Stories of Aerospace Engineering

Lees verhalen van onderzoekers en studenten aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en ontdek de wetenschappelijke vragen waaraan zij werken en de oplossingen waarmee ze komen.

Arvind Gangoli Rao

Vliegen met 65% minder CO2-uitstoot dan de huidige generatie Boeings? En zelfs 80% minder NOx-uitstoot? Het kán, bewijzen Arvind Gangoli Rao, universitair hoofddocent Propulsion & Power, en zijn team.

Mirjam Snellen

Als je precies de vinger kunt leggen op het geluid zoals geproduceerd door een vliegtuig, kun je daar slim gebruik van maken bij het ontwerpen van toekomstige, duurzame vliegtuigen. En dat is precies de missie van Mirjam Snellen, universitair hoofddocent Akoestiek bij de sectie Aircraft Noise and Climate Effects (ANCE) en haar collega’s, die graag puzzelen met (aero-)akoestiek.

Leo Veldhuis

De luchtvaart is in toenemende mate een klimaatvervuiler. Om de sector te verduurzamen is er grote behoefte aan meer (energie)zuinige vliegtuigontwerpen. Zie hier het speelveld van Leo Veldhuis, hoogleraar Vliegtuigprestaties & Voortstuwing (FPP).

Vliegtuigonderhoud met datasnelheid

Terwijl het vliegtuig waarin u zit onderweg is naar zijn bestemming, zijn alle systemen en onderdelen in dat toestel ook langzaam onderweg: van een gezonde naar een defecte toestand. Vier tenure trackers van TU Delft verwachten dat de terabytes aan data die een modern vliegtuig dagelijks genereert, kunnen worden gebruikt om de gezondheidstoestand te bepalen van elk onderdeel van het toestel, van de wielen en de remmen tot de airco en de structurele integriteit van het vliegtuig zelf. Het projectvoorstel ReMAP, resultaat van een door hen opgezet sectoroverschrijdend samenwerkingsverband, werd beloond met een Horizon2020-subsidie van 6,8 miljoen euro. Dit project maakt wellicht de weg vrij naar een radicaal nieuwe kijk op vliegtuigonderhoud, die alleen al voor Europa een jaarlijkse kostenbesparing tot wel 700 miljoen euro zou kunnen opleveren. Adaptieve onderhoudsschema’s Wanneer een brandend lampje aangeeft dat er iets mis is met een van de boordsystemen, is het niet altijd duidelijk in welk deel van een (sub-)systeem het probleem zich bevindt. “Op basis van historische en actuele vluchtdata kunnen we de feitelijke oorzaak traceren, wat zowel tijd als geld scheelt,” aldus projectleider dr. Bruno Santos. “Belangrijker nog is echter dat nu het meeste onderhoudswerk in de luchtvaartwereld preventief is, wat inhoudt dat veel systemen en componenten worden geïnspecteerd terwijl ze nog prima functioneren. We willen ziektediagnoses en -prognoses ontwikkelen voor de overstap naar realtime interventies op basis van de feitelijke toestand van componenten.” Die overstap naar conditie-afhankelijk onderhoud (CBM) vormt de inspiratiebron voor de onderzoekers. Ze stellen dat de duizenden sensoren in een modern vliegtuig, de toegankelijkheid en snelle overdracht van de enorme hoeveelheid data die uit deze sensoren worden verkregen en de almaar groeiende mogelijkheden van data-analyse-instrumenten de perfecte voorwaarden voor implementatie scheppen. Bruno Santos: “We verwachten dat de gegenereerde data een betrouwbare schatting kunnen opleveren van de resterende levensduur van alle onderdelen in een vliegtuig. Dat beperkt de noodzaak van handmatige inspecties en maakt tussentijds adaptief onderhoud mogelijk.” Als onderdeel van hun onderzoeksplan willen ze de hoeveelheid gegenereerde data nog verder vergroten door het toevoegen van sensoren voor bewaking van de structurele integriteit van vliegtuigen. Momenteel wordt er gewerkt met een onderhoudsschema voor vliegtuigen dat gebaseerd is op vaste tussenpozen, waarvan de lengte afhangt van de limiet die het eerst bereikt wordt: het aantal vlieguren, vluchtcycli of kalenderdagen. Het onderhoudswerk varieert van korte dagelijkse controles tot een complete revisie van het vliegtuig, die een aantal weken in beslag neemt. Afwijken van de strikte, in regelgeving vastgelegde onderhoudsschema’s is alleen toegestaan voor onderdelen die niet essentieel zijn voor het functioneren van het toestel. Maar zelfs dan nog kost het veel moeite om regelgevende instanties ervan te overtuigen dat hetzelfde hoge veiligheidsniveau ook met een alternatief onderhoudsschema