Het zal niemand die het nieuws een beetje volgt ontgaan zijn: de luchtvaartsector zit in zwaar weer. Fusies en samenwerkingsverbanden worden aan de lopende band aangekondigd, luchtvaartmaatschappijen gaan in recordtempo failliet, ontslagen beginnen al te vallen en hier en daar worden al lijndiensten geschrapt. Martinair overweegt zelfs langzamer te gaan vliegen om brandstof uit te sparen.

De oorzaak van al deze ellende? De hoge olieprijs en afnemend consumentenvertrouwen – wat natuurlijk ook mede door de hoge olieprijs komt.

Gelukkig is er ook een oplossing: Duurzaam vliegen. Hier volgt een (absoluut onvolledig) overzicht van ontwikkelingen op luchtvaartgebied die pogen met andere vormen van energie toch een vorm van luchtvaart in stand te houden.

Dit verslag is oorspronkelijk gepost op 22 juli 2008 op mijn eigen website www.solarwebsite.nl.

Een paar weken geleden sprak ik een kennis die ik al tijden niet gesproken had, en hij vertelde me dat hij bezig was om zijn vliegbrevet te halen. Ik ben altijd al erg geïnteresseerd geweest in de luchtvaart dus we hebben er leuk over gebabbeld. Toen ik hem echter vroeg of hij zich geen zorgen maakte over de toekomst van de luchtvaartsector wuifde hij dat weg met argumenten als ‘vliegtuigen worden steeds zuiniger’ en ‘we gaan gewoon op algen vliegen’. Ik hoop voor hem dat zijn optimisme niet misplaatst is, maar na het lezen van een aantal boeken over Peak Oil en het volgen van het nieuws van de laatste tijd begin ik te geloven dat de luchtvaartsector het eerste grote slachtoffer gaat worden.

Ik hoop dat er vooral op de relatief korte afstand (bv. Amsterdam – Parijs en Amsterdam – Berlijn) een verschuiving komt naar reizen per trein, een vervoermiddel die rijdt op elektriciteit die duurzaam opgewekt kan worden. Daardoor kan de afhankelijkheid van aardolie verminderd worden. Ik heb gemerkt dat internationaal reizen per trein veel complexer is dan reizen per vliegtuig. Voor vliegreizen zijn er talloze websites waar je op eenvoudige wijze een vlucht van A naar B kunt boeken. Voor treinreizen zijn die er helaas niet. Zelfs de website van de NS waarop je een rit met de Thalys kunt boeken is nodeloos complex en gebruikersonvriendelijk. Eén van de zaken die de aanbieders van internationale treinreizen flink zouden kunnen verbeteren is om het boeken van een treinreis net zo simpel te maken als het boeken van een vliegreis.

Toch is het niet allemaal kommer en kwel. Moeilijke omstandigheden maken mensen vindingrijk en de stijgende olieprijs is daar geen uitzondering op. Als de prijzen van brandstof te hoog worden gaan mensen alternatieven zoeken. Hier volgt een (absoluut onvolledig) overzicht van ontwikkelingen op luchtvaartgebied die pogen met andere vormen van energie toch een vorm van luchtvaart in stand te houden.

De EMB-202A Ipanema

Dit is de EMB-202A Ipanema, een in Brazilië ontwikkeld vliegtuig om landbouwgewassen te besproeien. Het bijzondere is dat dit vliegtuig vliegt op ethanol wat in Brazilië op grote schaal uit suikerriet wordt gemaakt. In dat land rijden auto’s ook voor een belangrijk deel op ethanol. Daardoor maakt Brazilië zich minder afhankelijk van buitenlandse aardolie. Het probleem met biobrandstoffen is helaas wel dat het landbouwgrond inneemt waar anders voedsel verbouwd had kunnen worden, en mede dankzij de toenemende teelt van biobrandstof-gewassen stijgen de voedselprijzen snel. Ook worden voor de teelt van (biobrandstof-) gewassen veel fossiele brandstoffen gebruikt, wat de totale besparing vermindert. Een andere vorm van biobrandstoffen waar de eerste experimenten mee gedaan worden zijn algen. Er zijn bepaalde typen algen die zonlicht om kunnen zetten in plantaardige olieën. Deze olieën kunnen worden geraffineerd tot allerlei soorten brandstof voor voertuigen en vliegtuigen. Doordat het onderzoek naar deze algen zich nog in een vroeg stadium bevindt is moeilijk te zeggen hoe het zich in de toekomst kan ontwikkelen.

