Je leest:

Space for Innovation

Space for Innovation

Competitie voor lucht- en ruimtevaart in 2040

Auteur: | 25 april 2012

De Delftse studievereniging Leonardo da Vinci en KLM schenken een echte ruimtevlucht én een vliegtuigsimulatievlucht aan de Lucht- en Ruimtevaartstudent die het meest innovatieve en duurzame lucht- en ruimtevaartconcept kan bedenken.

De organisatie Space Expedition Curaçao (SXC) bouwt momenteel hard aan een ruimteschip om commerciële ruimtevluchten mogelijk te maken. Ze willen de ruimte toegankelijk maken voor een breder publiek. Tenminste voor passagiers die 95.000 dollar (ongeveer 70.000 euro) willen en kunnen betalen voor een kaartje. De tickets zijn momenteel al in de verkoop, maar de eerste vluchten zullen op zijn vroegst in 2015 vertrekken.

Het ruimteschip van SXC.
SXC

Luchtvaartmaatschappij KLM sponsort de bouw door alvast vijf tickets af te nemen. Een daarvan heeft ze ter beschikking gesteld als prijs voor een wedstrijd van de studentenvereniging VSV Leonardo Da Vinci uit Delft. Deze studentenvereniging heeft een competitie uitgeschreven onder studenten Lucht- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit in Delft om hèt concept te bedenken dat de hele lucht- en ruimtevaartwereld in 2040 zal hebben veranderd: De Space for Innovation-competitie. Omdat de lancering nog zo ver weg is, krijgt de winnaar ook een simulatievlucht aangeboden waarbij hij of zij in een simulator naast de piloot meevliegt.

De opdracht van de eerste ronde was het schrijven van een essay over het meest innovatieve en duurzame idee. Het mag een futuristische motor zijn, een nieuwe vleugel, het gebruik van ‘slimme’ materialen of een nieuw soort brandstof. Niets is te gek, zolang het maar wetenschappelijk onderbouwd is en mogelijkheden biedt te besparen op energie of grondstoffen. Duurzaamheid en ruimtevaart lijken lastig te combineren dus het was een hele uitdaging.

Er kwamen zo’n 163 inzendingen binnen voor de eerste ronde. Een jury bestaande uit experts van Technologiestichting STW en luchtvaartmaatschappij KLM beoordeelden de essays op innovativiteit, de wetenschappelijke onderbouwing en de duurzaamheid. Zij kozen tien finalisten die hun idee uitwerkten en presenteerden in een korte film.

Nout van Zon wint ruimtereis!

De jury van Space for Innovation was het meest enthousiast over het idee van Nout van Zon, het vliegen op waterstof, en beloont hem met een reis naar de ruimte. Hoewel de technische uitdagingen enorm zijn bestempelt de jury het plan als zeer duurzaam. Zeker wanneer de waterstof met zonne-energie gemaakt wordt. Naast Van Zons plan eindigde de ideeën van Wijnand Schoemakers en Bernard Vervaet hoog. Maar zij konden net niet tippen aan het goed uitgewerkte plan van Van Zon.

De Space for Innovation finalisten rondom de winnende Nout van Zon.

En de winnaar van de publieksprijs is… Kathryn Dunlop!

…met haar idee om vliegtuig- en ruimteschiponderdelen te produceren door middel van 3D-printen. Volgens een ruime meerderheid van de bijna 500 Kennislinklezers die gestemd hadden zal haar idee de lucht- en ruimtevaartindustrie in het jaar 2040 het meest veranderd hebben.

