De elektrische toekomst van de luchtvaart

Steeds meer wordt de mens zich bewust van de implicaties van onze geïndustrialiseerde samenleving. In onze zoektocht naar een duurzamere manier van leven, moet in alle gebieden naar oplossingen gezocht worden. De transportsector is de snelst groeiende oorzaak van broeikasgassen. Het is dan ook logisch dat de luchtvaart in de voetsporen treedt van de automobielsector. Elektrische auto’s zijn al lang gekend en gezien het recent succes van Tesla een groot commercieel potentieel. Kan de luchtvaart dezelfde stap zetten? Indien ja, hoe en wanneer kunnen we dan elektrisch op reis met het vliegtuig?

Elektrisch vliegen

Een korte geschiedenis

Het experimenteren met elektriciteit in de luchtvaart begon al in de 19e eeuw. In 1883 was Gaston Tissandier de pionier die erin slaagde een luchtschip voort te stuwen met een elektrische motor. Het zou echter nog driekwart eeuw duren vooraleer heavier-than-air toestellen het luchtruim vinden. In 1957 slaagde Fred Militky er uiteindelijk als eerste in een bemande vlucht te maken met een elektrisch aangedreven toestel. Sindsdien is men blijven evolueren. De grootste uitdaging waren de batterijen en het vermogen van de motor.

Het batterijprobleem zette wetenschappers aan het denken. Het ontwikkelen van krachtige en compacte batterijen was namelijk een werk van lange adem. Tot de dag van vandaag blijft dit probleem de grootste drempel voor het commercialiseren van elektrische luchtvaart. Drie jaar voor de historische vlucht van Militky ontwikkelde men in de Bell Telephone Laboratories echter een technologie die het concept van de duurzame ontwikkeling voorgoed zou veranderen: de fotovoltaïsche cel. Het zou nog duren tot 1979 vooraleer de Solar Riser, een bemande, door zonnecellen aangedreven hangglider, zijn eerste vlucht maakt. Sindsdien werd quasi elk groot elektrisch experiment in de luchtvaart gekenmerkt door het gebruik van fotovoltaïsche cellen.

Enkele van de meest noemenswaardige experimenten

NASA Pathfinder, Pathfinder Plus, Centurion en Helios
Deze toestellen behoorden tot een serie van onbemande toestellen, aangedreven op zonne-energie. Ze werden vanaf 1983 twee decennia lang ontwikkeld door AeroVironment, een technologiebedrijf dat zich bezig houdt met energie systemen, UAV’s en elektrische voertuigen. Helios, is een laatste toestel in de reeks, verpulverde in 2001 alle records, maar werd in 2003 aan flarden geblazen door turbulentie. Dit ongeval zette een punt achter de experimenten.

Sunseeker, Icaré II en LF20
Deze drie legendes waren de grootste particuliere, record zettende toestellen van de jaren 90. De respectievelijk Amerikaanse en Duitse vliegtuigen voerden meermaals historische, bemande vluchten uit, puur op zonne-energie. De constructeurs baseerden zich meestal op bestaande ontwerpen van zweefvliegtuigen, die nadien uitgerust werden met zonnecel technologie. Deze recordvluchten, gemaakt door particuliere organisaties, waren mijlpalen in de geschiedenis van de elektrische luchtvaart. Eindelijk was de techniek ver genoeg gevorderd om toegepast te worden op small scale, ‘low budget’ projecten. De eerste stap naar commercialisatie was gezet.

Solar Impulse
Het laatste toestel in deze beknopte selectie van meest noemenswaardige experimenten is de Solar Impulse. Een introductie van dit alom bekende toestel overbodig is bijna overbodig. Het gaat om een Zwitsers solar-powered aircraft project, gericht op lange afstandsvluchten. Het project werd ontwikkeld aan de Ecole Polutechnique Fédérale de Lausanne, met als projectleiders Bertrand Piccard en André Borschberg. Het ultieme doel van het project is een circumnavigatie van de aarde, enkel en alleen op zonne-energie. Inmiddels heeft de Solar Impulse sinds zijn eerste vlucht, 3 december 2009, al meerdere grenzen verlegt. Een van de meest bijzondere vluchten was een 26 uur lange vlucht, waarvan 9 uur bij nacht, waarbij het toestel een volledige dagengang van de zon volgde. De Solar Impulse is waarschijnlijk het meest populaire solar-aviation project ooit gemaakt. Zijn naambekendheid dankt het voornamelijk aan de wereldreis afgelegd in de afgelopen jaren. Ook België stond op de lijst van bezochte landen. Een volledig solar-powered toestel met een spanwijdte van meer dan 60m blijft natuurlijk nooit onopgemerkt.