Naast biobrandstoffen zijn er natuurlijk nog meer mogelijkheden om een vliegtuig aan te drijven. Waterstof is enorm populair als ‘oplossing’ voor de energieproblemen, en wordt vooral gezien als een autobrandstof. Liefhebbers vergeten dan vaak voor het gemak even te vermelden waar al die waterstof vandaan moet komen, want het komt helaas niet zomaar uit de grond. Kernenergie wordt vaak genoemd als manier om ‘makkelijk’ grote hoeveelheden waterstof te maken uit water, maar dat heeft natuurlijk zo zijn eigen problemen. Verder heeft waterstof een heel slechte efficiëntie: als 100 eenheden elektrische energie beschikbaar is gaan bij de conversie naar waterstof zomaar 30 eenheden energie verloren. Bij de conversie van waterstof terug naar energie gaan nog eens 20-30 eenheden energie verloren waardoor van de oorspronkelijke hoeveelheid energie maar een zeer klein deel daadwerkelijk nuttig gebruikt kan worden. Deze verhouding wordt nog veel slechter als het waterstof vloeibaar wordt gemaakt (dit kost zeer veel energie).

De slechte efficiëntie van waterstof

Er wordt ook onderzoek gedaan naar de inzet van waterstof als brandstof voor vliegtuigen. Dat kan op twee manieren: door het simpelweg te verbranden in normale motoren, of door het d.m.v. een brandstofcel om te zetten in elektriciteit en daarmee een elektromotor + propeller aan te drijven.

De eerste manier is het meest conventioneel, eigenlijk is het alleen maar nodig om het vliegtuig uit te rusten met tanks voor waterstof, voor de rest hoeft er relatief weinig aangepast te worden. Het concept op de foto rechts gaat uit van vloeibaar waterstof. Deze brandstof heeft als bijzondere eigenschap dat het per energie-eenheid erg licht is maar wel volumineus. Dat betekent dat vliegtuigen een enorm grote tank moeten hebben om voldoende waterstof mee te kunnen nemen voor een nuttige actieradius.

Verkeersvliegtuig op waterstof

Deze tank moet ook nog goed geïsoleerd zijn omdat anders te veel van het vloeibare waterstof onderweg verdampt. Deze tank zal zorgen voor een grotere luchtweerstand waardoor het vliegtuig minder efficiënt zal zijn dan een vergelijkbaar vliegtuig op kerosine. Aan de andere kant is waterstof een stuk lichter dan kerosine, dus een vliegtuig op waterstof kan een stuk lichter zijn. Dat vermindert het brandstofverbruik weer. De tijd zal leren of het ooit zover komt dat dit soort vliegtuigen daadwerkelijk gaan vliegen én of er nog voldoende energie beschikbaar zal zijn om luchtvaart op enige schaal mogelijk te maken.

Een andere manier om waterstof in de luchtvaart in te zetten is door het in een brandstofcel om te zetten in elektriciteit, en daarmee d.m.v. een elektromotor een propeller aan te laten drijven. Hiermee wordt al daadwerkelijk geëxperimenteerd, o.a. door Boeing. Hun testvliegtuig is op de foto hieronder te zien.

Sportvliegtuigje op waterstof

Op dit moment kan het ongeveer een half uur vliegen maar omdat dit een eerste generatie is verwachten de bouwers dat de vliegduur op termijn veel langer gemaakt kan worden. Deze technologie zou geschikt kunnen zijn voor de kleine luchtvaart, maar ik vermoed dat dit slechts moeilijk opgeschaald kan worden naar grote passagiersvliegtuigen. En natuurlijk spelen alle al eerder genoemde nadelen van waterstof ook bij dit type vliegtuig mee.

