Fix het maar eens, een duurzame luchtvaart

By Aafke Eppinga

Als Jos Vankan, principal scientist bij NLR, niet aan het werk is, is hij regelmatig op het water te vinden met zijn kite. “Dan komt het toch wel samen he? Ik zeg wel eens dat ik niet per se iets met luchtvaart heb, maar uiteindelijk ben ik ook in mijn vrije tijd met aerodynamica bezig.” Wie met Jos in gesprek gaat over zijn vak, ziet een gedreven, maar vooral bescheiden onderzoeker. Zijn curriculum vitae daarentegen laat niets aan de verbeelding over. De geboren en getogen Limburger heeft tientallen wetenschappelijke publicaties op zijn naam staan.

Voorspellen hoe het vliegtuig zich gedraagt

Jos werkt op de afdeling Collaborative Engineering Systems, waar een groot deel van zijn werk in het teken staat van de grootste uitdaging voor de luchtvaart op dit moment: verduurzamen. Aan de hand van wiskundige modellen kan de onderzoeker voorspellen hoe een vliegtuig zich gedraagt onder snel veranderende omstandigheden. Met deze modellen kan het gebruik van verschillende aandrijvingen, zoals op kerosine, waterstof of elektriciteit, maar ook van lichte en sterke materialen, zoals koolstofvezel versterkte composieten, onderzocht worden.

“Als passagier merk je er niets van dat de vleugels en romp van het vliegtuig zijn gemaakt van composiet dat lichter is dan aluminium, waardoor het vliegtuig minder brandstof gebruikt en dus zuiniger en schoner vliegt. Maar voor ons klimaat en milieu maken dit soort ontwikkelingen samen een groot verschil. Het is heel gaaf om daar onderdeel van te zijn; bij NLR werken we met meer dan zevenhonderd mensen dag in dag uit aan een betere luchtvaart.”

Demonstraties met e-vliegtuig op Aruba: ‘Dit is de toekomst’

Wie zich op de ABC-eilanden bevindt, pakt in de nabije toekomst wellicht het elektrische vliegtuig om zich van eiland naar eiland te verplaatsen.

Verschillende vakgebieden bij elkaar brengen

Het optimale gebruik van composiet voor vliegtuigonderdelen is ingewikkeld. Een composiet bestaat altijd uit twee of meer materialen. “Dat kunnen bijvoorbeeld een thermoplastmatrix en carbon (koolstof)vezels zijn. Thermoplasten, in tegenstelling tot thermoharders, smelten bij verhitting. De carbonvezels, die ultrasterk zijn, liggen als het ware ingebed in die thermoplast in de vorm van lange draden met een bepaalde oriëntatie”, legt Jos uit. Zo wordt een vleugel van een vliegtuig gemaakt van hele dunne laagjes composiet (een of enkele tienden van een millimeter dik) die op elkaar gestapeld worden tot een plaat van één of enkele millimeters dik.

Een techniek om dit soort thermoplastische koolstofcomposieten aan elkaar te verbinden, is lassen met elektromagnetische inductie. De carbonvezels uit het materiaal kunnen heel goed elektriciteit geleiden, het matrixmateriaal (de thermoplast) heeft juist een hoge elektrische weerstand. “Door de geleiding van de vezels kun je de matrix verhitten via een inductiemechanisme. Daarbij is de oriëntatie van de vezels heel belangrijk. In die stapeling van laagjes composiet liggen dus allemaal vezels in verschillende oriëntaties die bepalend zijn voor de verdeling van de opwarming in het materiaal. Je hebt dus te maken met hele complexe fenomenen op heel kleine schaal.”

“Het is een enorme uitdaging, maar ik vind het geweldig als het uiteindelijk lukt.”

