- Een concept uit de jaren twintig: ‘ionische wind’ maakt geluidloos vliegtuigen zonder bewegende delen mogelijk
- Elektro-aerodynamische aandrijving – wat is het en hoe werkt het?
- Een gamechanger voor korte vluchten met vrachtdrones?
- Het ultieme doel: koolstofneutraal vliegen
De huidige vliegtuigen maken gebruik van propellers en turbines om door de lucht te reizen. Hoewel ze op die manier in korte tijd grote afstanden af kunnen leggen, heeft dit type voortstuwingssysteem ook een groot nadeel – het stoot enorme hoeveelheden kooldioxide uit, wat rampzalige gevolgen heeft voor ons milieu. Onderzoekers over de hele wereld zijn druk bezig met het ontwikkelen van manieren om de milieu-impact van de luchtvaartindustrie terug te dringen en we beginnen nu langzaam maar zeker een aantal zeer indrukwekkende resultaten te zien. Een van de meest veelbelovende is een conceptvliegtuig dat ontwikkeld werd door onderzoekers van het MIT, waarmee het luchtverkeer voor altijd zou kunnen veranderen. We hebben het over elektrische vliegtuigen zonder bewegende delen.
Een concept uit de jaren twintig: ‘ionische wind’ maakt geluidloos vliegtuigen zonder bewegende delen mogelijk
Het vliegtuig heeft een spanwijdte van 5 meter, weegt ongeveer 2,45 kg en heeft al een eerste vlucht achter de rug, zij het een zeer korte. De onderzoekers slaagden erin om het vliegtuig met een soort elektrische aandrijving – bekend als ionenaandrijving – met een snelheid van 5 meter per seconden een afstand van 60 meter te laten vliegen. Dit type aandrijving ken je misschien wel als je vaak sci-fi-films kijkt. “Ik was een grote fan van Star Trek, en op dat moment zag ik een toekomst voor me met vliegtuigen die geluidloos vliegen, zonder bewegende delen, met misschien een blauwe gloed. Maar zeker geen propellers of turbines of iets dergelijks. Dus ben ik gaan onderzoeken wat je met natuurkunde zou kunnen doen om vliegen zonder bewegende delen mogelijk te maken. En toen kwam ik een concept uit de jaren twintig tegen dat bekend staat als ionische wind”, vertelt Steven Barrett, MIT-professor in de lucht- en ruimtevaart en hoofdonderzoeker van het project.
Men is er in die tijd echter niet in geslaagd om veel vooruitgang te boeken met het concept en het plan werd uiteindelijk ook aan de kant gezet. In de jaren zestig werd het idee door lucht- en ruimtevaartingenieurs echter weer opgepakt, maar ook zij kwamen tot de conclusie dat het concept gewoonweg niet kon werken met de technologie die ze toen tot hun beschikking hadden. Maar dankzij recente technologische ontwikkelingen is daar nu verandering in gekomen. Barrett heeft met een team van afgestudeerde MIT-studenten meer dan negen jaar lang aan het concept gewerkt, op zoek naar een efficiëntere manier om ionische winden te genereren en deze te gebruiken om een vliegtuig te laten vliegen. En uiteindelijk zijn ze daarin geslaagd.
Elektro-aerodynamische aandrijving – wat is het en hoe werkt het?
De technische term voor dit soort technologie is elektro-aerodynamische aandrijving. Met behulp van een lichtgewicht stroomomvormer die door een lithium-polymeerbatterij wordt aangedreven, hebben de onderzoekers eerst een elektrode (de zogenaamde emitter) aan de voorkant van het vliegtuig tot +20.000 volt opgeladen. Dit creëert een krachtig elektrisch veld rond de emitter en zorgt ervoor dat de neutrale stikstofmoleculen in de lucht een elektron verliezen en positief geladen ionen worden. Tegelijkertijd laadt de spanningsomzetter ook de tweede, kleinere elektrode (de collector) op tot -20.000 volt. De collector bevindt zich aan de achterkant van het vliegtuig en trekt de positief geladen ionen aan, waardoor ze botsen met niet-opgeladen luchtmoleculen terwijl ze van de emitter naar de collector gaan en de ionische wind creëren die het vliegtuig aandrijft.
Een gamechanger voor korte vluchten met vrachtdrones?
Voordat je ál te enthousiast wordt, moeten we wel vermelden dat deze technologie voorlopig nog niet geavanceerd genoeg is om bijvoorbeeld een passagiersvliegtuig te kunnen aandrijven. Sterker nog, of dat ooit tot de mogelijkheden zal behoren weten we ook niet. Op dit moment kan het vliegtuig in een windvrije ruimte net 12 seconden in de lucht blijven. Toch is het een veelbelovend concept dat in de toekomst een grote verscheidenheid potentiële toepassingen heeft. “Hoewel het nog lang niet te vergelijken is met commerciële gasturbineaandrijving, is elektro-aerodynamische aandrijving toch een potentiële gamechanger voor bijvoorbeeld korte vluchten met vrachtdrones”, zegt Priyanka Dhopade, een onderzoeker aan het Oxford Thermofluids Institute. Naast het creëren van stille drones met vaste vleugels, kan de technologie ook worden gebruikt om geluidsoverlast terug te dringen of de brandstofefficiëntie van commerciële vliegtuigen te verhogen door het in de buitenste laag van een vliegtuig te integreren.
Het ultieme doel: koolstofneutraal vliegen
Het uiteindelijke doel is natuurlijk om deze technologie op een dag te gebruiken om vliegtuigen te creëren die veiliger, stiller, schoner en makkelijker te onderhouden zijn. “Dit is nog maar het begin, maar het team van het MIT heeft iets voor elkaar gekregen waarvan we niet dachten dat het mogelijk was: met versneld geïoniseerd gas een vliegtuig voortstuwen”, zegt Prof. Guy Gratton, een luchtvaartingenieur en gastprofessor aan de Cranfield University. “Luchtvaartingenieurs over de hele wereld doen hun uiterste best om manieren te vinden om elektrische aandrijving te gebruiken. Deze technologie biedt ook andere mogelijkheden, waardoor bemande en onbemande vliegtuigen in de toekomst efficiënter en schoner kunnen zijn. Vooral het feit dat ze een op een batterij aangedreven modelvliegtuig hebben kunnen laten vliegen – zij het op zeer kleine en gecontroleerde schaal – is al erg spannend”. Hoewel 60 meter in 12 seconden niet erg indrukwekkend lijkt, is het voor een eerste vlucht helemaal niet slecht. In feite is deze situatie vergelijkbaar met die van de Wright brothers en hun allereerste vlucht in 1903. En kijk eens hoe ver we sindsdien zijn gekomen!
Het concept van elektro-aerodynamische voortstuwing bestaat al geruime tijd, maar tot voor kort beschikten we niet over de technologie om dit concept in de praktijk toe te passen. We bevinden ons nog in een zeer vroeg ontwikkelingsstadium maar op een dag zou elektro-aerodynamische aandrijving ons in staat kunnen stellen om de milieu-impact van de luchtvaartindustrie aanzienlijk terug te dringen: met elektrische vliegtuigen die geen vervuiling produceren. Op korte termijn zou de technologie op andere gebieden al nuttige toepassingen kunnen hebben. Denk hierbij bijvoorbeeld aan stille drones met vaste vleugels maar ook het terugdringen van de geluidsoverlast en een betere brandstofefficiëntie van onze huidige commerciële vliegtuigen.