Nog een andere mogelijkheid om een vliegtuig aan te drijven is om een elektromotor te voeden vanuit accu’s. Het voordeel ten opzichte van waterstof is dat de meeste typen accu’s een veel hogere efficiëntie hebben, er gaat dus bij het laden en ontladen veel minder energie verloren dan bij waterstof. Een groot nadeel is dat accu’s per gewicht en volume op dit moment nog minder elektrische energie op kunnen slaan dan waterstof waardoor vluchtduur en actieradius beperkt zijn. Maar de ontwikkelingen op accugebied gaan hard, aangedreven door o.a. de vraag naar hybride en elektrische auto’s. Er wordt al geëxperimenteerd met elektrische vliegtuigen, zoals hier op de foto de elektrische Sonex van de gelijknamige firma.

Sonex elektrisch vliegtuig

Dit vliegtug maakt gebruik van lithium-polymeer accu’s omdat die op het moment van bouwen de meeste energie per kg konden opslaan. Het vliegtuig kan zo’n 45 minuten vliegen. Zweefvliegtuigen met een elektrische hulpmotor worden al een tijd commercieel verkocht. Bij deze vliegtuigen zit een elektromotor gemonteerd op een mast die naar wens ingetrokken en uitgeklapt kan worden. Met de elektromotor kan het vliegtuig op een bepaalde hoogte gebracht worden, waarna de de mast met motor wordt ingeklapt om de luchtweerstand te verminderen. Daarna kan er mee gevlogen worden zoals met elk zweefvliegtuig. Meestal is een acculading voldoende voor twee à drie stijgvluchten waarna het vliegtuig weer opgeladen moet worden.

Een vliegtuig op accu’s moet natuurlijk af en toe opgeladen worden. Waarom zou je dat alleen op de grond doen? Met zonnecellen pluk je gratis energie zo uit de lucht (ik doe het elke dag!). Het is daarom niet meer dan logisch dat er wordt nagedacht over elektrische vliegtuigen die worden aangedreven door zonnestroom. Ik heb jarenlang met modelbouwvliegtuigen gevlogen, en ik kan me mijn verwondering nog herinneren toen op een vliegdag bij een bevriende club iemand vloog met een Solar Uhu, een modelzweefvliegtuig met zonnecellen in de vleugels die de accu’s tijdens het vliegen opladen. In die tijd was elektrisch vliegen al ongewoon, laat staan op zonnecellen.

De Solar Uhu

Hetzelfde concept werd later opgeschaald naar NASA’s onderzoeksvliegtuig Helios. Dit was een onbemand vliegtuig, bedoeld om het concept van vliegen op zonnestroom op grote hoogtes uit te testen. Op dit moment zijn er meerdere plannen om bemande vliegtuigen op zonnestroom te bouwen. Zo wordt er gewerkt aan de Hy-Bird, een amfibisch vliegtuig wat in meerdere etappes rond de wereld moet gaan vliegen. Ook lijkt de Solar Impulse voortgang te maken, een vliegtuig wat in één keer zonder tussenlanding rond de wereld moet gaan vliegen.

De Solar Impulse

Dit is een enorme uitdaging omdat er dus voldoende accucapaciteit moet zijn om meerdere nachten door te vliegen. Hier is een korte geschiedenis van het vliegen op zonne-energie.

Naast vliegtuigen met vleugels zijn er natuurlijk ook nog ‘lichter-dan-lucht-vliegtuigen’; beter bekend als luchtschepen of zeppelins. Vliegtuigen blijven in de lucht doordat vleugels draagkracht genereren bij voldoende snelheid. Luchtschepen krijgen hun draagkracht van een gas wat lichter dan lucht is. Vroeger werd hiervoor waterstof gebruikt, maar na een paar ongelukken raakte dat snel uit de gratie en sindsdien gebruiken alle luchtschepen helium als draaggas. Helium is onbrandbaar, het heeft alleen als nadeel dat het per volume minder draagkracht levert dan waterstof. Een luchtschip van gelijk formaat kan dus minder gewicht dragen, of er is een groter luchtschip nodig om een gegeven gewicht van de grond te tillen. Op dit moment zijn er niet veel luchtschepen in gebruik.

Zeppelin NT

Ze hebben een paar nadelen: ze vliegen veel langzamer dan straalverkeersvliegtuigen, ze zijn vooral bij harde wind moeilijk handelbaar (zowel op de grond als in de lucht) en het helium waarmee de luchtschepen gevuld zijn is erg duur. Het grote voordeel is dat ze weinig brandstof verbruiken. Op dit moment zijn alleen maar luchtschepen operationeel die voorzien zijn van verbrandingsmotoren op fossiele brandstoffen, maar er zijn plannen om luchtschepen te voorzien van zonnecellen op de bovenkant die een elektromotor voeden. Deze luchtschepen kunnen potentieel grote afstanden afleggen zonder een druppel fossiele brandstof te verbruiken. De tijd zal leren hoe dit zich gaat ontwikkelen.