Naast de haalbaarheid gaf met name ook de originaliteit van haar idee voor veel stemmers de doorslag: “Mevrouw Dunlop is zich bewust van de revolutie die plaats gaat vinden in vele sectoren door de ontwikkeling van het 3D lazeren. Het is een voor de handliggende oplossing, maar ik had zelf (met een achtergrond in de bouw) niet direct gerealiseerd dat deze techniek veel kan betekenen voor (verduurzaming van) de lucht- en ruimtevaart. Derhalve verdient Mevrouw Dunlop mijn voorkeur”. De voordelen waren voor veel lezers evident: “1) Zo goed als geen opslagplaats nodig en dus plaats en geld voor andere zaken, geen transportkosten voor onderdelen, geen tijdverlies, wachten op transport onderdelen is niet meer nodig; zeker in de ruimte enorm nuttig, 4) niet enkel in de ruimtevaart maar ook voor bedrijven over de hele wereld zeer nuttig.”

Kathryn Dunlop, Kennislinks publieksfavoriet in de Space for Innovation wedstrijd, neemt haar prijs in ontvangst.

Dankzij haar originele maar tevens realistische idee heeft Kathryn Dunlop de Kennislink publieksprijs – een vlucht in een heuse vliegtuigsimulator – gewonnen.

Gestraalde energie van Aram Vroom

Aram Vroom stelt dat het grootste probleem voor de huidige luchtvaart brandstof is. Fossiele brandstoffen raken op, de prijs ervan gaat omhoog, er ontstaat vervuiling en vliegtuigen hebben bovendien een beperkte actieradius door de eindige voorraad brandstof die ze mee kunnen nemen. Vroom heeft een oplossing.

Een vliegtuig met een rectenna krijgt zijn energie van de grond toe gestraald.
HowStuffWorks.com

In plaats van vliegtuigen hun energie in de vorm van brandstof mee te laten nemen, stralen we het vanaf de aarde naar ze toe. Dat kan met elektromagnetische straling; bundels van microgolven of lasers. Het vliegtuig kan deze straling opvangen met een zogenoemde rectenna (rectifying antenna), het omzetten in stroom en er de elektrische motoren mee voeden.

De voordelen: Stroom kan groen worden opgewekt en het stralen van energie is een beproefd concept! Canadese wetenschappers fabriceerden in de jaren tachtig al een vliegtuig dat met ‘gestraalde energie’ in de lucht werd gehouden. Maar Vroom houdt ook een paar slagen om de arm: Het is niet de bedoeling dat iedereen die ook maar in de buurt van zo’n elektromagnetische bundel komt ‘gekookt’ wordt. Ook moeten we goed onderzoeken hoeveel grondstations er aangelegd moeten worden om in de behoefte te voorzien.

Bekijk de film waarin Aram zijn idee pitcht:

Antimateriemotor van Elwin van Beurden

Volgens Elwin van Beurden heb je met zijn antimateriemotor minder dan één milligram brandstof nodig om van Londen naar Sydney te vliegen, en dat in maar 1,5 uur. Met een paar keer die hoeveelheid brandstof kunnen we meteen doorvliegen naar Mars. Fantastisch! Maar hoe werkt zijn motor?

Aan de voorkant van de motor komt lucht met hoge snelheid binnen. In de motor wordt deze lucht samengeperst en vermengd met positronen, oftewel de antimaterie. Bij aanraking veranderen materie en antimaterie in pure energie: er ontstaan grote hoeveelheden licht en gammastraling in de motor. Op hun beurt verwarmen ze de verse lucht die de motor in stroomt. De druk loopt op, ontsnapt aan de achterkant van de motor en zorgt zo voor voortstuwing.

Van Beurden zegt dat er in de jaren ’50 succesvol is geëxperimenteerd met vergelijkbare nucleaire motoren. Zijn antimaterie-motor heeft de voordelen van dit type motor, maar levert in tegenstelling tot de nucleaire motoren geen schadelijke radioactieve straling. De voordelen zijn legio: vliegtuigen kunnen hoger, sneller en zuiniger vliegen. Ze hoeven namelijk geen grote hoeveelheden brandstof mee te nemen.

