Nasa
Het experimentele vliegtuig X-57, ontwikkeld door Nasa, zal dit jaar voor het eerst vliegen. Het heeft een indrukwekkende 14 propellers langs de vleugels en wordt volledig aangedreven door elektriciteit. Dit klinkt geweldig, want we moeten van de fossiele brandstoffen af en toch groeit onze vraag naar luchtvaart. Maar hoeveel dichter zal Nasa’s vliegtuig ons bij dit doel brengen?
Het vinden van een alternatief voor vliegtuigbrandstoffen zoals kerosine is de sleutel als we willen blijven vliegen. De X-57 gebruikt lithium batterijen om de propellers van elektrische motoren te voorzien. Maar de energie die je uit batterijen haalt, in verhouding tot hun gewicht, is 50 keer minder dan uit vliegtuigbrandstof.
De X-57 is een aangepast, vierpersoons, in Italië gebouwd Tecnam P2006T vliegtuig. Het vertrouwt op een combinatie van veel propellers, kleine motoren en veel batterijen verspreid over een vliegtuig, bekend als “gedistribueerde voortstuwing”. Deze aanpak vertegenwoordigt een opwindend gebied van onderzoek en ontwikkeling dat terug te vinden is in vele experimentele elektrische vliegtuigontwerpen.
Wat anders is aan de X-57 is dat de vleugels volledig opnieuw zijn ontworpen met propellers die zo zijn geplaatst dat de luchtstroom eromheen optimaal is. Wanneer een propeller niet nodig is, kunnen de bladen worden ingeklapt om de luchtweerstand te verminderen.
De propellertechnologie in het algemeen beleeft een wedergeboorte. De ontwerpen worden niet alleen efficiënter, maar ook minder lawaaiig en betaalbaarder. De snelheid en spoed van propellers kan zelfs tijdens de vlucht worden gewijzigd om zich aan te passen aan de verschillende vliegtuigsnelheden die nodig zijn voor het opstijgen, landen en kruisen.
De luchtdichtheid verandert met de hoogte en beïnvloedt de stuwkracht die je krijgt van een propeller. Nu we propellers kunnen maken die op alle hoogtes en snelheden effectief werken, kunnen we echt het meeste halen uit de energie die in de batterijen is opgeslagen. Nieuwe ontwerpen, zoals de allereerste 11-bladige propeller (in het Piper Cheyenne vliegtuig), kunnen zeer hoge stuwkracht bereiken, zelfs bij hoge luchtdichtheid.
Sommige vliegtuigen maken zelfs gebruik van “vectored thrust” door de motoren en propellers te laten draaien, wat de mogelijkheid biedt tot verticaal opstijgen en landen. Deze vliegtuigen lijken misschien meer op helikopters dan op vliegtuigen, en zouden kunnen betekenen dat conventionele luchthavens met lange start- en landingsbanen en grote terminals tot het verleden behoren.
X-57 wordt getest in 2019.
NASA’s Armstrong Flight Research Center TV / Steve Parcel
Batterij technologie
De X-57 gebruikt kant-en-klare lithium-ion batterijen. Dit komt omdat het project zich voornamelijk richt op het potentieel voor nieuwe propeller- en vleugelconfiguraties in plaats van het ontwikkelen van de perfecte batterij.
Maar dat zal een belangrijke uitdaging zijn voor ontwikkelaars van elektrische vliegtuigen om te overwinnen. Lithium batterijen zijn zowat het beste wat we tot nu toe hebben, maar ze zijn nog steeds zwaar. Lithiummetaal is ook gevaarlijk omdat het gemakkelijk vlam vat.
Het gebruik van batterijen heeft voordelen. Hun gewicht blijft constant tijdens de vlucht, wat betekent dat ze niet in de vleugels hoeven te worden opgeslagen zoals bij vliegtuigbrandstof traditioneel het geval is. Met vloeibare brandstof neemt het gewicht van het vliegtuig aanzienlijk af naarmate er brandstof wordt verbruikt en door de brandstof in de vleugels op te slaan wordt het evenwicht van het vliegtuig niet veranderd.
Het is echter echt de energiedichtheid – de hoeveelheid energie die een batterij bevat in vergelijking met zijn gewicht of grootte – die van belang is. Er wordt voortdurend nieuwe vooruitgang geboekt, zoals batterijen die zijn gemaakt op basis van kwantumtechnologie. Maar hoewel deze sneller opladen dan normale batterijen zullen ze lithiumbatterijen niet vervangen en is het onwaarschijnlijk dat ze de vooruitzichten voor elektrisch aangedreven vliegen zullen veranderen.
Waar we echt op wachten is een revolutie in de batterijtechnologie, een die een energiedichtheid geeft die vergelijkbaar is met die van vliegtuigbrandstof.
Is X-57 de toekomst?
Met een bereik van ongeveer 160 km en een vliegtijd van ongeveer een uur zal de X-57 naar verwachting niet leiden tot een vervangende technologie voor langeafstandsvluchten. Tenminste niet meteen. In plaats daarvan zijn korteafstandsvluchten met een tiental passagiers een goed en mogelijk doel voor vroege vluchten op batterijen.
Door waterstof aangedreven vliegtuigen zijn ook van groot belang omdat de energiedichtheid van waterstof bijna drie keer groter is dan die van conventionele vliegtuigbrandstof. Maar waterstof is een gas en het moet worden opgeslagen in brandstoftanks onder druk om het volume ervan te beperken.
Dit zou een volledige heroverweging van het vliegtuigontwerp vereisen. Er is enig werk verricht met waterstof die bij -253°C als vloeistof is opgeslagen. Waterstof voor de luchtvaart is dus opwindend, maar waarschijnlijk onpraktisch.
Synthetische brandstoffen zijn klaar als vervanger voor vliegtuigbrandstoffen – tegen een prijs. Misschien worden ze goedkoper naarmate de technologie zich ontwikkelt, maar het blijft waarschijnlijk dat de kosten van het vliegen zullen stijgen naarmate we afstappen van fossiele brandstoffen. Batterijen zullen in de nabije toekomst vrijwel zeker onze korteafstandsvluchten aandrijven en als er een revolutie komt in de batterijtechnologie, zal de toekomst van de luchtvaart volledig veranderen.
Uiteindelijk zullen we voor een ultimatum komen te staan: of we vinden uit hoe we vliegtuigen kunnen maken die geen fossiele brandstoffen nodig hebben, of we stoppen met vliegen.
Hugh Hunt werkt niet voor, geeft geen advies, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat zou hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
