan de stevigheid van de constructie. Om hetzelfde gevoel te bieden, zij het in een transitiefase, kunnen virtuele ramen gebruikt worden, oftewel schermen. Die zouden bovendien veel groter kunnen zijn dan de kleine raampjes van nu. Emirates maakt in een Boeing 777 al gebruik van virtuele ramen voor de eersteklaszitplaatsen.

Vliegtuig zonder ramen. Beeld: Spike Aerospace

Er zijn diverse schetsen en prototypes gemaakt van een vliegtuig in een V-vorm, onder andere door de NASA, maar ook door studenten van de TU Delft. Het ontwerp wordt militair ook al decennia gebruikt, onder andere door de inmiddels vervangen F-117A en de nog actieve B-2-bommenwerper.

De Flying-V van de TU Delft

In een V-vorm zijn de passagierscabine, het vrachtdek en de brandstoftanks geïntegreerd in de vleugel. De aerodynamische V-vorm leidt tot 20 procent minder brandstofverbruik ten opzichte van de Airbus A350, een van de efficiëntste en modernste vliegtuigen van dit moment. Daarbij kan een dergelijk vliegtuig hoger en sneller vliegen en desgewenst grotere afstanden overbruggen.

Het ontwerp van de TU Delft heeft dezelfde spanwijdte als een Airbus A350, waardoor een dergelijk vliegtuig ook op bestaande luchthavens kan worden gebruikt, inclusief bij de gates en op taxibanen. Bovendien kan dit Flying-V-ontwerp ongeveer evenveel passagiers en vracht vervoeren, respectievelijk 314 mensen in de standaardconfiguratie en 160m³ aan vracht. In een V-vorm is er ook meer ruimte om kerosine of een andere energievorm op te slaan.

Opslag van kerosine in een Airbus A320. Beeld: Airbus

Kerosine in de vleugels

Kerosine wordt hoofdzakelijk in de vleugels opgeslagen. Hier is veel ruimte en de vleugels kunnen veel gewicht dragen. Bovendien is de opslag van brandstof in vleugels ook goed voor de balans: een tijdens de vlucht leegrakende tank voor of achterin is niet handig. Verder is het natuurlijk niet praktisch om vracht of passagiers in de vleugels onder te brengen. Sommige vliegtuigen hebben in de staart extra opslagruimte voor kerosine. Om meerdere redenen ligt het dus voor de hand om alternatieve energiebronnen, zoals accu's of waterstof, ook in de vleugels op te slaan. Door de lagere energiedichtheid is die ruimte echter niet voldoende. Zie pagina 3.

Een turbine van General Electric

Turbines en elektromotoren

Een elektromotor

Met sommige alternatieve energievormen kunnen de huidige straalmotoren gebruikt blijven worden. Deze zetten een vloeistof of gas om in mechanische energie en leveren een hoog vermogen, maar ze zijn groot en zwaar en bij het omzetten gaat veel energie verloren. Elektromotoren zijn veel efficiënter, maar doordat ze op basis van magneten werken, zijn ze beperkt in omvang. Hoe verder van de spoel, des te minder efficiënt ze worden. Dat betekent dat een vliegtuig moet worden uitgerust met veel kleine elektromotoren, al dan niet in serie achter elkaar met dezelfde draaias. De vleugels zijn de meest logische locatie om deze motoren onder te brengen, dus ook daarvoor geldt weer: hoe langer de vleugels zijn, des te meer ruimte er is voor elektromotoren. Een elektromotor mag dan veel kleiner en minder krachtig zijn dan een turbine, door een groter aantal kan dat worden gecompenseerd. Wat niet wil zeggen dat er geen uitdagingen meer zijn. Zo is voor het opstijgen zeer veel vermogen nodig en voor grote vliegtuigen zijn turbines daarvoor voorlopig nog noodzakelijk.

De Lilium Jet van de Duitse start-up Lilium is een concreet voorbeeld van een compleet nieuwe vliegtuigvorm. De Lilium heeft twee vleugels waarin in totaal 36 elektromotoren zijn verwerkt. Deze motoren, turbofans, zijn gemonteerd in kantelbare vleugeldelen. Daardoor kan het vliegtuig niet alleen horizontaal, maar ook verticaal opstijgen en landen. Lees meer over de Lilium Jet op de pagina over bestaande elektrische vliegtuigen.

• Volgende pagina 3. Accu's: gewicht, energiedichtheid en efficiëntie