Twente maakt driewielige zonneauto

PVC Pat had er nog wel zo'n zin in. Het leek deze twee meter lange, uit pvc-regenbuizen gemaakte mannequin wel wat om in oktober achter het stuur van de nieuwe zonneauto van Twentse studenten te kruipen en de drieduizend kilometer lange rit door de Australische woestijn te voltooien. Helaas gooide de coronapandemie roet in het eten, waardoor de organisatie achter het tweejaarlijkse World Solar Challenge-evenement besloot dat de editie voor 2021 niet doorgaat. PVC Pat ging echter niet bij de pakken neerzitten en toonde zich een fanatieke mascotte voor Solar Team Twente, het team dat wordt gevormd door studenten van de Hogeschool Saxion en de Universiteit Twente.

Dit team presenteert vrijdag zijn concept voor de zonneauto die dit jaar tussen Darwin en Adelaide had moeten rijden. Na deze preview volgen nog drie drukke maanden waarin de auto ook daadwerkelijk wordt gebouwd en voltooid. De race door de Australische outback gaat weliswaar niet door, maar het kan zomaar dat deze Twentse zonneauto samen met die van bijvoorbeeld de teams uit Groningen, Delft en Leuven later dit jaar alsnog te zien zal zijn in competitief verband, ergens op circuits in Europa of zelfs een traject door het continent. Daarover zal waarschijnlijk volgende maand meer duidelijkheid komen.

Nieuwe regels

Alsof de impact van corona en het niet doorgaan van het Australische avontuur nog niet genoeg curveballs in de richting van de teams gooide, deed de organisatie ook nog een duit in het zakje in de vorm van nogal wat gewijzigde regels. Die drukken nogal hun stempel op hoe de auto's er dit jaar uit gaan zien en op de technische keuzes die de teams moeten maken. PVC Pat komt ook voort uit een nieuwe regel en zijn invloed gaat een stuk verder dan de rol van een aanmoedigende mascotte. Ook zal een nieuw minimum voor het aantal wielen zijn stempel drukken. Tweakers sprak met teamleider Colin van Laar en aerodynamica-ingenieur Tim Traas over een aantal keuzes die zij hebben gemaakt, de grootste uitdagingen en hoe de nieuwe regels hun nieuwe auto en de overige auto's zullen vormgeven.

Mallen maken door infusie

Tijdens het gesprek heeft Tim zijn rode werkoverall aan, omdat hij op de productielocatie bezig is met de mallen van de auto. Hij is een van de studenten die de gehele buitenkant van de auto heeft ontworpen. Grofweg wordt de zonneauto van Twente gemaakt in twee fases: eerst wordt tijdens de ontwerpfase een mal gemaakt en daarna volgt de productiefase waarin de zonneauto pas echt vorm krijgt door middel van koolstofvezel. "De hele buitenvorm is opgedeeld in verschillende delen om mallen van te maken", legt Tim uit. "We hebben nu het positief van onze auto en die bestaat uit verschillende delen, omdat je er dan verschillende mallen van kan maken. Als je die mallen aan elkaar zet, kan je daar je auto in ontwikkelen. We zitten nu bij Stork in Hengelo en later gaan we naar Fokker toe om het af te maken."

De mallen worden gebruikt om de grote onderdelen van de zonneauto te maken, door ze te bekleden met lagen van de lichte en zeer sterke koolstofvezel. Tijdens dit proces nemen de studenten de aerodynamische vorm en leggen daar lagen koolstofvezel overheen. Daarover gaat dan epoxy om een mal zijn sterkte te geven. Dat resulteert in een stijf materiaal waar de auto op gebouwd wordt. Als je de mal van het product wil halen, moet deze 'gelost' worden, ofwel ervan af worden gehaald. Daar zijn Tim en anderen uit het team nu mee bezig, al is het maken van de mallen volgens hem nog niet zo eenvoudig: "Er zijn heel veel dingetjes die fout kunnen gaan, waardoor het erg tijdsintensief is."

Foto's van het productieproces van het team uit 2019. Links het leggen van het carbon en daarnaast het vacuümpakket.