gewaarborgd blijft. De visie van de onderzoekers wordt echter gedeeld door ACARE (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe), waar men verwacht dat CBM in 2050 de norm voor alle nieuwe vliegtuigen zal zijn. “Het concept van conditieafhankelijk onderhoud is niet nieuw,” stelt Bruno Santos, “maar het wordt nauwelijks toegepast in de luchtvaartindustrie, en een routekaart voor de feitelijke implementatie ontbreekt. Wij willen deze routekaart bieden en daarmee bewijzen dat het huidige veiligheidsniveau gehandhaafd kan blijven of zelfs nog verbeterd kan worden.” Slimme diagnoses en prognoses Het ReMAP-voorstel gaat uit van een geschatte opbrengst van ruim 700 miljoen euro per jaar door directe verlaging van onderhoudskosten, een beperking van het aantal niet-geplande onderhoudsbeurten en grotere beschikbaarheid van de toestellen. “Je krijgt gewoon te veel informatie als je de gezondheidsbewaking van vliegtuigen uitbreidt naar een reeks systemen en structuren. Daarom ontwikkelen we besluitvormings ondersteunende systemen voor betrouwbare en consistente toepassing van CBM. Uiteindelijk zal de mens toch de definitieve beslissing blijven nemen.” De onderzoekers willen offline-algoritmes ontwikkelen voor de verbetering van de diagnose (er is een defect, en waarschijnlijk ligt de oorzaak in dit subsysteem) en de prognose (dit subsysteem of onderdeel zou binnen een bepaald tijdsbestek kunnen uitvallen). De enorme hoeveelheid data die door een complete vloot toestellen wordt gegenereerd, zou dan op basis van diagnose en prognose moeten worden verwerkt. Ter aanvulling zijn er dan compacte boordversies van de algoritmes voor snelle controles tijdens de vlucht, die zelfs niet-geplande onderhoudsbeurten tijdens een normale stop-over kunnen ondersteunen. Verbeterd inzicht in de achteruitgang van systemen en structuren kan bovendien leiden tot een aanzienlijke beperking van het gewicht van het toestel en de complexiteit van de systemen. Op lange termijn kan dit leiden tot vermindering van het aantal back-upsystemen aan boord, terwijl belaste structuren lichter kunnen worden uitgevoerd als gevolg van de nieuwe, door CBM ondersteunde ontwerpvisie. TU Delft als projectleider De vier tenure trackers hebben hun voorstel ingediend bij het Horizon2020-programma, dat onderzoeksinstellingen en het bedrijfsleven stimuleert om innovatieve technologieën op een hoger plan te brengen. Bruno Santos, Wim Verhagen en Mihaela Mitici maken deel uit van de groep Air Transport and Operations en Dimitrios Zarouchas werkt bij de groep Structural Integrity and Composites. Beide groepen zijn onderdeel van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Onze groep richt zich op alle uitvoerings- en planningsaspecten van het luchttransport, van ondersteuning tot onderhoud en bemanning,” aldus Bruno Santos. “Met als gemeenschappelijk kenmerk dat al het onderzoekswerk betrekking moet hebben op vliegtuigen. Wij zijn van mening dat we steeds meer met data moeten gaan doen en daar snel op moeten inspelen. De wereld zit niet deterministisch in elkaar, en stochastische onzekerheden moeten worden meegenomen in het besluitvormingsproces.” TU Delft zal leiding geven aan het project, zoals dat al eerder gebeurde voor diverse projecten over dit thema. De onderzoekers van TU Delft hebben in korte tijd een aantal partners bij elkaar gebracht, waaronder grote namen uit de Europese luchtvaartindustrie, zoals KLM, vliegtuigbouwer Embraer Portugal, het onderzoekscentrum van UTC (de grootste fabrikant van boordsystemen ter wereld) en IT-multinational ATOS. Diverse universiteiten en onderzoeksinstituten zijn inmiddels ook toegetreden tot het consortium, dat bovendien steun krijgt van drie mkb’s. Voor de meeste partijen was de samenwerking met het team van TU Delft nieuw, maar ze wilden graag instappen, vaak al na het eerste contact. “Deze bedrijven zouden niet hebben deelgenomen als ze er niet in hadden geloofd dat wij, als consortium, in staat zijn dit onderzoek uit te voeren en de markt te interesseren,” aldus Bruno Santos. “Daarbij komt dat hun bijdragen uiterst waardevol waren voor het beoordelen van de behoeften vanuit het bedrijfsleven en van de meerwaarde van de voorgestelde oplossing. Ook kwamen ze met waardevolle bijdragen voor die gedeelten van het