Een luchtschip met zonnecellen.

Overigens is er over het helium waarmee de luchtschepen worden gevuld nog wel iets interessants te vertellen. Hoewel helium in het heelal een heel veel voorkomend element is komt het op aarde nauwelijks voor. De grootste voorraden helium zitten in Noord-Amerika onder de grond, vermengd met aardgas. Omdat de productie van aardgas – net als van aardolie – niet veel meer zal stijgen, en naar verwachting over niet al te lange tijd zal gaan dalen, ligt het in de lijn der verwachtingen dat ook de heliumproductie over zijn piek heen zal gaan. Omdat helium gemakkelijk door allerlei materialen weglekt zal de beschikbare hoeveelheid helium elk jaar kleiner worden. Dat zal niet alleen gevolgen hebben voor luchtschepen (als ze al op grote schaal ingezet zouden worden), maar ook voor andere belangrijke toepassingen zoals MRI en supergeleiding. Wie weet zorgt helium-schaarste ooit wel weer voor een terugkeer naar waterstof als draaggas.

In principe kan elke vorm van energie worden gebruikt om een vliegtuig aan te drijven, dus ook spierkracht. De eerst pogingen van mensen om te vliegen laten dan ook enthousiastelingen zien met nagemaakte vleugels aan hun armen. Zoals bekend is daar niets van gekomen. Vliegen op menselijke spierkracht kon pas nadat men doorhad dat de menselijke armen lang niet sterk genoeg zijn om te vliegen en er sterke en lichte vezelmaterialen beschikbaar kwamen. Een voorbeeld van een door spierkracht aangedreven vliegtuig is de Gossamer Albatross, hiernonder afgebeeld, waarmee in 1979 het Engelse Kanaal overgestoken werd.

Gossamer Albatross

De piloot moest bij windstil weer al fietsend een vermogen van 300W opbrengen om in de lucht te blijven, zodra er ook maar een zuchtje wind stond liep het benodigde vermogen snel op. De piloot moet dus een goede conditie hebben 🙂 Ik voorzie geen grote passagiersvliegtuigen met fietsende passagiers als een soort ‘galeislaven’, maar de ontwikkelingen in materialen en aerodynamica kunnen van pas komen op andere gebieden van vliegen met hoge efficiëntie.

Helikopters zijn een verhaal apart. Eigenlijk hebben ze alleen maar nadelen (duur, complex, onderhoudsgevoelig, lawaaiïg, moeilijk te vliegen, inefficiënt) en maar één voordeel: de mogelijkheid verticaal te landen en starten. Dat maakt ze bij uitstek geschikt voor reddingsoperaties, bevoorrading van moeilijk toegankelijke plaatsen e.d. Vooral het hoge brandstofverbruik zal het moeilijk maken om alternatieven te vinden voor de fossiele helikopter.

Helikopter

Tekenend is dat een door menskracht aangedreven vliegtuig al bijna 30 jaar geleden mogelijk was, maar dat een door menskracht aangedreven helikopter bijna 30 jaar later nog steeds niet wil lukken. Helikopters zullen nog heel lang blijven, ze zullen alleen door hun hoge brandstofverbruik bij een stijgende olieprijs steeds duurder worden. Ik verwacht dat ze daardoor langzamerhand alleen nog maar ingezet zullen worden als er echt geen andere mogelijkheid is.
Een wijs man zei eens “het doen van voorspellingen is erg moeilijk, vooral als ze over de toekomst gaan”, en daarin had hij natuurlijk gelijk. Niemand kan voorspellen hoe het de luchtvaart zal vergaan. Ik ben altijd al gefascineerd geweest door alles wat vliegt en ik hoop dat we een manier kunnen vinden om in ieder geval op kleinere schaal te blijven vliegen. Ik denk dat ik één voorspelling wel aandurf: er zullen vele ontwikkelingen komen, en de luchtvaart van de toekomst zal in niets lijken op wat we tot dusver gezien hebben.