Voor het maken van de mallen gebruiken de studenten infusie. Daarbij worden op een mal heel precies droge lappen koolstofvezel gelegd. Om alles met elkaar te verbinden en de krachten die op het koolstofvezel komen te staan zo goed mogelijk te verdelen, wordt epoxy toegevoegd. Deze dikke hars hardt uit als het eenmaal in de koolstofvezels zit. Daarmee wordt de mal stevig en is er een goed oppervlak om op een later moment de auto op te bouwen. Om de epoxy gelijkmatig te verdelen wordt een vacuümpakket gemaakt, waarbij het geheel en de droge koolstofvezel in plastic wordt ingepakt. Daar wordt de lucht uitgezogen. Als er dan geen luchtlekkages zijn, wordt epoxy in het pakket gezogen. Tim licht toe waarom het voorkomen van lekkages zo belangrijk is: "Als je vacuüm niet luchtdicht is, krijg je luchtbellen in je pakket en dan wordt de oppervlaktekwaliteit van je mal slechter. Eigenlijk ben je een 2d-vacuümzak over een 3d-object aan het buigen, dus er zijn heel veel plekjes waar het fout kan gaan. Als je dat niet zorgvuldig doet, dan kan dat resulteren in een slecht product."

Drie wielen

Ongetwijfeld de meest impactvolle nieuwe regel is een wijziging van het aantal wielen. In de Challenger-klasse, waarin het draait om snelheid en dus om het parcours zo snel mogelijk af te leggen, geldt nu een minimum van drie wielen. In het verleden waren drie wielen ook al toegestaan, zoals in 2011, toen het Japanse Team Tokai als eerste over de streep in Adelaide kwam. Sinds 2013 veranderde dat naar minimaal vier wielen. De editie van 2021 heeft nu voor het eerste weer een minimum van drie wielen. Maar gaan de teams terug naar drie wielen, of handhaven ze bestaande ontwerpen met vier wielen? Dat is een lastige knoop om door te hakken.

Solar Team Twente heeft de keuze gemaakt voor drie wielen. "Die keuze is voortgekomen vanuit de aerodynamische kant en ook omdat we een auto met drie wielen een stuk smaller kunnen krijgen dan een auto met vier wielen", zegt Tim. "Ik denk dat de topteams honderd procent voor drie wielen zullen gaan. Omdat het aerodynamisch zoveel uitmaakt dat je eigenlijk geen kans meer maakt als je voor vier wielen gaat. Dat zit niet zozeer in de beperking van de rolweerstand, dat is maar een klein deel van de aerodynamische weerstand. Je moet je voorstellen dat een wiel eigenlijk een pomp is. Binnen in de wielkap wordt lucht rondgepompt en dat pompende effect zorgt voor heel veel luchtweerstand. Als je dus een pomp minder hebt, is de drag van je auto een stuk lager. In totaal vormen wielen toch een significant deel van de weerstand van de auto, dus als je daar van vier naar drie gaat, kan je daar best wel wat op winnen."

PVC Pat

De keuze voor drie wielen heeft grote gevolgen voor het ontwerp, maar de impact van PVC Pat moet ook niet worden onderschat. De regels voor 2021 schrijven namelijk voor dat deze pop, die de studenten zelf hebben gebouwd op basis van opgegeven specificaties en afmetingen, in elke stoel moet passen. Dat maakt dat Tim met zijn lengte van bijna 1,85m ook in de auto zou moeten passen. Dat was bij eerdere edities wel anders, waar de cockpit in feite werd gebouwd voor een klein teamlid. Tim is mede om deze reden wel te spreken over de regel dat PVC Pat ook achter het stuur moet passen. "Je maakt je auto er realistischer mee. Dat is ook vaak de kritiek die we krijgen, of het nou wel een realistische auto is, mede omdat er meestal maar een klein persoon in kan.

Tim: "In ieder geval hoeft de auto door deze nieuwe regel niet heel veel groter te worden, omdat volgens de regel PVC Pat geen helm op hoeft. En die helm zorgt juist voor de grootte van je canopy. De canopy wordt nog wel bepaald door de coureur, maar de structurele delen worden wel bepaald door de lengte van PVC Pat. En dat heeft bijvoorbeeld weer direct impact op de afstand van de wielen tot elkaar."

De auto wordt echter nog steeds ontworpen voor een coureur met een helm, want een helm is verplicht. In het verleden voldeed een helm die aan de voorkant open was, maar tijdens de komende editie moet de coureur een gesloten helm dragen, een soort motorhelm.