Wat is het nut van dit soort experimenten?

Men zou zich de vraag kunnen stellen wat het nut is van dergelijke experimenten. Een solar-powered commercieel toestel ligt immers niet binnen de mogelijkheden en bovendien is er slechts een zeer gering gebruik van zonnecellen binnen de luchtvaart in het algemeen.

Het antwoord is tweevoud. Allereerst wordt een groot deel van het budget voor dergelijke projecten gespendeerd aan onderzoek. Men heeft immers nieuwe materialen, betere fotovoltaïsche cellen, aangepaste motoren etc. nodig om dergelijke toestellen de lucht in te krijgen, om nog maar te zwijgen over de computertechnologie en meetapparatuur, nodig om het toestel te stabiliseren en controleerbaar te houden. Al deze technologie kan later gebruikt worden in andere projecten, onder andere voor commerciële doeleinden.

Een tweede en belangrijkste pluspunt is het opwekken van een publiek bewustzijn met betrekking tot het gebruik van duurzame energie. Men kan aan de hand van dit soort experimenten de mogelijkheden van zonne-energie en van duurzame energie in het algemeen ten toon stellen aan het grote publiek en specifiek aan de luchtvaartsector. De impact van de solar-impulse op economisch vlak was al merkbaar door een beursstijging van duurzame energie bedrijven na enkele succesvolle prestaties van het team. Het is echter nog wachten op een mentaliteit shift van de grote broers in de luchtvaartindustrie zelf.

Hoe ver staan we vandaag met de gecommercialiseerde projecten?

Momenteel staan elektrische toepassingen in de luchtvaart nog in hun kinderschoenen. Desalniettemin zijn er al heel wat voorbeelden terug te vinden van duurzame initiatieven. In dit onderdeel bespreken we kort de hedendaagse mogelijkheden in verschillende domeinen. Het is uiteraard onmogelijk om alle toepassingen op te sommen, daarom is er een selectie van de meest interessante creaties. Allereerst hebben we het over de elektrische toepassingen op zwevers, vervolgens bespreken we het gebruik van elektrische aandrijving voor sportvliegtuigjes. Deze duurzame staat nog in zijn kinderschoenen. Op toepassingen binnen de commerciële luchtvaart is het nog even wachten.

Zwevers

Een van de belangrijkste en meest haalbare elektrische mogelijkheden zijn zwevers. De voornaamste reden is dat zweeftoestellen het grootste deel van de vlucht beroep doen op thermiek of andere natuurlijke, opwaartse luchtstromingen om te blijven vliegen. Enkel tijdens het opstijgen en indien men autonoom hoogte wil winnen, moet men beroep doen op externe aandrijving. Slechts een klein percentage zwevers is gemotoriseerd, voornamelijk met een uitklapbare of vooraan gefixeerde propeller, aangedreven door een verbrandingsmotor. Zweefvliegen is echter bekend als een ecologische sport en wil dit imago ook hoog houden. Daarom dragen de constructeurs ook graag hun steentje bij, onder andere door de introductie van elektrische motoren in de sport.

De eerste elektrisch aangedreven zwever was tevens het eerste commercieel ontwikkelde, elektrisch aangedreven toestel. De Alisport Silent Club ging in productie in 1997. Het is een klein, licht toestel met een spanwijdte van 12 m en een 125 kg minimum gewicht. In 2003 kwam de eerste elektrisch aangedreven open class glider uit: de Antares 20E, gevolgd door de Arcus-E in 2009. Beiden hebben een spanwijdte tot 23 m en een maximum gewicht van respectievelijk 600 kg en 800 kg. Als laatste belangrijke mijlpaal, kozen we voor de Pipistrel Taurus Electro G2. Dit is een zwever met een volledig elektrische versie voor vier personen.
De zweefvliegsport heeft een grote invloed op de luchtvaart in het algemeen. De zoektocht naar een zo klein mogelijke weerstand en zo groot mogelijk glijgetal, zorgt ervoor dat veel grote maatschappijen zoals Boeing en Airbus de sector op de voet volgen en als referentie of inspiratiebron gebruiken. Het succesvol gebruik van elektrische aandrijving in deze sector kan dus een belangrijke duw in de rug betekenen voor de grote broer.