voorstel die betrekking hadden op de economische effecten.” ReMAP is het eerste voorstel van Bruno Santos als projectleider, en het was al meteen een succes. Nog geen tien van de ruim honderd voorstellen die naar aanleiding van deze specifieke Horizon2020-oproep waren ingediend, werden beloond met een subsidie. Vier à vijf nieuwe promovendi van TU Delft zullen bij het project betrokken worden. Het project vormt een uitbreiding van het CBM-concept zoals dat momenteel wordt verkend door AIRMES, een doorlopend Europees project waaraan TU Delft ook deelneemt, met Verhagen en Santos als betrokken onderzoekers . “Met ReMAP bieden we een compleet pakket. Het omvat zowel systemen als structuren, en we passen machine learning toe voor de optimalisering van het onderhoud. Daarnaast voeren we een veiligheidsrisicoanalyse uit om te valideren dat de onderhoudsbetrouwbaarheid minimaal intact blijft of zelfs verbeterd wordt in vergelijking met huidige normen. We hebben onszelf weliswaar al een concreet doel in de toekomst gesteld, maar we worstelen nog met een aantal uitdagingen die een belemmering vormen voor de praktische toepassing van CBM zoals die binnen dit project moet plaatsvinden.” Labtests en praktijktests De onderzoekers richten zich op twaalf boordsystemen, waaronder het aircosysteem van de cabine, het hulpaggregaat, de wielen en de remmen. De systeemdata worden door de samenwerkende partijen geleverd. Gezamenlijk gaan ze machine learning technieken en op natuurkundige wetten gebaseerde modellen ontwikkelen en toepassen voor het bouwen van diagnostische en prognostische algoritmes vanuit de verzamelde terabytes aan data. In de loop van het project zullen deze voorspellende algoritmes in het lab worden gevalideerd. Zo kunnen ze continu worden verbeterd, totdat de uiteindelijke verificatie plaatsvindt binnen een zes maanden lopende praktijktest, iets wat nooit eerder gedaan is. Deze praktijktests richten zich op de KLM-vloot van Boeing 787-toestellen (twintig vanaf 2020) en de KLM City Hopper Embraer 175 (tien vanaf 2020). Voor het testen van de structuren zullen de onderzoekers labtests uitvoeren bij TU Delft en op de Universiteit van Patras in Griekenland. In eerste instantie zullen ze werken met eenvoudige verstevigingspanelen, waarna de complexiteit wordt opgevoerd met gebogen multiverstevigingspanelen met ribben en sluitingen. De nadruk zal liggen op de composietelementen van de structuur van het vliegtuig. De onderzoekers blijven werken aan de ontwikkeling van sensortechnologieën en de optimalisering van de plaatsing ten opzichte van de panelen. Bruno Santos: “Structurele gezondheidsbewaking is in de praktijk een onderbelicht concept. Dit project is een proeftuin voor mogelijke verdere ontwikkelingen in de toekomst.” Workshops en een whitepaper De onderzoekers willen ook andere luchtvaartmaatschappijen en belanghebbende partijen betrekken door regelmatig workshops te organiseren waarin ze hun resultaten kunnen delen en enthousiasme kunnen kweken. “De schaal is een belangrijke factor voor CBM,” meent Bruno Santos. “Hetzelfde type toestel wordt door meerdere luchtvaartmaatschappijen gebruikt. Zonder feitelijke data te hoeven delen, kan het door ons te bouwen ICT-raamwerk alle data volledig benutten om het voorspellend vermogen van onze modellen te vergroten.” Aan het eind van het project zullen ze hun bevindingen in een whitepaper publiceren. “Het is een routekaart. We verwachten te kunnen aantonen dat het veilig kan zijn om bepaalde onderhoudsrestricties soepeler te hanteren, en te laten zien hoe we CBM veilig kunnen implementeren. Vervolgens mogen de wereldwijde regelgevende instanties op luchtvaartgebied gaan praten over de huidige regelgeving en over het traject naar implementatie van CBM.” De onderzoekers zullen het EASA (European Aviation Safety Agency), lokale autoriteiten, Airbus, Thales en tal van andere relevante belanghebbende partijen betrekken bij de discussie over deze whitepaper. Zulke aanpassingen van de regelgeving vergen veel tijd. Over twintig jaar is het echter misschien zo dat uw entertainmentsysteem aan boord werkt omdat de conditie en de resterende levensduur nauwlettend worden gevolgd, niet omdat er nog geen defect is opgetreden of omdat er voortijdige revisie heeft plaatsgevonden.