De antimaterie kunnen we volgens Van Beurden uit de Van Allen-gordel halen of zelf genereren in deeltjesversnellers, zoals de LHC in Cern. Als we de energie die daarvoor nodig is bovendien uit hernieuwbare energiebronnen halen is zijn anti-materiemotor een prima ‘groen’ alternatief voor de huidige op kerosine gebaseerde luchtvaart.

Bekijk de film waarin Elwin zijn idee pitcht:

Composietmaterialen van Bram Davids

Bram Davids haakt in op een trend die nu al gaande is in de luchtvaartindustrie: vliegtuigen maken van zogenoemde composietmaterialen. Materialen die licht en toch heel sterk zijn, doordat ze bijvoorbeeld bestaan uit sterke vezels die door kunststof bij elkaar worden gehouden.

Een composietmateriaal bevat vaak koolstofvezels dat het sterk maakt.

Prachtig, maar er is een nadeel: beschadigingen in het materiaal zijn moeilijk te traceren. Bij vliegtuigen die nu al gedeeltelijk van composietmaterialen zijn gemaakt wordt dit probleem ondervangen door het ‘inbouwen’ van extra gewicht in het ontwerp. Maar dan nog hebben ze extra onderhoudsbeurten nodig.

Davids denkt dat zogenoemde geïntegreerd schadedetectie in composietmaterialen deze nadelen de komende tientallen jaren kan wegnemen. Het concept berust op het toepassen van geleidende of optische draden tussen de vezels van het composietmateriaal. Door het meten van de weerstand van elektrische draden, of de golflengte van licht door de optische draden, kunnen beschadigingen – bijvoorbeeld barstjes – in het materiaal gedetecteerd worden.

Dit kan zelfs tijdens de vlucht gebeuren, denkt Davids. Dat scheelt een hoop inspecties op de grond en dat bespaart tijd en geld. Ook kan het vliegtuigontwerp aangepast worden. Niet alle onderdelen hoeven zichtbaar te zijn voor een visuele inspectie, zegt Davids. Er wordt materiaal bespaard en het vliegtuig wordt zo lichter. Goed voor het milieu want composietmaterialen zijn notoir moeilijk om te recyclen. Je wil er zo weinig mogelijk van gebruiken.

Er moet nog wel wat gebeuren voordat dit concept werkelijkheid kan worden. Zo moet men onderzoeken wat voor invloed de draden hebben op de sterkte van het composietmateriaal. Als er dan ook nog een goede methode is om de data uit de draden om te zetten in bruikbare informatie over de schade in de materialen, gaat dit volgens Davids dé revolutie in de lucht- en ruimtevaart veroorzaken.

Bekijk de film waarin Bram zijn idee pitcht:

3D-printen van Kathryn Dunlop

Kathryn Dunlop voorziet een revolutie in de lucht- en ruimtevaart door de introductie van het 3D-printen. Dat het kan is al bewezen, maar de techniek staat momenteel nog in de kinderschoenen.

Er zijn al werkende 3D-printers.

In 2040 is het 3D-printen echter volwassen, denkt Dunlop. Het kan dan ingezet worden voor de productie van vliegtuig- en ruimteschiponderdelen. Nu worden die door een groot aantal speciale machines gemaakt, maar straks kan alles uit één printer rollen. Zelfs de benodigde computers kunnen geprint worden, aldus Dunlop, door het printen van halfgeleidende polymeren.

Er kunnen zo lichtere en zuinigere luchtschepen gemaakt worden. Bovendien is het productieproces goedkoper en beter voor het milieu omdat er minder onderdelen tussen verschillende fabrieken getransporteerd hoeven worden. Er zijn volgens Dunlop nog wel wat problemen te overwinnen. De printsnelheid moet omhoog en het effect van energierijke kosmische straling op de uitgeprinte computers moet onder de loep genomen worden.