Elektrische sportvliegtuigjes

De evoluties in de automobielsector en de luchtvaart vertonen veel gelijkenissen. Ook op het vlak van duurzaamheid en de implementatie van elektrische technologie. De eerste versies van elektrische wagens waren kleine stadswagens die slechts een minimum gewicht en performantie vereisten. Diezelfde trend vinden we ook terug in de luchtvaart. Daar waar de commerciële luchtvaart op zich laat wachten, vinden we in de lucratieve sector al heel wat meer initiatieven. Zoals hierboven al vermeld is het zeker niet onmogelijk om elektrisch te vliegen. De vraag is echter hoe lang, hoe ver en waarmee. In dit onderdeel bekijken we eerste enkele volledig elektrische toestellen, gevolgd door een hybride alternatief.

Volledig elektrische projecten
Naast enkele particuliere projecten, wordt deze kleine markt gedomineerd door twee bedrijven, met name the Electrical Aircraft Corporation en Electravia. Als bij toeval gaat het ook in deze sector om een respectievelijk Amerikaans en Frans bedrijf. Waar hebben we dat nog gezien? Wat Tesla deed voor de automobielsector, proberen zij te bereiken in de luchtvaart. De resultaten klinken alvast veelbelovend.

The Electrical Aircraft Corporation kwam in 2009 voor de dag met zijn ElectraFlyer X, een toestel dat zich momenteel nog in de testfase bevindt. Een volledig opgeladen toestel zou een vlucht van 3 uur moeten kunnen voltooien. Hiermee kan slechts één persoon getransporteerd worden.

Electravia richt zich voornamelijk op elektrische propulsiesystemen, die op andere toestellen kunnen worden toegepast. Het meest gekende voorbeeld is de elektrische versie van de MC15 Cri-Cri. Hiermee werd in 2011 het snelheidsrecord voor elektrische toestellen verbroken met een snelheid van 283 km/h.

Een laatste, veel belovend toestel is de PC-Aero Elektra One. Dit toestel is een buitenbeentje. Het business concept is om stroom te genereren via zonnecellen op de hangars, waarbij de overbodige stroom het net voedt. Hierdoor vliegt het toestel enkel op hernieuwbare energie en wordt vliegen bijna kosteloos. Bovendien beschikt het toestel zelf over zonnecellen, waardoor een vlucht 3 u tot 4 u kan duren. Het bedrijf richt zich voornamelijk tot vliegclubs die op deze manier de prijs van hun vlieguren drastisch kunnen verlagen. De grootste uitdaging blijft echter nog steeds het gewicht. Momenteel is de Elektra One slechts beschikbaar in single-seat versie.

Hybride
We hebben het hierboven al vermeld, de evoluties binnen de luchtvaart vertonen nogal wat gelijkenissen met de trends gezet door de automobielsector. Het mag dan ook niet verbazen dat de hybride technologie langzaam zijn weg naar het luchtruim vindt. Hoe ver staan we vandaag met de ontwikkeling van een vliegende Toyota Prius of Chevrolet Volt? Verder dan men zou denken. We bespreken hieronder de twee meest belovende hybride projecten: het Siemens-EADS project en de GT4 van Volta Voltaré.

In juni 2013 toonden Siemens en EADS de mogelijkheden van hun project door een vlucht af te leggen van 900km met hun hybride tweezitter. Zoals de Chevrolet Volt doet het toestel beroep op een electro-motor met een verbrandingsmotor als back-up generator. Op deze manier levert het toestel 70 kilowatt (kW). Genoeg om te concurreren met klassieke alternatieven. De hybride technologie maakt het toestel niet enkel stiller, maar zorgt ook voor een brandstofbesparing van 25%. De volgende stap voor Siemens is de optimalisatie van het systeem en in de nabije toekomst zelfs commercialisatie.