Brandend verlangen: een risicomodel voor wensballonnen

Er is weinig zo sprookjesachtig als een zwerm traag zwevende wensballonnen. Vooral met de jaarwisseling zijn ze populair. Ook Michiel Schuurman heeft oog voor de romantiek van de wensballon. Maar als universitair docent bij de Structural Integrity and Composites Group en als docent van het vak Forensic Engineering, ziet hij ook risico’s. Schuurman: “Volgens onze metingen komen ze veel hoger dan toegestaan, op hoogtes waar vliegtuigen vliegen. Bovendien is er brandgevaar voor de omgeving.” Samen met collega Derek Gransden doet hij onderzoek om de risico’s te modelleren. Daarna is het aan de overheid om de wetgeving omtrent wensballonnen al dan niet aan te passen. Niet bij een vliegveld Wensballonnen vallen als speelgoed onder de Nederlandse Voedsel en Waren Autoriteit (NVWA). Die heeft zeer beperkt onderzoek gedaan naar de veiligheid, waarbij volgens Schuurman vooral is gelet op risico’s voor de consument en diens directe omgeving. Volgens het advies van de NVWA mogen wensballonnen alleen opgelaten worden bij windkracht twee of minder, en niet binnen een straal van 15 km rond een (zweef)vliegveld. Schuurman: “In de praktijk betekent dit dat het gebruik van de wensballon tot maximaal 20 dagen per jaar en tot ongeveer één-derde van Nederland beperkt is. Maar ja, je bruiloft is nu eenmaal vandaag en ‘hier’.” De brandweer ziet graag een landelijk verbod vanwege brandgevaar voor bos, duin en huizen met rieten daken. Er zijn genoeg voorbeelden van incidenten, maar verkopers schermen ermee te voldoen aan de veiligheidseisen van de NVWA. “Wat deze discussie nodig heeft,” aldus Schuurman, “zijn heldere data omtrent de risico’s van wensballonnen voor de omgeving.” Met zijn collega Derek Gransden ging hij aan de slag. Warme lucht Schuurman: “Ons onderzoek richt zich tot nu toe op het verticale vluchtprofiel van de wensballonnen. Wat is de maximaal haalbare hoogte en hoe lang zweven ze?” Volgens de wet van Archimedes ondervindt de ballon een opwaartse kracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste lucht. De verticale versnelling van de ballon volgt dan, na correctie voor de zwaartekracht, uit de tweede wet van Newton: Kracht is massa maal versnelling (F = m×a). Daarnaast ondervindt de ballon tijdens het stijgen ook luchtweerstand. De drie parameters met de grootste invloed zijn vorm en volume van de ballon en het gewicht van de brander. De brander bepaalt hoeveel energie beschikbaar is om de lucht in de ballon te verwarmen. Het volume en de temperatuur van de opgewarmde lucht bepalen de liftkracht. “Ons uiteindelijke model is gebaseerd op formules voor heteluchtballon uit de jaren ’70. We hebben daarbij een paar vereenvoudigingen toegepast zoals de aanname dat de druk en temperatuur binnen de ballon uniform zijn.” Piepschuimen bolletjes Schuurman en Gransden voerden experimenten uit met vijf soorten wensballonnen. Eerst bepaalden ze het volume van de wensballonnen. Dat bleek niet eenvoudig omdat de ballonnen zeer kwetsbaar zijn en dus niet met water gevuld kunnen worden. “Vullen met piepschuimen bolletjes uit zitzakken bleek de oplossing.” Ook hebben wensballonnen een zeer geringe liftkracht die daardoor moeilijk te meten is. Schuurman: “We hebben een half jaar geëxperimenteerd voordat een eenvoudige aanpak de meest consistente