Als we deze 3D-printers mee aan boord nemen van vliegtuigen en ruimteschepen kunnen ze ‘zichzelf’ ter plekke repareren. Vervangende onderdelen kunnen immers meteen geprint worden. Schepen worden zo grotendeels onafhankelijk van bevoorrading vanaf aarde. 3D-printen gaat daarom volgens Dunlop voor een echte revolutie zorgen in de lucht- en ruimtevaart.

Bekijk de film waarin Kathryn haar idee pitcht:

Vliegtuigmodules van Rick van der Goot

Rick van der Goot richt zich met zijn idee op de kostbare tijd die vliegtuigen op de grond doorbrengen. Daar moet de ‘binnenkant’ van het vliegtuig klaar worden gemaakt voor de volgende vlucht. Denk hierbij aan het in- en uitladen van goederen en bagage, en het schoonmaken van passagierscompartimenten.

In feite bestaat dit idee al, maar enkel op de weg.
Wikimedia Commons

Van der Goot wil het anders doen. Hij wil de binnenkant van een vliegtuig scheiden van het vliegtuig zelf; als een vrachtwagen en een trailer. Het vliegtuig bestaat dan in feite uit alle benodigde onderdelen om te vliegen; dat wil zeggen, de vleugels, het onderstel en de cockpit. Daarbovenop wordt de zogenoemde payload-module geladen. De module kan op de grond al helemaal klaar worden gemaakt voor de vlucht en kan bij aankomst van het vliegtuig meteen op het ‘onderstel’ worden gezet. Het vliegtuig kan zo meteen doorvliegen wat veel tijd scheelt.

Maar er zijn nog een paar voordelen, aldus Van der Goot. Vliegtuigen worden veel flexibeler. Een passagiersvliegtuig kan in een handomdraai worden ‘omgetoverd’ tot een vrachtvliegtuig. De romp van het vliegtuig kan ook kleiner worden, als de lading dat toelaat, waardoor luchtweerstand kan worden verminderd. Ook kunnen niet essentiële onderdelen op de grond blijven. Een vrachtvliegtuig heeft bijvoorbeeld geen drukcabine nodig. Dit kan energiebesparend werken en bijdragen aan een groenere luchtvaart in 2040.

Bekijk de film waarin Rick zijn idee pitcht:

Elektrische turbojetmotor van Wijnand Schoemakers

Wijnand Schoemakers doet een voorstel voor een volledig elektrische turbojetmotor. Dit is het type motoren waarmee je doorgaans sneller vliegt dan de geluidssnelheid. De inmiddels uit de vlucht genomen supersonische Concorde had vier van deze motoren, de kerosine-versie welteverstaan. Voordelen van een elektrische variant zijn dat hij potentieel lichter en zuiniger kan zijn. Bovendien vindt er geen uitstoot van schadelijke gassen plaats.

De supersonische Concorde had vier turbojetmotoren.

Er moeten volgens Schoemakers nog twee problemen overwonnen worden. Ten eerste noemt hij de capaciteit van batterijen die sterk vergroot moet worden. Hij vertrouwt er echter op dat dit probleem in 2040 zal zijn opgelost, onder andere door vorderingen op dit gebied in de autoindustrie. Ten tweede moet er een verwarmingselement worden ontwikkeld dat in staat is grote hoeveelheden lucht efficiënt en snel te verwarmen, want dit is essentieel voor het vermogen van de turbojetmotor.

Om zijn betoog kracht bij te zetten voegt Schoemakers een zes pagina’s dik Matlab-script toe, waarmee hij laat zien dat een elektrische turbojet in principe zuiniger is dan een op kerosine gebaseerde versie. De weg zou daarmee vrij worden gemaakt voor een groene, elektrische luchtvaart.

Bekijk de film waarin Wijnand zijn idee pitcht:

Opblaasbare vliegtuigvleugels van Bernard Vervaet

Bernard Vervaets idee draait om opblaasbare vliegtuigvleugels. Niet de gehele vleugel maar compartimenten daarop, bedoeld om de vorm van de vleugel te optimaliseren voor verschillende vluchtsituaties. Deze optimalisatie bespaart brandstof.

