Extreem vliegerontwerp – hoe werkt dat?

KitePower is een van de projecten van astronaut en professor Wubbo Ockels (1946-2014). Na drie succesvolle pilots en negen verbeterde versies van de vlieger verklaarde, de Delftse start-up zich afgelopen zomer klaar voor de volgende fase: het op de markt brengen van hun eerste mobiele vliegerenergie-unit van 100 kilowatt (kW). De crowdfunding die met dat doel in augustus van start ging heeft inmiddels meer dan een miljoen euro opgebracht – anderhalf keer meer dan gevraagd.

^{KitePower in actie boven Aruba. (Foto: KitePower)}

KitePower ontwikkelt zogenaamde airborne wind technologie. De start-up maakt geen gebruik van conventionele windturbines, maar ontwerpt vliegers om energie mee op te wekken. Terwijl de vlieger door de lucht achtjes draait, viert de lijn waar hij aan vast zit steeds verder uit. De kracht op de lijn (3,5 ton) kan drie personenwagens optillen. De trommel is gekoppeld aan een generator die gemiddeld 100 kilowatt (kW) aan stroom opwekt. Als de lijn aan zijn eind komt klapt de vlieger om en wordt die in een kwart van de vliegtijd weer naar binnen gelierd voor de volgende ronde. Dat kost tijd en stroom, maar gemiddeld levert de KitePower Falcon toch 100 kW aan elektriciteit – voldoende voor het energieverbruik van zo’n 150 huishoudens.

In de loods van KitePower in de oude kabelfabriek aan de Schieweg is goed te zien hoe immens de vlieger is. Vliegerontwerper Bryan van Ostheim (35) heeft het over 60 vierkante meter – de wand van een sporthal. Opgevouwen is de vlieger niet veel groter dan een bungalowtent en weegt 60 kilogram.

Vandaag is het rustig weer, dan zijn hier mensen in de hal aan het werk, of boven in de kantoorruimtes. Vanaf windkracht vijf loopt het kantoor leeg. Dan tref je het personeel aan op het Scheveningse strand waar ze als kitesurfers over de golven flitsen.

^{Bryan van Ostheim kwam via het kitesurfen in het vliegerontwerp. (Foto: prive-collectie)}

Sprongen door het weiland

Het moest zo zijn. Opa van Ostheim bouwde enorme vliegers met papier en bamboe. Zijn vader deed afstel- en veranderwerk voor een vliegerwinkel in Hoogeveen, en Van Ostheim ontdekte daar het kitesurfen in een weiland. “We lieten ons meeslepen door de kracht van de wind en maakten af en toe hoge sprongen.” Geen wonder dat Van Ostheim uiteindelijk zijn roeping vond als kitedesigner – een beroepsgroep met naar schatting nog geen twintig professionele beoefenaars wereldwijd.

^{Roland Schmehl leidt het onderzoek naar energievliegers aan de faculteit L&R. (Foto: Daniel Verkijk)}

Dr. Roland Schmehl, onderzoeker bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, was in 2016 één van oprichters van KitePower, samen met de huidige ceo Johannes Peschel. Hij was naar de TU Delft gekomen om de mogelijkheden te onderzoeken van energieopwekking met vliegers: airborne wind energy. Na de oprichting van het bedrijf koos Schmehl ervoor om aan de TU betrokken te blijven bij het onderwijs en het onderzoek. “KitePower is ons buitenlaboratorium”, legt hij uit. “Ze draaien alle experimenten voor ons. Dat is onze interactie. Ze draaien testen, ze vliegen en verzamelen data die wij in ons onderzoek gebruiken. In ruil daarvoor krijgen ze van ons informatie over hoe ze hun kites nog kunnen verbeteren. Dat is een heel mooie cyclus.” 

Van Ostheims claim to fame is een lichtweer-vlieger voor het kitesurfen. Het achterste deel was uit gewichtsbesparing van enkel doek, dus geen opgeblazen vleugelprofiel. Maar de voorrand (de neus) was wel opgeblazen waardoor de vlieger weer makkelijk van het water kwam. “Daar heb ik een klein prototype van gemaakt van zes vierkante meter. En dat werkte meteen. Het platform KiteMobile heeft er een filmpje van gemaakt en dat zorgde voor publiciteit.”

Zo kwam KitePower Bryan van Ostheim op het spoor. Ze nodigden hem uit om bij hen te komen werken. Later kwam daar ook Pepijn Smit bij die het ambacht in Nieuw-Zeeland had geleerd van Peter Lynn – een legende in de kite community.

“Ik was eerst wel onzeker”, herinnert Van Ostheim zich. “Ik dacht: dan kom ik tussen al die TU-mensen. Maar de samenwerking ging heel goed. Je moet zorgen dat je elkaar aanvult en goed naar elkaar luistert. Een systeem als dit is echt teamwerk. Iedereen doet waar hij of zij het best in is.”

^{Bryan van Ostheim voor en op een 60 m2 vlieger. (Foto: Jos Wassink)}

Uitdagend probleem

“Met een intuïtieve en kwalitatieve aanpak kun je een goed kite-ontwerp maken dat tot zo’n 80 procent van het ideaal komt”, stelt Schmehl. “Maar voor de overige 20 procent moet je echt kwantitatieve methoden gebruiken. Daarmee kunnen we de kracht significant vergroten. Een ander voorbeeld is het ‘de-power’-gedrag van zo’n kite. Als je de stuurlijnen loslaat, draait de vleugel mee met de wind waardoor de kracht op de vlieger minimaal wordt. Wat er dan precies gebeurt bij zo’n vleugel, is nog een beetje een raadsel. Want zo’n kite is een driedimensionaal object met een C-vormige kromming en een driedimensionaal lijnensysteem. Om dat te optimaliseren heb je een goed computermodel nodig.”

^{Computermodel van de powerkite. (Afbeelding: Joost Schwoll)}

“Er zitten volop camera’s in de vlieger, we kunnen zelfs live meekijken tijdens het vliegen”, vertelt Van Ostheim. “Dat is heel waardevol. Zo’n vlieger zit vol markeringen en bevestigingspunten, dus kun je een vervorming herleiden tot een precieze positie. Dat probeer je terug te brengen naar de simulatie om dat deel weer zoveel mogelijk kloppend te maken. Maar omdat er veel vervorming optreedt, is simulatie van vliegers erg moeilijk. Je vorm kan op de computer aerodynamisch perfect zijn maar als dat er in de lucht niet goed uitkomt, moet je toch dingen veranderen.”

“Rekenen met vervormingen is de basis van vliegersimulaties,” reageert Schmehl. “Ik noem dat een fluid structure interaction-probleem. De vorm van de vleugel beïnvloedt de aerodynamica om de vleugel heen. Dat geeft een drukverdeling op de vleugel. En die beïnvloedt weer de vorm. Dat is een cyclus van vorm beïnvloedt kracht beïnvloedt vorm. Je moet die twee dus gekoppeld oplossen en dat is een van de uitdagendste problemen.”

Het onderzoek gaat dus onverminderd voort, net als de optimalisaties en de opschaling. De eerste mobiele vliegerenergie-unit van 100 kW kan op de markt worden gebracht dankzij de geslaagde crowdfundingsactie. In de komende jaren werkt KitePower aan de opschaling naar kites van 200, 300 en 500 kW.

• Meer informatie: thekitepower.com