resultaten bleek op te leveren. Uiteindelijk konden we de liftkracht het beste bepalen door de ballonnen met lichte draad vast te maken aan gewichtjes bovenop een digitale weegschaal. De reproduceerbaarheid van de experimenten bleef uiterst matig door variatie in de productie. Zo leidde het geringe extra gewicht van iets bredere lijmranden al tot een grote verandering in het vluchtprofiel.” Schuurman en Gransden voerden hun experimenten uit in een brandveilig laboratorium vrij van horizontale luchtstromingen. Een infraroodcamera registreerde de temperatuur in de ballon en met een videocamera werden het moment van ontsteking, lancering en landing vastgelegd. “Landing in onze opstelling komt overeen met het hoogste punt in een buitenvlucht. Ons model berekent dit hoogste punt en simuleert vervolgens ook de benodigde tijd om te dalen.” Piloten verrast Schuurman: “Ons model laat zien dat vrijwel alle ballonnen na tien minuten weer geland zijn. Maar waar de NVWA concludeerde dat de ballonnen slechts bij uitzondering tot 300 meter hoogte kwamen, geeft ons model juist aan dat dit de norm is. ”De maximale hoogte is gemiddeld 500 meter. Dat is een hoogte waarbij kleine vliegtuigen vliegen maar waar ze ook opstijgende en landende grote vliegtuigen in de weg kunnen zitten. “Van veel piloten weet ik dat ze weleens wensballonnen zien. Nu zal één wensballon waarschijnlijk weinig schade aan een vliegtuig veroorzaken, maar een hele zwerm kan tot een schrikreactie bij de piloot leiden op het moment dat alle aandacht juist naar de landing hoort te gaan.” Brandgevaar “Onze eerste resultaten geven aan dat de discussie omtrent wensballonen gebaat is bij vervolgonderzoek.” Het liefst willen Schuurman en Gransden hun model in de open lucht valideren. Hierbij denken ze aan het volgen van de wensballon met een drone, waarvoor speciale toestemming nodig is. Daarnaast willen Schuurman en Gransden de horizontaal afgelegde afstand gaan modelleren. Data wat betreft de windsnelheid en windrichting in Nederland hebben ze al. De laatste stap is het modelleren van de risico’s. Ondanks dat de ballonnen geïmpregneerd (moeten) zijn, is brand het belangrijkste risico. “Als ik de ballon op deze plek oplaat,” zegt Schuurman, “wil ik weten waar hij heen kan vliegen, wat voor vegetatie en gebouwen hij tegenkomt en of hij nog kan branden op het moment van landing” Dat laatste is inderdaad mogelijk, laten zijn experimenten en die van de NVWA zien. Deze onderzoeken gebruikten slechts enkele tientallen ballonnen terwijl in 2009 al een paar honderdduizend wensballonen verkocht werden. Sindsdien is de verkoop via (vuurwerk)winkels en onlineshops daar nog bij gekomen. Wetenschappelijk èn ludiek Schuurman presenteerde het onderzoek in de zomer van 2017 op de AIAA Balloon Systems Conference in Denver, Colorado. In een zaal gevuld met NASA-medewerkers en andere ballon-onderzoekers lichtten alle ogen op. “Je moet je voorstellen,” aldus Schuurman, “dat deze mensen ballonnen gebruiken voor onderzoek van de aarde en mogelijk andere planeten. Ons onderzoek naar wensballonnen lijkt ludiek, maar het is zeker niet minder wetenschappelijk. Zodra het model af is, kunnen overheden het gebruiken om het bestaande beleid rond wensballonnen te evalueren.” Lees tips over het oplaten van wensballonnen: www.brandweer.nl/brandveiligheid/wensballonnen