Stabiliteit

De nieuwe auto van het Twentse team krijgt de vorm van een scherpe pijl en zou volgens het team de luchtweerstand hebben die 'vergelijkbaar is met een Grolsch-bierflesje'. Dit pijlvormige ontwerp komt voort uit de keuze voor een monohull-ontwerp, in plaats van het catamaranontwerp. In het monohullconcept bevinden de wielen zich in één kuip in plaats van in twee, zoals bij het catamaranconcept. De keuze voor de monohull is ook ingegeven door de hogere stabiliteit bij een driewielig ontwerp.

Volgens Tim hoeft de stabiliteit van de auto ook niet direct te leiden onder een driewielig ontwerp, wat mede komt door de nieuwe 1G-regel. "Daardoor moet de auto zelfs nog stabieler zijn dan de auto van vorig jaar met vier wielen. Deze regel houdt in dat als je gaat kantelen over de wielas, waar de wielen de grond raken, er sprake moet zijn van een kanteling van 45 graden ten opzichte van het grondoppervlak. Vorig jaar moesten de auto's ongeveer dertig graden kunnen halen."

Foto's van Jerome Wassenaar, waarop de RED E is te zien nadat de auto tijdens de race in 2019 van de weg raakte

Ongetwijfeld zullen de stabiliteitsproblemen bij de nodige auto's uit de Challenger-klasse van de 2019-editie een rol hebben gespeeld voor de introductie van deze nieuwe regel. Zo viel de auto van Solar Team Twente in dat jaar uit door een stevige windvlaag; zonneauto RED E werd daardoor van de weg geblazen. De auto kwam in een spin terecht en kwam op zijn kop in het rode Australische woestijnzand terecht. De rijder bleef ongedeerd, maar de beschadigde voorwielophanging maakte dat doorrijden geen optie meer was. Ook het Duitse Team Sonnenwagen Aachen belandde met hun auto naast de weg.

Maar hoe maak je je auto stabieler zonder er onnodig veel massa aan toe te voegen? Volgens Tim moet je dan het zwaartepunt lager leggen, maar ook de afstand tussen de wielen heeft invloed. "Het gaat om een afweging. Hoe dichter de wielen bij elkaar kunnen komen, hoe smaller de auto en dat is aerodynamisch gunstig. Maar als je wielen dichter bij elkaar staan, moet je je auto zwaarder maken om dezelfde stabiliteit te bereiken. Dus het gaat erom een bepaald optimum te vinden. Daar hebben we wat op gevonden. Het is in ieder geval belangrijk bij deze regel: wil je je auto klein en stabiel houden, dan moet je je massa zo laag mogelijk proberen te positioneren."

Aerodynamische uitdagingen en kansen

De kentekenplaat moet op de achterkant van de auto worden gemonteerd. Zo luidt een andere nieuwe regel. Ogenschijnlijk niet al te betekenisvol, maar Tim legt uit dat dit voor het aerodynamicateam nogal veel impact had. "Bij vorige edities mocht je de kentekenplaat in je auto plaatsen, omdat er geen specifieke regel was hoe ver ie van de achterkant van de auto moest zitten. Daarom zat ie in de oude auto's eigenlijk standaard bij de coureur in hun box. Maar nu moet ie binnen 5cm van het achterste deel van je auto zitten. We moesten daar een oppervlak creëren waar dat geplaatst kan worden. Je moet je voorstellen dat je aan het einde van je auto ineens een vierkant blok hebt. Dat was dan ook geen fijne regel voor ons. Maar dat leidt wel weer tot innovatieve ideeën voor hoe je dit gaat oplossen en dat maakt het ook wel heel leuk."

Links Colin van Laar en Tim Traas. Foto's: Jerome Wassenaar

Een toevoeging die juist kansen biedt om aerodynamische voordelen te bereiken, is de toepassing van een zogeheten shark skin. Bijvoorbeeld het team uit Delft heeft zo'n shark skin bij de vorige editie aan de achterkant van hun NunaX-auto geplaatst. Het is een techniek die is afgekeken van de huid van een haai, waar microkanaaltjes op de huid het water stroomlijnen. De ribbelstructuur moet de lucht zo efficiënt mogelijk langs de auto begeleiden. Ook het team uit Twente kijkt naar de toepassing van een shark skin. "Het reliëf zorgt ervoor dat de lucht turbulent wordt, zegt Tim. "Eigenlijk wil je niet dat je lucht turbulent is, maar op het moment dat je lucht bijna gaat loslaten, heb je liever dat ie turbulent dan laminair is, omdat het dan beter blijft plakken."

