Luchtvaart is een van de meest milieubelastende vormen van vervoer, goed voor 3% van alle broeikasgasemissies in de EU. Maar nieuwe vliegtuigontwerpen geïnspireerd op het werk van een luchtvaartingenieur uit het begin van de 20e eeuw en natuurlijke stoffen zoals honingraat en gras kunnen helpen om de ecologische voetafdruk van vliegen te verkleinen.

Met bijna 1 miljard passagiers die in 2016 naar het Europese luchtruim gingen en het aantal stijgt nog steeds, de groei van de Europese luchtvaart is enorm. Het effect is dat, net zoals veel andere industrieën de uitstoot van broeikasgassen verminderen door efficiëntie en nieuwe technologie, de luchtvaart neemt toe.

Eén persoon die van Londen naar New York en terug vliegt, genereert ongeveer hetzelfde emissieniveau als de verwarming van een huis voor de gemiddelde Europeaan in een jaar. Op de recente conferentie van de Transport Research Arena in Wenen, Oostenrijk, een evenement op hoog niveau dat alle vormen van Europees vervoer bestrijkt, Professor Hans Joachim Schellnhuber, directeur van het Potsdam Institute for Climate Impact Research in Duitsland, zei dat het volledig vermijden van vliegreizen de beste optie was om het milieu te beschermen.

Maar zoals Sergio Barbarino, voorzitter van de Alliance for Logistics Innovation through Collaboration in Europe (ALICE) reageerde, dat is een onwaarschijnlijk scenario. "We kunnen mensen niet zomaar vertellen dat ze niet meer op vakantie kunnen naar de Canarische Eilanden, " hij zei.

Vliegreizen zijn misschien hier om te blijven, maar het lijdt geen twijfel dat ingenieurs nieuwe manieren moeten vinden om het schoner en groener te maken. Een idee is om de vleugel van een vliegtuig radicaal te herontwerpen, zodat het aanzienlijk minder operationele brandstof nodig heeft, een aanpak die momenteel wordt ontwikkeld door een project genaamd PARSIFAL.

Vader van aerodynamica

Voor hun ontwerp het team liet zich inspireren door de beroemde Duitse luchtvaartingenieur Ludwig Prandtl, vaak beschouwd als de vader van de aerodynamica. in 1924, Prandtl had een idee voor een vliegtuig met een ongebruikelijke vleugel die de luchtweerstandscoëfficiënt verminderde en de aerodynamische efficiëntie verbeterde, maar het idee werd destijds grotendeels genegeerd.

Eind jaren negentig, Professor Aldo Frediani van de Universiteit van Pisa, Italië, en coördinator van het PARSIFAL-project, gebruikte wiskunde om te bewijzen dat de vleugeltheorie van Prandtl plausibel was. Prof. Frediani en zijn team begonnen te werken aan het ontwerp van een nieuw vliegtuig met gesloten vleugels, gebaseerd op het oorspronkelijke concept van Prandtl.

"De theoretische resultaten kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe configuratie te definiëren, onze configuratie, " hij zei.

In plaats van twee afzonderlijke vleugels die zich aan weerszijden van de romp uitstrekken, ons vertrouwde concept van een vliegtuig, het Prandtl-geïnspireerde vliegtuig heeft één vleugel die in een lus en terug op zichzelf sluit in een gesloten vleugelontwerp zonder vleugeltips. Dit vermindert de hoeveelheid weerstand die op het vliegtuig inwerkt, wat betekent dat er minder brandstof wordt verbrand. Dit is vooral belangrijk bij het opstijgen en landen, omdat dit de fasen van vliegtuigvluchten zijn die gewoonlijk de meeste brandstof verbruiken en de meeste emissies verdrijven.

"Deze vliegtuigen zullen veel handiger zijn vanuit het oogpunt van brandstofverbruik, geluidsoverlast en emissies, " zei prof. Frediani.

Het team heeft een klein model van hun vliegtuig ontwikkeld, maar het idee is om zich te concentreren op middelgrote vliegtuigen, met als doel het aantal vervoerde passagiers per vlucht te verhogen van circa 180 naar 310. De onderzoekers schatten dat het vliegtuig over 10-15 jaar in de lucht kan zijn, afhankelijk van veiligheidscontroles en de interesse van vliegtuigfabrikanten. Hun volgende stappen zijn het verfijnen van de aerodynamica, motorpositie en bedieningselementen, terwijl de economische afdeling van de Universiteit van Pisa samenwerkt met PARSIFAL om de verwachte economische prestaties van het vliegtuig te bepalen.

"Deze oplossing zou het luchtvervoer van de toekomst volledig kunnen veranderen, " zei prof. Frediani.

In de tussentijd, andere ingenieurs halen inspiratie uit de natuur om 3D-geprinte vliegtuigonderdelen te ontwikkelen die het gewicht tot 30% kunnen verminderen. Hoe minder een vliegtuig weegt, hoe minder brandstof nodig is, resulterend in een aanzienlijke reductie van CO ₂ uitstoot.

Honingraatstructuur

Melanie Gralow is een biomimetische ontwerpingenieur voor het Bionic Aircraft-project, dat is lessen trekken uit de natuur om onderdelen voor het maken van vliegtuigen te verbeteren.

"Dunne oppervlakken of staven hebben de neiging heel gemakkelijk te vervormen tijdens het fabricageproces, ' legde ze uit. 'Je kunt ze verstevigen door een bepaalde oppervlaktestructuur aan te brengen. De honingraatstructuur is een van die bio-geïnspireerde structuren die kunnen worden gebruikt om de muur te verstevigen zonder al te veel gewicht toe te voegen."

Het project is ook geïnspireerd op grasstengels, die op dezelfde manier onderhevig zijn aan buigbelastingen door de wind als stutten in vliegtuigonderdelen. Buigbelastingen zijn krachten die zijdelings op een constructie inwerken en daardoor kunnen buigen.

"De steel is hol van binnen en heeft een dubbelwandig systeem, "zei Gralow. "Het moet windkrachten in de natuur kunnen weerstaan, maar stutten in de technische wereld moeten ook bestand zijn tegen buigen. Door toepassing van het dubbelwandige systeem op de stutten, we kunnen ze lichter maken, maar tegelijkertijd net zo stijf als ze moeten zijn."

Om deze ingewikkeld te maken, zeer gedetailleerd, lichtgewicht onderdelen, het team gebruikt 3D-printers met laserstraaltechnologie. Hoewel ideaal voor klein precisiewerk, de onderzoekers zeggen dat het printen van een heel vliegtuig op deze manier nog ver weg is.

"Voor nu, het doel is echt om te focussen op kleinere onderdelen omdat de bouwruimten van de huidige printers beperkt zijn. De grootste commerciële drukkers zijn ongeveer 40-50 centimeter breed, zodat de maximale grootte voor de huidige 3D-geprinte metalen onderdelen wordt ingesteld, ' zei Gralow.