Kevin Cowan: ‘Uit je hoofd leren is niet denken’

Als docent Space Engineering wil Kevin Cowan zijn studenten de essentie van het begrijpen bijbrengen. Sinds september staat op een hoek van zijn bureau de prijs voor Docent van het Jaar 2016-2017 van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaartechniek te glimmen. ‘Die staat daar niet omdat ik wil opscheppen,’ vertelt Cowan, ‘maar om me eraan te herinneren dat het echt gebeurd is, dat er waardering is voor wat ik doe.’ Cowan haalde zijn bachelor in Texas (Verenigde Staten) en zijn master aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft, waar hij nu les geeft in ruimtevaarttechniek. Hij heeft ook een MBA op zijn naam en was eerder actief in strategisch en financieel advieswerk voor talloze organisaties, waaronder de Britse overheid. ‘Het was interessant werk maar op een gegeven moment begon ik me af te vragen hoe ik echt iets zou kunnen bijdragen aan deze wereld.’ Hij herinnerde zich hoe inspirerend bepaalde docenten (onder wie Ron Noomen) tijdens zijn studie waren geweest. ‘Zij legden niet zomaar iets uit, maar legden de magie van een vak bloot. Het klinkt als een cliché, maar als je zo’n vuur in iemands geest kan aanwakkeren, kan die later elke uitdaging aan.’ Cowan besloot zijn steentje bij te dragen door les te geven. Zo nieuwsgierig als Newton Cowan geeft onder andere de mastervakken Astrodynamics I en II samen met zijn collega Eelco Doornbos. Het belangrijkste studieboek, ‘Fundamentals of Astrodynamics’, staat vol met formules en tekst. Hoe pak je dat aan, lesgeven in zo'n zwaar vak? ‘Ik begin met iets fundamenteels waar alle studenten zich iets bij kunnen voorstellen. Dan gaan we de formule afpellen en uit elkaar trekken. Begrijp je echt waar de formule over gaat? Of heb je hem gewoon uit je hoofd geleerd? Memoriseren wat je waarneemt is nuttig, maar helpt je niet om iets te voorspellen of iets nieuws te maken. Als we een idee ontrafelen totdat we alle verschillende bouwstenen hebben begrepen, kunnen we met die delen van alles bouwen.’ Cowan verwijst naar Newton. ‘Stel je voor: je zit naast Newton. Hij zit in zijn kamer achter zijn bureau met ganzenveer en papier. Er brandt een kaars op de hoek van zijn bureau, die de kamer verlicht. Hij kijkt uit het raam, staart naar de sterren en vraagt zich af: “Hoe werkt het allemaal?” Ik probeer mijn studenten dat gevoel voor fysica bij te brengen, het wonder en de essentie van het begrijpen. Je hebt Google of een computer helemaal niet nodig om het te bevatten.’ Toeters en bellen ‘In het begin was ik niet erg gecharmeerd van online-onderwijs,’ aldus Cowan. ‘Het was alleen maar een andere manier om lesmateriaal aan studenten aan te bieden, dat overigens best bruikbaar kan zijn. Intussen heb ik oog gekregen voor de verrassende voordelen. Toch kan online-onderwijs nooit de plaats innemen van de menselijke interactie in het leslokaal. We moeten ons niet te veel laten afleiden door alle toeters en bellen van online-tools.’ Wat is de toegevoegde waarde van klassikaal onderwijs? Cowan: ‘Het onderwijs steunt op drie pijlers: kennis, vaardigheden en motivatie. Als iemand slechts gedeeltelijk over de eerste twee beschikt maar zeer gemotiveerd is, kan hij of zij heel ver komen. Met motivatie kun je bergen verzetten. Studenten motiveren, je werkelijk met hen verbinden en een echt, doordacht gesprek voeren is onmogelijk zonder rechtstreeks contact. Wanneer je als docent alleen maar informatie aan studenten overdraagt, iets wat een computer net zo goed kan, ben je gauw je baan kwijt. Of nee, dan zou je je baan gauw kwijt moeten zijn.’ Cowan kan zich geen wereld voorstellen waarin onderwijs alleen nog maar online wordt gegeven. ‘Dat zou niet optimaal zijn,’ vindt hij. ‘Als we de uitdagingen willen aanpakken waar de wereld momenteel mee geconfronteerd wordt, zullen we moeten samenwerken. Doen we dat niet, dan hebben we een groot probleem. Universiteiten zijn de heksenketels waarin verandering wordt bereid. We moeten ons meer inspannen en onze verantwoordelijkheid nemen: om studenten te helpen actief- lerende mensen te worden in plaats van passieve ontvangers van kennis, en om studenten te helpen een proactieve rol te spelen ten behoeve van een betere samenleving en zorg voor onze planeet, kortom hun kennis, vaardigheden en motivatie in te zetten voor positieve verandering.’

Deel uitmaken van een DreamTeam: “Dit is een unieke kans”