Jos Vankan

Het project waarin dit onderzocht is, dat zo’n vijf jaar heeft geduurd, heeft erin geresulteerd dat er steeds meer kennis is van de productieprocessen van vliegtuigen die composiet als romp- of vleugelmateriaal gebruiken. “Als je onderzoek doet met verschillende disciplines zoals elektromagnetisme, mechanica, materiaalkunde en productietechniek,  moet je elkaar écht goed begrijpen. Dat is een enorme uitdaging, maar ik vind het geweldig als het uiteindelijk lukt.”

Hybride configuratie

Ook is Jos namens NLR betrokken bij projecten op het gebied van hybride voortstuwing (Hybrid Electric Propulsion). Het toestel maakt dan tijdens een vlucht gebruik van verschillende energiebronnen en aandrijflijnen, bijvoorbeeld parallel of serieel. De combinatie van energiebronnen moet het mogelijk maken om de totale energie-efficiëntie te optimaliseren en brandstofverbruik te verminderen.

“Stel dat je batterijen in de vleugels onderbrengt, in plaats van in de romp. Hoe ver kun je dan vliegen met hoeveel passagiers? Welke impact heeft het als je een iets andere motor gebruikt? Het antwoord op deze vragen kunnen wij aan de hand van modellen zo goed mogelijk proberen te voorspellen.”

Van fundamenteel naar praktijkgericht onderzoek

Skip backward naar 1996. Jos is net gepromoveerd op de microstructuur van biologisch materiaal aan de Maastricht University en TU Eindhoven. Hij verstuurt tientallen sollicitatiebrieven naar bedrijven waar hij praktijkgericht onderzoek kan doen – Philips, DSM, het KNMI; ze komen allemaal voorbij. Het is een zoektocht, want de arbeidsmarkt van eind vorige eeuw is het tegenovergestelde van de arbeidsmarkt nu.

Tot hij een reactie krijgt van NLR. “Ik had tot dat moment eigenlijk niet heel veel met luchtvaart”, bekent Jos glimlachend. Toch blijkt het een gouden match, want 25 jaar later loopt hij nog steeds rond in de gangen van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum in Amsterdam. Hij is niet zo’n “trots type” en wil zijn werk vooral gewoon goéd doen. “Wat dat betreft ben ik toch meer een nuchtere Noord-Hollander dan een ambitieuze Limburger”, concludeert hij met een glimlach. Voor zijn baan bij NLR verhuisde hij in 1996 naar de contreien van Amsterdam. Het was een kleine cultuurshock, maar inmiddels voelt hij zich er helemaal thuis.

Voor een elektrische luchtvaart moet het hele ecosysteem mee

Waar energiecentrales en zware industrie steeds grotere stappen zetten in de transitie naar een CO₂-vrije sector, heeft de luchtvaart het moeilijk.

Een duurzame, groenere luchtvaart heeft zich als een rode draad vervlochten met zijn carrière, maar dat de sector pas sinds kort kijkt hoe er zuiniger en efficiënter gevlogen kan worden, is een misvatting die de onderzoeker de wereld uit wil helpen. “De afgelopen vijftig jaar is de hoeveelheid kerosine die een vliegtuig nodig heeft bijna gedecimeerd. De sector heeft enorme stappen gezet. Die nuance mis ik soms. De toon anno 2023 is dat de luchtvaart vervuilend en slecht is. Maar het is niet zozeer dat vliegen vervuilend is: heel snel heel ver reizen, dat is vervuilend, of dat nou per vliegtuig gebeurt of anderszins.”

De onderzoeker verwacht dat de sector – net als in de afgelopen vijftig jaar – de aankomende vijftig jaar nog energie-efficiënter zal worden. Maar, hoe zuiniger, schoner en efficiënter de luchtvaart wordt, hoe moeilijker verdere verbeteringen worden. “Het is een grote uitdaging, waar NLR, samen met andere instanties en bedrijven, heel hard aan werkt. Ik vind het ontzettend leuk om daar mijn steentje aan bij te dragen.”

In de volgende aflevering (augustus-september 2023): Ellen van Leeuwen, principal engineer, en haar passie voor data in haar werk voor geluidhinder en regelgeving voor de Koninklijke luchtmacht.