Duurzame vliegtuigen zijn radicaal anders

Luchtvaart Zullen er ooit vliegtuigen bestaan die het klimaat niet belasten? Daarvoor zijn nieuwe ontwerpen nodig, zoals vliegende vleugels. En andere energiebronnen.

Het schaalmodel van de Flying-V in Delft.
Het schaalmodel van de Flying-V in Delft. Foto Lex van Lieshout/ANP

‘Dit is het vliegtuig van de toekomst”, zegt Roelof Vos van de TU Delft lachend als ik hem vraag waarin we onszelf over een paar decennia door het luchtruim verplaatsen. Hij gebaart naar een klein showmodel van een V-vormig vliegtuig, waarbij de bagage en passagiers in de vleugel zitten. Een compleet ander ontwerp dan de huidige ‘sigaar-met-vleugels’. Serieuzer: „Dit ontwerp is bedoeld voor het afleggen van langere afstanden, tot 15.000 kilometer, met ongeveer 300 passagiers. Het vliegtuig van de toekomst zal er voor verschillende afstanden en passagiersaantallen verschillend uitzien.”

De luchtvaart moet flink verduurzamen om de klimaatdoelen te halen. „Dat betekent dat het vliegtuig van de toekomst energie-efficiënter moet zijn dan de huidige toestellen”, vertelt Elisabeth van der Sman, adviseur duurzame luchtvaart bij het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). „We hebben nog geen overvloed aan duurzame energie, dus alles wat we doen zal efficiënter moeten. En wat er dan nog nodig is aan energie, moet uit duurzame bronnen komen.”

Dat betekent: energiebesparende, lichtgewicht ontwerpen en een verschuiving van kerosine als brandstof naar groenere bronnen, zoals batterijen, waterstof en biobrandstof. Of synthetische kerosine gemaakt van koolstofdioxide (CO2) uit de lucht en waterstof. Deze ontwikkelingen staan allemaal nog in de kinderschoenen.

Elektrisch vliegen zorgt voor de minste uitstoot tijdens de vlucht. Maar batterijen zijn zwaar. Een Airbus A380, met ruim 450 passagiers, heeft bijvoorbeeld ruim 200 megawatt aan vermogen nodig tijdens het opstijgen, evenveel als een middelgrote energiecentrale kan leveren. Dat krijg je voorlopig niet in een batterij. Kerosine bevat nu nog vijftig keer meer energie per kilogram dan batterijen.

Zware batterijen

Vanwege hun massa zijn batterijen dus ongeschikt voor lange afstanden. Hét vliegtuig van de toekomst bestaat dus niet. Om duurzamer te vliegen zijn verschillende vliegtuigvormen nodig, omdat de afstand en het passagiersaantal bepaalt welke duurzame energiebron je kunt gebruiken. En die bron kun je niet los zien van het ontwerp, vertelt Van der Sman. „Batterijen zijn zwaar en waterstof neemt veel ruimte in. De opslag kan onder hoge druk of in vloeibare vorm bij extreem lage temperaturen (-253°C), als je het compact wilt hebben.”

Het V-vormige vliegtuig ontwerp, genaamd Flying-V, waar Roelof Vos naast staat, is gericht op energiebesparing. De Delftenaren ontwikkelen dit futuristische toestel, waar de cabine is samengesmolten met de vleugels, in samenwerking met KLM. Het oorspronkelijke idee komt van een stagiair bij Airbus.

Vos: „De Flying-V heeft binnenin meer ruimte en is desondanks lichter dan de huidige toestellen. Ook heeft het toestel een meer aerodynamische vorm waardoor het minder weerstand ondervindt.” In de luchtvaart telt elke gram. Hoe lichter het toestel, hoe minder brandstof je mee hoeft te nemen. En hoe minder brandstof, hoe lichter. Het effect versterkt zichzelf. Volgens de onderzoekers heeft de Flying-V op een vlucht van 15.000 kilometer – ongeveer van Amsterdam naar Perth, Australië – 20 procent minder brandstof nodig dan de Airbus A350, het modernste toestel dat een vergelijkbare hoeveelheid vracht en passagiers kan vervoeren.

Waterstof zorgt voor wolken

„Flying-V wordt nu nog ontworpen om te vliegen op kerosine, maar we kijken ook naar waterstof”, vertelt Vos. „Dit is mogelijk als je de binnenkant omgooit. Omdat waterstof vier keer zoveel ruimte inneemt als kerosine passen er dan minder passagiers of bagage in.” Het voordeel van waterstof is dat er geen CO2-broeikasgas ontstaat bij de verbranding. Wel komen er nog altijd schadelijke stikstofoxiden (NOx) en waterdamp uit de uitlaat. Waterdamp veroorzaakt hoog in de lucht wolkvorming, wat als een deken de aarde kan opwarmen. Vos: „In Delft zit een vakgroep die kijkt naar de impact van deze emissies op het broeikaseffect en hoe we die kunnen verminderen, bijvoorbeeld door lager of juist hoger te vliegen.”

Toch lijkt waterstof de meestbelovende oplossing voor lange afstanden. Airbus presenteerde in september drie nieuwe concepten op waterstof. Twee zijn sigaarvormig. De derde is een zogeheten blended-wing body, die lijkt op de Flying-V. Deze toestellen moeten 100 tot 200 passagiers vervoeren over een afstand van 1.850 tot 3.700 kilometer. Airbus wil een van deze concepten in 2035 op de markt brengen. Een ambitieus doel.