Team Ecorunner VII Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniekstudent Paul Hulsman (23) is Team Manager van het Eco-Runner Team Delft, één van de vele DreamTeams die de TU Delft rijk is. Het doel: een auto bouwen die zo zuinig mogelijk rijdt. Inmiddels wordt er een nieuw team samengesteld en blikt Paul terug op zijn tijd met de Ecorunner. “Niet iedereen op de TU Delft beseft het, maar de D:DREAM Hall is echt een hele bijzondere plek.” Het Eco-Runner Team Delft bestaat al sinds 2005. Het eerste Eco-Runner Team is opgezet door drie studenten van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (LR). Sindsdien wordt er elk jaar een nieuw team samengesteld die in de maanden die daarop volgen verder bouwen aan de Ecorunner in de D:DREAM Hall (Delft: Dream Realization of Extremely Advanced Machines). Met de verbeterde Ecorunner strijdt het Delftse team jaarlijks rond juni mee in de studentenwedstrijd Shell Eco-marathon . Studie en DreamTeam Paul Hulsman is Team Manager van het Eco-Runner Team Delft en volgt de Wind Physics track van de European Wind Energy Master (EWEM) bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Het eerste jaar van zijn master heeft hij reeds afgerond. Daarna besloot hij een tussenjaar te nemen voor de Ecorunner (VII) en vanaf september vertrekt hij naar Denemarken om het tweede deel van zijn master te vervolgen. Paul: “Ik heb al eens eerder bij een DreamTeam gezeten: het Formula Student Team Delft. Dit deed ik parttime en dat vond ik zo leuk dat ik graag nog eens fulltime bij een DreamTeam wilde zitten. De doelstelling van de Ecorunner (een auto bouwen die zo zuinig mogelijk rijdt) sprak me erg aan, dus solliciteerde ik daar.” Unieke kans “Je leert bij een DreamTeam veel dat je niet zo snel op een andere plek zult leren, denk ik,” zegt Paul. “Bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek hebben wij de Design/Synthesis Exercise aan het einde van ons derde jaar, en daar leer je ook wel bepaalde soft-skills zoals samenwerken. Maar samenwerken met studenten van andere faculteiten is toch echt wat anders. Ook omdat je merkt dat iedereen bepaalde dingen net wat anders doet. Tijdens mijn studie heb ik ook niets met PR te maken gehad – daar krijg nu wel veel van mee. Naast dat je probleemoplossend leert denken over technische vraagstukken, moet je ook leren hoe je het beste communiceert met bedrijven. En als ik na mijn studie ga werken, zie ik mijn baas ook niet zomaar zeggen: ga maar een auto bouwen. Dit is een unieke kans.” Uitdagingen Hoewel elk Eco-Runner Team voortbouwt op het ontwerp en de kennis van het team ervoor, stuit ieder team weer op nieuwe uitdagingen; al helemaal wanneer er een nieuwe Ecorunner gebouwd wordt, zoals dit jaar het geval was. Paul: “Eén van onze grootste technische uitdagingen was om het ontwerp van de Ecorunner VII af te stemmen op een dynamischer parcours met scherpere bochten dan voorheen. Dat maakt het lastiger om efficiënt te rijden. Er was een volledig nieuw ontwerp nodig voor de aandrijflijn, en dus moest ook de ophanging aangepast worden. Hoewel je de Ecorunner dus altijd verder brengt, moeten sommige dingen gewoon ‘from scratch’ worden ontwikkeld.” De rit Eind mei dit jaar was de Shell Eco-marathon in Londen. Elk team krijgt standaard vier pogingen en je rijdt tien rondjes per poging. Tijdens de eerste poging kreeg de Ecorunner VII een lekke band. Tijdens de tweede vloog hun top cover eraf door de heftige wind. De derde keer ging er een schroef los en tijdens de vierde begon de brandstofcel te lekken. Helaas hebben ze daardoor geen enkele poging uit kunnen rijden. Paul: “We hadden behoorlijk pech dit jaar. Desalniettemin was het een ontzettend gave ervaring om de sfeer mee te proeven en de andere teams te zien. En ik ben super trots op ons team.” Het huidige record staat op 3.771 km, wat ongeveer gelijk staat aan de afstand van Amsterdam naar Rome en terug. Voor de volgende generatie Paul: “Je kunt zowel parttime als fulltime aan de Ecorunner werken, maar fulltime is wel aan te raden. Achteraf gezien denk ik dat het handiger is om een tussenjaar te nemen tussen de bachelor en master, in plaats van tijdens de master. Zelf miste ik al tijdens het eerste jaar van de master een stukje werkervaring. Maar dat komt misschien omdat EWEM veel studenten heeft die al wat werkervaring hebben. In Denemarken is het bijvoorbeeld best normaal om na je bacheloropleiding drie of vier jaar te gaan werken voordat je verder gaat met je masteropleiding, maar dat lijkt mij dan weer onhandig. Een tussenjaar is ideaal. Je leert al zoveel in zo’n korte periode en het is een ervaring die je nooit zult vergeten. Hoeveel mensen kunnen nu zeggen dat ze hun eigen auto hebben ontwikkeld en gebouwd?” --- Nieuwsgierig geworden naar de Ecorunner? Volg ze op Facebook of bekijk hun website . Heb je interesse in een plek in het team? Klik hier om te solliciteren.