Door het uitklappen van flaps kunnen vliegtuigvleugels de ‘ideale’ vorm aannemen.

Op zich is het idee van aanpasbare vleugels niet nieuw. Het wordt zelfs al volop toegepast in de vliegtuigwereld! Zit je wel eens bij het raam in een vliegtuig dan kun je dat zien. Bij het opstijgen en het landen klappen er aan de voor- en achterkant van de vleugel ‘extra vleugels’ uit, zogenoemde slats (voor) en flaps (achter). Gebeurt dat niet dan kan de luchtstroom rond de vleugel ‘loslaten’, waardoor er geen liftkracht meer is.

Vervaet heeft het idee om de slats en flaps te vervangen door een opblaasbaar element. Door de vleugel bijvoorbeeld dikker te maken aan de voorkant, bereik je hetzelfde effect als het uitklappen van extra vleugels. De slats en flaps hebben door hun mechaniek veel onderhoud nodig en zijn relatief zwaar. Een opblaasbaar systeem is veel lichter en gaat veel langer mee. Er hoeft niet eens een extra pomp mee, want elk vliegtuig beschikt al over een pneumatisch systeem.

Bijkomend voordeel is dat de vleugels door het opblaasbare systeem ijsvrij gehouden worden. Sterker nog, het systeem dat Vervaet voorstelt bestaat ook al voor dit doel. Door het ook in te zetten voor het optimaliseren van de vleugelvorm kunnen vliegtuigen er tegelijkertijd zuiniger door vliegen en kan de luchtvaart efficiënter worden.

Bekijk de film waarin Bernard zijn idee pitcht:

Scramjet-snelheid van Vincent Vrakking

Vincent Vrakking wil luchtvaartpassagiers in 2040 binnen twee uur van Amsterdam naar Sydney laten reizen. Daarvoor moet een voertuig met gemiddeld acht keer de geluidssnelheid gaan.

Met zijn scramjetmotor heeft NASA’s X43 al verschillende snelheidsrecords op naam.
NASA

Om die snelheden in de atmosfeer te bereiken kun je een zogenoemde scramjet gebruiken. Dit is een motor die pas werkt vanaf Mach 5 (5 keer de geluidssnelheid). Er bestaan al experimentele vaartuigen die succesvolle vluchten maakten met een scramjet, maar het blijft een (te) gecompliceerd stukje techniek. Gemakkelijker is gebruik te maken van een ramjet. Deze lijkt op de scramjet en is simpeler qua techniek, maar werkt alleen bij lagere snelheden (Mach 1 tot Mach 5). Je bent er dus niet binnen twee uur aan de andere kant van de wereld mee…

Vrakking wil daarom de luchtstromen rond een vliegtuig zo manipuleren dat hij met een ‘simpele’ ramjet toch extreem snel kan vliegen. Hoe? Hij wil de luchtstroom een elektrische lading geven en het met magneten afremmen tot ramjet-snelheden. Het vliegtuig behoudt desondanks zijn scramjet-snelheid.

Extra voordelen, zo schrijft Vrakking, is het verminderen van de luchtwrijving rondom het toestel en de mogelijkheid van het actief geleiden van de lucht naar de motoren, waardoor het vliegtuig ook op hogere hoogten (mogelijk tot in de ionosfeer) kan vliegen.

Bekijk de film waarin Vincent zijn idee pitcht:

Voorgekoelde straalmotor van Marijn Wouters

Marijn Wouters gaat op zoek naar een zuinigere motor. Hij doet een voorstel voor een ‘voorgekoelde straalmotor’. Het principe is als volgt: lucht wordt voordat het de motor binnen gaat extreem gekoeld door vloeibare waterstof, met een temperatuur van ongeveer 20 graden Kelvin. Vervolgens gaat de koude lucht de motor in, die qua principe lijkt op een klassieke straalmotor. Als de koude lucht de verbrandingskamer binnenkomt, wordt het vermengt met het brandbare waterstof (dat eerder al gebruikt kon worden voor het koelingsproces). De verbranding van dit explosieve mengsel levert de stuwkracht.