Maar een haaienhuid toepassen kan ook een nadeel met zich meebrengen. "De oud-teamleden wezen ons op de shark skin van de vorige editie. Die shark skin plakte je eigenlijk op je auto. Daardoor kon je het moeilijk schoonmaken, want dan zou het loslaten. Daardoor was het aan het einde van de race in Australië, met al het zand, één grote zwarte oppervlakte geworden met allerlei viezigheid. Dat is volgens ons een nadeel van de shark skin die Delft heeft gebruikt, al zijn er zeker manieren om dat te implementeren zodat je het wel kan schoonmaken en bijhouden. Het is in ieder geval een mooie innovatie en het kan aerodynamisch echt een voordeel opleveren voor de prestaties van je auto", aldus Tim.

Zonnepanelen

Een ander nieuw voorschrift met veel impact gaat over de te gebruiken zonnepanelen. Die mogen slechts een kleine toxiciteit voor het milieu met zich meebrengen. Dat betekent dat panelen op basis van GaAs-, CdTe- en CuInSe2 niet meer gebruikt mogen worden. Ook dit heeft letterlijk grote gevolgen, want de toepassing van GaAs-panelen leidde vorig jaar bij de RED E tot een beduidend kleinere auto. Dat werd mogelijk door de hogere efficiëntie van GaAs-cellen ten opzichte van siliciumcellen, zodat een minder groot oppervlak nodig was voor de zonnepanelen. En dus kon de auto kleiner worden gemaakt, waarbij in feite de neus eraf werd gehakt, wat toch alweer zo'n 1,5 meter in lengte scheelde.

Waarschijnlijk zullen weer siliciumcellen worden gebruikt. Doordat galliumarsenide van de baan is, zal de nieuwe auto groter zijn dan de RED E. Dat is ongunstig voor de luchtweerstand, maar Tim is eigenlijk wel tevreden met deze voorschriften: "Hoe efficiënt galliumarsenide ook is, eigenlijk zijn deze panelen niet consumentvriendelijk. Ze zijn te duur om te gebruiken, ze zijn heel kwetsbaar en worden ook nog niet duurzaam geproduceerd. Dus kan je je afvragen of ze ooit op een echte zonneauto terecht gaan komen."

Foto's uit 2019, waarbij een GaAs-zonnepaneel beschadigd arriveerde.

Colin is het hier mee eens en hij wijst erop dat de strengere regels ook zullen leiden tot een meer gelijk speelveld. "GaAs-cellen zijn ontzettend duur. Ze worden gebruikt op satellieten die bijvoorbeeld naar Jupiter gaan. Dan maakt de prijs niet uit. Deze regel zorgt ervoor dat de teams wat dichter bij elkaar komen. Wat je in de laatste jaren zag, is dat de teams met een hogere begroting wel die cellen konden nemen, terwijl andere teams die ook heel veel innovaties doen en een goede auto bouwen, maar niet het geld voor GaAS hebben, automatisch heel veel tijd verliezen."

Accukeuze

Twee jaar geleden gebruikten de toenmalige studenten van het Solar Team Twente lithium-ijzerfosfaataccu's in hun RED E. Deze accu bestond uit LiFePO₄-cellen die dus lithium, ijzer en fosfaat bevatten. Toen gaf het team aan dat de nieuwe accucellen tot een betere wegligging leidde en ook op elektrisch vlak voordelen met zich meebracht, waarbij het zou draaien om hoe de accu's omgaan met spanning en het effect dat dit heeft op zaken als acceleratie en snelheid. Veel technische details wilde het team toen niet geven. Het Nederlandse Super B leverde toen de cellen. Dat bedrijf prijst onder meer de lange levensduur, het minimale onderhoud en het gebrek aan geheugeneffecten vanwege een lage zelfontlading. Feit is wel dat deze lithium-ijzerfosfaataccu's een lagere energiedichtheid hebben dan andere lithium-ionaccu's zoals NMC- ofwel LiNiMnCoO2-varianten. Dat betekent een toename in gewicht.