De kans dat de blended-wing body als eerste het luchtruim kiest, lijkt klein. Vos: „Het ontwikkelen van de Airbus A350, die de klassieke sigaarvorm heeft, kostte tien jaar en 12 miljard euro. Voordat een compleet nieuw ontwerp überhaupt dat proces in kan moet je eerst aantonen dat de technologie werkt en veilig is.”

„Compleet nieuwe ontwerpen zoals de Flying-V en blended-wing body zullen niet voor 2050 passagiers vervoeren”, schat Paul Eijssen, divisiemanager Aerospace Operations bij NLR: „Zoiets radicaal nieuws ontwerpen en certificeren kost veel tijd.”

Een stuurfoutje

De Flying-V zit nog volop in de test- en ontwerpfase. In het Delftse lab ligt een testmodel ondersteboven. In de neus zit een flink gat dat het resultaat is van tests die afgelopen zomer plaatsvonden in Duitsland. Desondanks spreken Vos en ingenieur Malcom Brown van een succes. Brown: „Tijdens deze eerste vlucht hebben we kunnen zien hoe het toestel reageert op wind en sturing en met de sensoren aan boord is veel informatie verzameld. Dat kunnen we gebruiken om een computermodel van het ontwerp te maken zodat piloten in een simulator kunnen ervaren hoe de Flying-V vliegt.” Helaas ging de landing na de eerste vlucht mis, waardoor de neus brak. De oorzaak was waarschijnlijk een stuurfoutje, omdat de dronepiloot de wielen niet goed kon zien vanaf te grond.

Het doel is om de Flying-V in de toekomst in verschillende formaten te gaan leveren, die ruim twintig keer groter zijn dan het testmodel. „We werken aan drie modellen waarvan er in de kleinste 295 passagiers passen en in de grootste 360”, vertelt Vos. Een kleiner Flying-V’tje of een andere blended-wing body, voor korte vluchten, lijkt niet mogelijk. „Dat heeft te maken met de menselijke maat. De passagiers zitten in de vleugel en dat kan alleen omdat het een groot vliegtuig is. Maak je het toestel kleiner dan pas je als mens simpelweg niet meer in de vleugel.”

Propellers op de vleugels

Voor kortere afstanden met minder passagiers wordt naar andere toestellen gekeken. Omdat daarvoor minder energie nodig is, is er meer mogelijk. Batterijen meezeulen wordt een optie. „Voor afstanden tot 500 kilometer met maximaal negentien passagiers is het in 2030-2035 waarschijnlijk mogelijk om elektrisch te vliegen”, zegt Elisabeth van der Sman. „Voor de vluchten van hooguit 1.500 kilometer met ongeveer 70 passagiers zal rond diezelfde tijd hybride-elektrisch vliegen mogelijk zijn.” Daarbij gebruik je een combinatie van verschillende energiedragers: kerosine, batterijen of brandstofcellen. Die laatste zetten waterstof om in elektriciteit voor elektromotoren.

Als je elektrisch gaat vliegen zijn er ook ontwerpaanpassingen mogelijk die een toestel energie-efficiënter maken, vertelt Eijssen. „Door elektriciteit te gebruiken kun je bijvoorbeeld meerdere propellers tegelijkertijd aandrijven, terwijl een verbrandingsmotor er slechts één in beweging zet.” Dat betekent dat ontwerpers kunnen spelen met het propellerontwerp. Zo blijken meerdere propellers naast elkaar efficiënter en omdat ze kleiner zijn kun je ze op meer verschillende plekken op het vliegtuig kwijt. „Je kunt ze bijvoorbeeld aan de bovenkant in de vleugel verwerken”, vertelt Van der Sman. „Daardoor trekken ze lucht over de vleugel, wat aerodynamisch voordeliger is en dus het energieverbruik vermindert. Ook zou je propellers in de staart kunnen verwerken en daarmee sturen. Je hebt dan kleinere of helemaal geen staartvlakken nodig, wat gewicht bespaart.”

Elektrische en hybride toestellen bieden wel een duurzame oplossing voor de meeste vliegbewegingen, maar ze helpen niet om de meeste CO2-uitstoot terug te brengen: 80 procent van de CO2-uitstoot van de luchtvaart is afkomstig van vluchten van meer dan 2.000 kilometer. „Voor die lange afstand moeten we kijken naar duurzame brandstoffen of naar een ander vliegsysteem, met bijvoorbeeld meer tussenstops om op te laden”, zegt Eijssen. „We moeten misschien accepteren dat je niet in één keer van Amsterdam naar Sydney kan vliegen. Je hebt dan meer, maar wel schonere vliegbewegingen.”

Om elektrische en hybride toestellen zo snel mogelijk veilig op de markt te brengen wordt er onder meer door NLR getest met kleine toestellen. Sinds begin november beschikt NLR daarom over een Pipistrel Velis Electro. „Dit Sloveense elektrische vliegtuig kan 30 minuten vliegen en heeft plaats voor een piloot en één passagier”, vertelt Eijssen. „Hiermee gaan we zowel onderzoek doen naar elektrisch als naar hybride vliegen. Daarom gaan we een waterstofbrandstofcel in het toestel bouwen.”

Eijssen: „De verduurzaming van de luchtvaart is een enorme uitdaging als je ziet waar we vandaan komen.” Toch denken de NLR-onderzoekers dat het mogelijk is, als we niet alle pijlen op één enkele oplossing richten. Dat de meest duurzame oplossing – elektrisch vliegen – potentie heeft toont de Pipistrel. Maar het zal nog heel lang duren voordat we op batterijen de oceaan over vliegen.