Bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (LR) zijn veel wetenschappers op allerlei onderzoeksthema’s bezig om de luchtvaart zo klimaatneutraal mogelijk te maken. Denk aan het terugdringen van energieverbruik tot de ontwikkeling van groene brandstoffen, energiezuinige vliegtuigen en duurzame grondoperaties. De Delftse aanpak onderscheidt zich van andere onderzoeksinstellingen door naar het hele luchtvaartsysteem te kijken. Maar een duurzamere luchtvaart wordt niet alleen bereikt met technologie. Politiek, beleid van luchtvaartmaatschappijen en consumentengedrag spelen een belangrijke rol, benadrukt professor Arvind Gangoli Rao (duurzame vliegtuigaandrijving). “Mensen hebben het recht om te vliegen, maar dit recht brengt ook verplichtingen met zich mee”, zegt hij. De luchtvaart is verantwoordelijk voor ongeveer 2,5 procent van de wereldwijde CO₂- uitstoot. Om de impact op het milieu te verminderen heeft de Adviesraad voor luchtvaartonderzoek en -innovatie in Europa (Acare) een ambitieus doel gesteld: klimaatneutrale luchtvaart in 2050.
Smart-X duurzame vliegtuigvleugel getest in de Open Jet Facility
© Davide Monteleone/2021
Een schaalmodel van een groot passagiersvliegtuig met gedistribueerde elektrische aandrijving. De TU Delft is een van de partners in dit Clean Sky 2 Joint Undertaking project, samen met Airbus, NLR, ONERA en CIRA, ondersteund door Orange Aerospace.
© Royal NLR
Nieuw vliegtuig- en motorontwerp
Een haalbaar doel, zegt Gangoli Rao, maar alleen als je gebruikmaakt van nieuwe vliegtuigtypes en brandstoffen. Een aantal jaren geleden ontwikkelde hij binnen het project Ahead (Advanced Hybrid Engines for Aircraft Development) een volledig nieuw vliegtuigen motorontwerp dat de CO₂-uitstoot met 65 procent en de NOx-uitstoot met 80 procent zou verminderen. Volgens Gangoli Rao was Ahead een van de weinige projecten met een rol voor schone cryogene brandstoffen zoals vloeibare waterstof (LH2) en vloeibaar aardgas (LNG). “Nu wordt waterstof omarmd als de brandstof van de toekomst,” zegt hij. “Daarmee verminder je de schadelijke emissies drastisch.”
Vliegen op waterstof is technisch mogelijk maar het integreren van deze nieuwe brandstof in de luchtvaart is verre van eenvoudig. “Niet overal in de wereld zal er capaciteit en infrastructuur zijn om waterstof op te slaan en te gebruiken”, legt Gangoli Rao uit. Zijn nieuwste onderzoek richt zich dan ook op het flexibel toepassen van waterstof.
‘Realistisch gezien is er geen alternatief voor vliegen’
Delft en verduurzaming van de luchtvaart
De faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek werkt op vier gebieden aan verduurzaming van de luchtvaart en pakt zo het hele luchtvaartsysteem aan: duurzame energie, duurzame operaties, materialen & structuren en energiebesparing. In dit artikel lichten we onderzoeken uit de eerste drie thema’s uit. Op het vierde thema – energiebesparing – zijn er succesvolle ontwerpen als de Flying V (een lichter vliegtuig met betere aerodynamica dat zo’n 20 procent brandstof bespaart), de energiezuinige vliegtuigvleugel SmartX (bootst vleugelbeweging van vogels na) en de Delft Laminar Hump (vermindert de luchtweerstand).
In fieldlab SAM XL werd vier jaar gewerkt aan het Europese project Stunning. In een vliegtguigrompdeel op ware grootte werden innovaties getest op gebied van techniek (ultrasoon lassen), productie en assemblage (robots).
Foto: © Henri Werij
Film: NLR
Grondoperaties
“Luchthavens en luchthavengrondoperaties zijn belangrijke factoren om duurzame luchtvaart succesvol te maken”, zeggen Elise Bavelaar en Alexei Sharpanskykh van de air transport & operations-groep van LR. In samenwerking met luchthavens als Rotterdam The Hague Airport en Schiphol, richten ze zich op onderwerpen die verband houden met de dagelijkse gang van zaken op luchthavens. Zoals het verbeteren van passagiersstromen in terminals, voorspellingen van vluchtvertragingen en duurzame en autonome operaties. Ongeveer 10 tot 15 procent van de totale emissies die de luchtvaart produceert, wordt toegeschreven aan de grondoperaties op vliegvelden. De Delftse onderzoekers ontwerpen algoritmen om dit te verbeteren. “Veel luchthavens streven naar emissievrije grondoperaties en het accommoderen van elektrische en/of waterstofvliegtuigen”, zegt Bavelaar. De onderzoekers werken aan een door de Europese Unie gefinancierd project, Goliat (Ground Operations of LIquid hydrogen AircrafT). Het doel is om veilige en betrouwbare technologieën te ontwikkelen voor het verwerken en tanken van vloeibare waterstof met een hoge doorstroming (LH2) op luchthavens. “Naar verwachting komen waterstofvliegtuigen vanaf 2030 op de markt. Tot nu toe is de ontwikkeling hiervan grotendeels gericht op waterstofproductie en vliegtuigtechnologie.
BlueSky software voor Air Traffic Management.
