Het einde van de verbrandingsmotor?

Hij ziet er kek uit, de Wright One, het eerder dit jaar (op papier) gepresenteerde elektrische vliegtuig dat met 150 stoelen de concurrentie met de Boeing 737 moet aangaan. Over tien jaar moet het zover zijn. Maar hoe realistisch is het te verwachten dat op die termijn de vliegtuigturbine werkelijk een milieuvriendelijker alternatief krijgt?

Eigenlijk wil Alexis Bohlin, onderzoeker bij de onderzoeksgroep Flight Performance and Propulsion van Lucht- & Ruimtevaart er niet teveel woorden aan vuil maken. De energie-inhoud per kilogram van kerosine is nog altijd zestig keer hoger dan de beste batterij. Dat weegt niet op tegen de hogere efficiëntie van de elektrische motor. Een elektrisch vliegtuig wordt simpelweg te zwaar.

‘Dit is volledig nieuw terrein’

“Dat betekent niet dat we geen werk maken van milieuvriendelijker vliegen”, benadrukt Bohlin. “We verwachten immers dat het vliegverkeer zal blijven groeien en de luchtvaartsector zal haar verantwoordelijkheid moeten nemen.”

Femtoseconde

Bohlin ontving onlangs een Vidi-beurs voor onderzoek dat uiteindelijk moet leiden tot efficiënte verbrandingsmotoren voor betrouwbare biobrandstoffen. Zijn expertise, de optische spectroscopie, komt in beide vakgebieden van pas.

“Om het verbrandingsproces efficiënter te maken, moet je het in detail begrijpen”, legt hij uit. “Dat proces speelt zich in zeer korte tijd af bij zeer hoge temperaturen. Wil je dat kunnen volgen zonder in het proces in te grijpen, dan heb je robuuste, razendsnelle lasers nodig. We hebben onlangs een laser gekocht met een pulsfrequentie van een femtoseconde. Daaromheen zijn we nu meetapparatuur aan het bouwen. We zullen ook de analysemethoden zelf moeten maken, want dit is volledig nieuw terrein.”

Evenwichtiger

De meetapparatuur moet uiteindelijk precies in kaart brengen hoe de distributie van temperatuur is in de verbrandingskamer. Hoe evenwichtiger die is, hoe beter. Hoge temperatuurpieken zijn namelijk verantwoordelijk voor de productie van stikstofoxiden. Collega’s van Bohlin werken aan nieuwe concepten, zogeheten ‘distributed auto-ignition’, voor een motor waarbij brandstof en zuurstof op de juiste temperatuur in de verbrandingskamer worden gebracht, zodat ze spontaan tot ontbranding komen. Dat leidt tot minder hoge pieken.

Kerosine moet plaatsmaken voor biodiesel om luchtvaart daadwerkelijk duurzaam te maken

Bij de ontwikkeling van zo’n motor is het uiteraard handig als de brandstof zelf van een constante kwaliteit is. Anders weer je niet of je variaties in de kerosine of het motorontwerp meet. Maar om luchtvaart werkelijk duurzaam te maken zal de kerosine plaats moeten maken voor biodiesel. Die moet dan wel van constante kwaliteit zijn.

Bioreactor

“Bij de productie van biobrandstoffen kun je ook van spectroscopie gebruikmaken”, vertelt Bohlin. “Wanneer je in detail kunt bekijken welke moleculen onder welke omstandigheden door welke bacteriën gemaakt worden, stelt dat je in staat een constantere kwaliteit te produceren. Vanuit analytisch oogpunt is dit wel veel ingewikkelder. Het gas in een verbrandingskamer bestaat uit een beperkt aantal verschillende moleculen. Dat leidt tot heldere pieken in het spectrum. In de vochtige omgeving van een bioreactor is het beeld diffuser.”

Voor deze tak van zijn onderzoek, dat al een patent opleverde, werkt Bohlin intensief samen met biotechnologen op de universiteit. Het onderzoek naar betere biobrandstoffen en vliegtuigmotoren heeft nog iets gemeen: het is voor een aanzienlijk deel ‘discovery based science’. De omstandigheden in de brandstofkamer en reactor zijn zo complex dat je niet van tevoren kunt doorrekenen wat er gaat gebeuren. Het is een kwestie van systematisch de mogelijkheden langslopen, de resultaten bestuderen en de op de meest belovende lijnen voortborduren. Dat maakt gedetailleerde analysemethoden zo essentieel.

Fundamentele wetenschap

Op dit moment is het vooral nog fundamentele wetenschap. Beheersen van de femtolaser, inzicht krijgen in de interactie tussen laser en materie, verfijnen van de data-analyse, grip krijgen op de moleculen. Maar het vizier blijft wel gericht op het uiteindelijke doel: controle over de productie van biobrandstoffen die ideaal zijn voor gebruik in een nieuwe generatie verbrandingsmotoren. Bohlin kan met het Vidi-geld zijn onderzoek uitbouwen. Hij heeft er alle vertrouwen in.

Dus elektrische vliegtuigen zitten er niet in? Nou ja, misschien over vijftig of honderd jaar, zegt Bohlin. Wright lijkt daar rekening mee te houden, want de ambitieuze bouwer (grotendeels bestaand uit voormalig Nasa-personeel) heeft ook een hybride vliegtuig in gedachten voor het geval de ontwikkeling van batterijtechnologie een beetje tegenvalt. Mocht het meezitten, dan mikt Wright vooralsnog alleen op korte vluchten. Zelfs de elektro-optimisten gaan ervan uit dat lange-afstandsvluchten het domein van de verbrandingsmotor blijven.

Christian Jongeneel is freelance wetenschaps- en techniekjournalist.