Een straalmotor in actie.
U.S. Air Force

Er zijn een paar voordelen van het gebruiken van voorgekoelde lucht, aldus Wouters. Zo’n motor geeft méér stuwkracht, hij werkt op grotere hoogte en is efficiënter. Doordat de temperatuur van de gehele motor lager is, kunnen ook lichtere materialen gebruikt worden voor het ontwerp. Bovendien maakt het gebruik van waterstof als brandstof een veel duurzamere luchtvaart mogelijk.

Als klap op de vuurpijl voorziet hij dat dit soort motoren ons niet alleen door de lucht kunnen laten reizen maar dat we er ook mee naar de ruimte kunnen. Daarvoor zullen we wel hybride-vliegtuigen moeten ontwikkelen dit naast de voorgekoelde straalmotor ook een raket aan boord hebben. Wouters denkt dat we in 2040 op die manier goedkoop satellieten kunnen lanceren.

Bekijk de film waarin Marijn zijn idee pitcht:

Waterstofvliegtuigen van Nout van Zon

Nout van Zon beschrijft in zijn essay een veelomvattend plan om de luchtvaart omstreeks 2040 volledig op waterstof te laten vliegen. Hij begint met het uitleggen van de uitdagingen van vliegen op waterstof. Sinds de jaren tachtig proberen technici vliegtuigen namelijk al te laten vliegen op waterstof.

Op de grond wordt er soms al gereden op waterstof.

Een probleem is de opslag van waterstof. Omdat waterstofgas een erg lage energiedichtheid heeft moet een vliegtuig heel erg veel van dat gas meenemen om er een redelijk eind op te kunnen vliegen. Om dat probleem te omzeilen kan het waterstof onder hoge druk worden meegenomen, 650 bar welteverstaan. Daarvoor moeten aan boord echter weer zware stalen tanks meegebracht worden, een concept dat niet past in de luchtvaart, aangezien daar alles zo licht mogelijk moet zijn. Van Zon wijst op de grote vooruitgang die de laatste tien jaar is gemaakt in de ontwikkeling van composietmaterialen die erg licht en toch heel sterk zijn. Als het 2040 is, dan is het technisch mogelijk waterstof onder hoge druk mee te nemen in composiettanks.

Maar dan moeten we wel genoeg waterstof voor handen hebben. Dat kan volgens Van Zon op geheel groene wijze, zonder ook maar één schadelijke molecuul de lucht in te sturen. Twee methodes gaan hiervoor zorgen: thermolyse en fotolyse. Bij de eerste techniek wordt er met een installatie zoveel zonlicht gebundeld dat het thermochemische reacties kan aandrijven die waterstof produceren. Bij fotolyse gebruiken we ook zonlicht, maar dat wordt met behulp van bacteriën en algen ‘omgezet’ in waterstof.

Ten slotte moet het waterstof ook nog veilig getransporteerd kunnen worden. Van Zon stelt dat waterstof in vaste vorm opgeslagen kan worden in stoffen als natriumboorhydride en zo in grote hoeveelheden veilig getransporteerd kan worden. Waterstofvliegtuigen kunnen prima vliegen op de snelheden van de huidige lijnvliegtuigen. De maximale hoogte die ze kunnen halen is volgens Van Zon zo’n 18 kilometer. Alle vorderingen in de technieken die Van Zon opsomt maken het volgens hem mogelijk om de luchtvaart in 2040 geen grammetje vervuiling meer te laten uitstoten.

Bekijk de film waarin Nout zijn idee pitcht:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 april 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.