© OculusFilms
Duurzaam taxiën
Luchthavenactiviteiten zijn een beetje een blinde vlek”, legt Sharpanskykh uit. “Onze expertise ligt in het modelleren van operaties. We onderzoeken hoe we de luchthaveninfrastructuur kunnen voorbereiden op waterstofvliegtuigen en hoe we tanken, taxiën en andere grondactiviteiten mogelijk kunnen maken.” Een andere onderzoekslijn is duurzaam taxiën. “Er wordt veel brandstof op de grond verbrand. Daarom is het belangrijk om het gebruik van motoren te minimaliseren zodra het vliegtuig op de grond staat”, zegt Sharpanskykh. “We onderzoeken bijvoorbeeld of we elektromotoren in de wielen kunnen plaatsen. Ook het inzetten van elektrische sleepvoertuigen om vliegtuigen van de landingsbaan naar de terminal te verplaatsen, wordt onderzocht.”
Flameless combustor voor onderzoek naar waterstofverbranding.
© OculusFilms
De full-scale Phoenix is een vliegtuig voor twee personen dat door studententeam AeroDelft is gebouwd om op vloeibare waterstof te vliegen.
© AeroDelft
Combinatie met waterstof
In samenwerking met Airbus en de Franse luchtvaartmultinational Safran onderzocht hij hoe je verschillende motoren en brandstoffen kunt combineren. “Ons ontwerp combineert kerosine of biobrandstof voor de hoofdmotoren en waterstof of kerosine voor een secundaire motor”, legt hij uit. “Zo kunnen we waterstof op een flexibele manier inzetten.” Met deze vinding zou de CO₂-uitstoot met ruim 20 procent kunnen afnemen en de lokale emissies met 40 procent. “Zonder afbreuk te doen aan het aantal passagiers of de actieradius van het vliegtuig”, benadrukt hij. Volledig op waterstof vliegen noemt hij minder realistisch dan de flexibele optie. “Het vereist minder aanpassingen aan het vliegtuigontwerp en kost daarom minder”, legt Gangoli Rao uit. “Vloeibare waterstof vermindert de klimaatimpact met ongeveer 60 procent en is 45 procent duurder. Met het flexibele systeem daalt de impact op het klimaat met ongeveer 50 procent, en het kost slechts 20 procent meer.” Voor duurzame veranderingen in de luchtvaart is meer nodig dan alleen technologische innovatie, weet hij. “Het brandstofverbruik wordt telkens efficiënter, maar het aantal passagiers neemt ook toe”, zegt hij. “Ik geef mensen geen ongelijk. Realistisch gezien is er geen alternatief voor vliegen. Maar het recht om te vliegen wordt soms misbruikt. We hebben acht miljard mensen op deze planeet, en slechts 10 procent van die mensen kan zich permitteren om te vliegen. En minder dan een tiende van die 10 procent is verantwoordelijk voor meer dan de helft van de emissies.
‘Luchthavenoperaties zijn een beetje een blinde vlek’
Gemeenschappelijk luchtruim
“Ik heb er geen vertrouwen in dat wereldburgers minder zullen vliegen, dus we zullen dit probleem op andere manieren moeten oplossen”, stelt TU-luchtvaartexpert Joris Melkert. Ook hij ziet het gebruik van hernieuwbare brandstoffen als de grootste stap naar duurzame luchtvaart. “We moeten vliegtuigen zuiniger maken. De duurzaamste brandstof is de brandstof die je niet nodig hebt.” Daarnaast ziet Melkert winst in het vermijden van omwegen. “We moeten naar een Single European Sky waarbij we één luchtruim delen en vliegtuigen altijd de kortst mogelijke afstand kunnen vliegen”, zegt hij. “Verder moeten de grondoperaties beter, evenals het vliegtuigontwerp zelf.” Helaas doen we op geen van deze vlakken genoeg, voegt hij toe. “We weten dat er oplossingen zijn en dat er onderzoek naar moet worden gedaan, maar dat kost veel tijd en geld. Ik beschouw dit als een technisch én een politiek probleem. Ik ben optimistisch dat we vooruitgang kunnen boeken, maar ik ben pessimistisch over de tijdlijn.”
Geïnteresseerd in dit onderwerp? Ontdek bij TU Delft Learning for Life cursussen die professionals gedurende hun carrière ondersteunen, waaronder een cursus over duurzame luchtvaart.
Materialen met minder milieu-impact
Om de impact van vliegtuigmaterialen op onze planeet te minimaliseren, richten onderzoekers van de onderzoeksgroep structural integrity & composites zich op twee thema’s, zegt hoogleraar Rinze Benedictus. De eerste is de ontwikkeling van herbruikbare materialen. “We werken aan materialen die uit de natuur komen en aan de natuur terug te geven zijn: bio-geïnspireerde en biomaterialen, zoals levende materialen die schimmels bevatten”, zegt Benedictus. “Hoewel deze onderzoekslijn opwindend en veelbelovend is, is het nog ver verwijderd van toepassingen in de praktijk.” Daarnaast kijkt de groep naar materialen die de energietransitie mogelijk maken. Denk aan materialen voor betere batterijen die vliegtuigen van stroom kunnen voorzien, of aan materialen die goed samenwerken met waterstof. “We werken aan een nieuw type materiaal dat waterstof beter kan opslaan, maar dat is extreem moeilijk te maken”, aldus de hoogleraar. “Dat aspect wordt vaak vergeten: materialen zijn slechts een onderdeel van het systeem en als er maar één onderdeel verandert, gaat het hele systeem kapot. Om de luchtvaart echt groener te maken, moet het hele systeem samenwerken.” Omdat dat zeer complex is, verwacht Benedictus in nabije toekomst weinig op dat gebied. “Het duurt tientallen jaren voordat iets dat we in de academische wereld ontwikkelen, te gebruiken is in de luchtvaart. Om echt impact te maken in de maatschappij, hebben we mensen nodig die oppikken wat we doen.”