Een tweede veelbelovend project is de Volta Volaré GT4 . Het bedrijf noemt zijn geesteskind "the most technologically advanced private aircraft available anywhere on Earth." De uitspraak is misschien wat hoog gegrepen, maar veelbelovend en futuristisch is het toestel zeker. De aanpak van Volta Volaré loopt nogal parallel met deze van Siemens. Het toestel vliegt volledig elektrisch en doet beroep op de generator wanneer het batterijniveau onder de 25% duikt. Het toestel levert een vermogen van 300 kW of 400 pk en haalt hiermee een cruise snelheid van net geen 300 km/h en een range van een kleine 2000 km. Dit alles klinkt als toekomstmuziek, maar dit is het zeker niet. De GT4 is reeds commercieel beschikbaar en dit voor een half miljoen dollar.

De impact van deze twee succesvolle projecten mag zeker niet onderschat worden. Kevin Bullis, een journalist voor evworl.com spreekt zelfs over een heuse mentaliteit shift in de luchtvaartindustrie. Voor hybride lijnvluchten moet men echter nog enkele jaartjes geduld uitoefenen. Er zijn projecten in aantocht maar deze zijn nog niet voor morgen. We komen hier straks nog op terug.

Toekomst van het elektrisch vliegen

Zoals we hiervoor al konden lezen zit de sector zeker niet stil. Desalniettemin gaat het nog steeds om relatief kleine projecten. De grootste vervuilers zijn echter de grote lijntoestellen die dagelijks enorme afstanden afleggen. Zou het mogelijk zijn om ook hier elektrisch vliegen te introduceren? Laten we twee projecten van dichter bij bekijken, het Boeing Sugar Volt project en het EADS VoltAir project. Deze toestellen in ontwerp zijn respectievelijk hybride of volledig elektrisch aangedreven.

Het Boeing SUGAR Volt project ging op zoek naar de hybride mogelijkheden binnen de commerciële lijnluchtvaart. Net zoals het ontwerp van Siemens, hierboven besproken, combineert het toestel elektrische voortstuwing met traditionele brandstof. Op deze manier hoopt Boeing een energie-efficiënt model te ontwerpen, klaar voor de next generation luchtvaart. Naast de revolutionaire hybride aandrijving, doet het concept-toestel beroep op een grotere vleugelspanwijdte en twee open-rotor engines. Het idee is om het toestel te voeden met traditionele brandstof tot het zich op cruising altitude bevindt, om vervolgens over te schakelen op elektrische voortstuwing. De grotere vleugelspanwijdte zorgt hierbij voor meer liftkracht.

Het grootste probleem tot nu toe, zijn de batterijen. Het vermogen nodig om een dergelijk toestel op koers te houden kan momenteel nog niet uit de traditionele batterijen gehaald worden. Het wordt volgens schattingen wachten tot minstens na 2030 alvorens de technologie beschikbaar zal zijn.

Het EADS VoltAir project gaat nog een stapje verder. De ingenieurs bij Airbus besloten direct all the way te gaan en ontwikkelden een volledig elektrisch gevoed concept. Het toestel wordt aangedreven door twee counter-rotating propellers voor verbeterde propulsie. Daarnaast heeft men een superconductieve elektrische motor nodig die deze props aandrijven. Hierdoor kan men rekenen op een hoog vermogen ten opzichte van een minimum aan gewicht. Ook de verbindingen met de batterijen moeten superconductief zijn om verlies te minimaliseren. Als laatste heeft men high-density batterijen nodig om over de noodzakelijke kracht en endurance te beschikken voor lange vluchten en dit voor een minimum aan gewicht. Dit alles wordt dan ondergebracht in een next generation aircraft body.

Dit project is echter nog niet voor vandaag. Zowel superconductiviteit als high-density batterijen zijn nog steeds toekomstmuziek. Het project team hoopt op een concreet resultaat binnen 20 jaar.

Conclusie

Er zit veel potentieel in de elektrische luchtvaart, maar commerciële projecten zijn nog niet voor morgen. Enerzijds moet er gewerkt worden aan de mindset van grote bedrijven, luchtvaartmaatschappijen en de reizigers zelf. Anderzijds is het nog wachten op de noodzakelijke technologische basis om elektrische lijnvluchten mogelijk te maken. We moeten het dus nog enkele decennia bij dromen houden.