Solar Team Twente 2021 — De RED E tijdens de race in 2019.

Colin wijst daar ook op door de regels omtrent het gewicht te benoemen. Want ook hier zijn weer een aantal voorschriften en regels. De teamleider maakt duidelijk dat er op voorhand geen duidelijke winnaar is. "Uiteindelijk kijk je naar de hoogste capaciteit voor je accu. Er zit een verschil in hoeveel je van lithium-ijzerfosfaat en lithium-ion mag meenemen. In de regels staat dat er bij lithium-ion 20kg aan cellen mag zijn en bij ijzerfosfaat 40kg. Dus het ligt er eigenlijk volledig aan wat voor cellen je kan krijgen en dan is het gewoon een rekensommetje welke in totaal de meeste capaciteit heeft. Daar ga je dan voor." Overigens geldt voor de ook toegestane lithiumpolymeer-accu's een maximum van 20kg en voor lithium-zwavel-accu's een maximumgewicht van 15kg.

Het Twentse team heeft nog geen definitieve accukeuze gemaakt. Momenteel wordt bekeken welk type het meest optimaal is. Tim: "We hebben wel de accu meegenomen in de positie in het ontwerp. Er zijn verschillende mogelijke accu's en we hebben dan ook het worstcasescenario meegenomen in het ontwerp. Als we dan een andere soort accu zouden krijgen, wordt het ontwerpen daarop alleen maar gemakkelijker. We zijn in principe bereid elke soort accu mee te nemen, maar omdat er zoveel onzekerheid over is en omdat je het eigenlijk relatief laat kan beslissen, mag het geen bindende voorwaarde zijn voor het ontwerp van de auto."

Tot slot

Als je alle veranderingen voor de editie van dit jaar ziet, lijkt het moeilijk voor te stellen dat het in het begin niet even slikken was voor het team. "Vanuit het vorige team werd gezegd dat zoveel nieuwe regels wel uniek is. Kan je je voorstellen hoe onze eerste maand was met al die nieuwe regels?", zegt Tim lachend. Hij zegt dat de combinatie van de nieuwe regels en de gemaakte conceptkeuze voor een driewielig ontwerp de grootste uitdaging vormde. Het is een concept dat in Twente nog nooit eerder is uitgevoerd.

Een onderwerp waar de studenten zich waarschijnlijk niet al te uitvoerig meer mee bezig hoeven te houden, is het realiseren van een stabiele en liefst snelle internetverbinding. Dat was gedurende de race door de Australische woestijn bepaald niet onbelangrijk, met name voor de communicatie met andere auto's uit het konvooi, zodat bijvoorbeeld weersveranderingen konden worden doorgegeven. Tim zegt dat het snelle satellietinternet van Starlink ter sprake is gekomen, maar nu de race niet meer in Australië zal plaatsvinden en wellicht in meer dichtbevolkte gebieden wordt gehouden, kunnen de studenten wellicht ook al toe met 4G en 5G.

Op 1 maart is gestart met de productie van de auto. De presentie van vrijdag betreft in feite nog maar een eerste blik, waarbij het 2d-ontwerp is gedeeld. Er wordt bewust nu nog niet zoveel prijsgegeven van de uiteindelijke auto, mede omdat de concurrenten wellicht ook meekijken. In ieder geval zal het team uit Twente vanaf eind april gaan rijden met een mock-up-versie van de auto. Dan zal er ook meteen veel meer zichtbaar zijn van hoe de auto er uiteindelijk uit zal gaan zien. De mock-up is te beschouwen als eenvoudiger versie van de auto om de mechanische en elektrische onderdelen te testen; de aerodynamische vorm en de zonnepanelen ontbreken dan nog.

Tegen die tijd zal de naam van de auto ook bekend zijn en vermoedelijk ook de plannen voor een alternatief scenario voor de race. Daar hebben de verschillende Nederlandse en Belgische teams onderling contact over. Het zou kunnen dat er gekozen wordt voor één of meer circuits, maar een traject door Europa is ook niet ondenkbaar. Weliswaar dit keer geen ruige Australische woestijnomstandigheden, maar een Europese invulling is misschien wel minstens net zo boeiend.