Formatievliegen op een paar druppels water

Omdat er steeds kleinere satellieten komen, wordt er ook gezocht naar kleinschalige voortstuwingsmethoden. Dr. Angelo Cervone van de afdeling Space Engineering (SpE) richt zich in zijn werk op voortstuwingssystemen op basis van MEMS. “De huidige kleine satellieten beschikken nauwelijks over aandrijving, wat betekent dat ze niet van baan kunnen veranderen en geen complexe manoeuvres kunnen uitvoeren. De ontwikkeling van microvoortstuwingssystemen betekent een hele vooruitgang”, zegt hij. “Daarmee wordt het ook mogelijk om constellaties van satellieten in te zetten die in formatie vliegen.” Universiteiten lopen al geruime tijd voorop bij de ontwikkeling van kleine satellieten. Wat ooit begon als een methode om studenten te leren hoe ze satellieten kunnen bouwen en lanceren, is inmiddels gemeengoed geworden. “Nanosatellieten worden niet meer alleen voor onderwijs en onderzoek gebruikt. Een groot aantal bedrijven lanceert kleine satellieten voor het maken van beelden en andere commerciële toepassingen”, aldus dr. Cervone. In februari 2017 werd het recordaantal van 101 nanosatellieten aan boord van één raket gelanceerd vanaf het Indiase ruimtevaartcentrum Sriharikota. Daarvan waren er 88 van het aardobservatiebedrijf Planet Labs Inc, opgericht door voormalig NASA-medewerkers. “Hun doel is om elke plek op het aardoppervlak dagelijks in beeld kunnen brengen, als een soort Google Earth die elke dag wordt geüpdatet.” Maar geen van de 101 CubeSats aan boord had aandrijving. Met een voortstuwingssysteem zouden zulke nanosatellieten hun koers kunnen bijstellen of op de juiste hoogte blijven, waardoor ze veel langer hun werk zouden kunnen blijven doen. “Als ze in een erg lage omloopbaan zweven, bijvoorbeeld op 300-350 kilometer, dan is er nog steeds wat lucht. Dat creëert luchtweerstand, waardoor ze trager gaan vliegen en uiteindelijk na een paar maanden of zelfs dagen in de atmosfeer terugvallen.” Aandrijving is ook een sleutelfactor voor missies gebaseerd op satellietconstellaties die in formatie vliegen. “Satellieten die in formatie vliegen moeten hun positie ten opzichte van elkaar nauwkeurig behouden. Dat is heel moeilijk voor elkaar te krijgen zonder aandrijving.” Een zwerm satellieten de ruimte in sturen is een langetermijndoel van de afdeling SpE: tijdens de OLFAR-missie moeten satellietjes die in een baan om de maan cirkelen samen een virtuele telescoop vormen om de dark ages van het universum te bestuderen. Cervone werkt al sinds zijn master- en promotieonderzoek aan de universiteit van Pisa aan aandrijving in de ruimte. Na twee jaar postdoconderzoek in Osaka kwam hij in 2012 bij TU Delft werken. Daar verlegde hij zijn focus naar aandrijfsystemen die geschikt zijn voor de kleine satellieten waar de universiteit aan werkt. Dat is niet simpelweg een kwestie van het verkleinen van bestaande grotere systemen. “Niet alles verandert evenredig met de grootte. Verschillende factoren nemen verschillend af of toe, sommige lineair, andere kubiek of kwadratisch. Als je bijvoorbeeld de omvang met een factor tien verkleint, zal de stuwkracht met een factor 100 afnemen, en wordt de kans op energieverlies tien keer zo groot.” Resistojets Hoewel er steeds meer onderzoek wordt gedaan naar micro-aandrijving, kwam Cervone erachter dat het stuwkrachtbereik van 1-10 millinewton (mN) nog grotendeels onontgonnen gebied was – een bereik dat heel bruikbaar is voor CubeSats die van baan moeten veranderen of snel moeten draaien. “Er zijn systemen die meer stuwkracht bieden, maar voor een satelliet zo groot als de CubeSat is dat alsof je een vliegtuigmotor op een auto schroeft: hij is er gewoon te groot voor, waardoor de satelliet onbestuurbaar wordt.” Die stuwkracht kan bereikt worden met de zogenaamde resistojets waar Cervone zijn onderzoek nu op concentreert. “Voor zover wij weten kun je alleen daarmee deze stuwkracht realiseren met een acceptabel brandstof- en energieverbruik. Voor grotere systemen zijn resistojets minder efficiënt, vandaar dat het onderzoek naar deze ogenschijnlijk simpele oplossing nooit echt volledig tot wasdom is gekomen. Maar voor onze vereisten zijn ze precies goed.” In een resistojet wordt stuwstof via een weerstand verhit en dan uitgestoten via een straalpijp. “We gebruiken energie van de zonnepanelen van de satelliet om stroom door een weerstand te sturen. Hierdoor wordt het systeem warm en geeft thermische energie af, die op zijn beurt de stuwstof verwarmt”, legt Cervone uit. “We onderzoeken water als mogelijke stuwstof, omdat het ‘groen’, veilig en makkelijk in het gebruik is. Verrassend genoeg levert het ook uitstekende prestaties. We hebben laatst een artikel gepubliceerd in het ASME Journal of Heat Transfer, waarin we aantoonden dat van alle vloeistoffen die onder bijna normale omgevingsomstandigheden vloeibaar zijn, water het meest efficiënte verbruik had qua volume, en als tweede uit de bus kwam qua massa.” Voor de onderzoekers op dat punt kwamen, moesten ze eerst hun eigen onderzoeksinstrumenten en -installaties bouwen. “Onze eerste taak was het ontwikkelen van een instrument dat de stuwkracht nauwkeurig genoeg kan meten. In gewicht is één millinewton 0,1 gram. Dat is de kracht die je voelt als je een veertje op je vinger legt: vrijwel niets.” Uiteindelijk bedachten ze een systeem dat werkt op basis van een slinger. “We plaatsen ons voortstuwingssysteem op de slinger en geven dan een stoot met de stuwraket. Daardoor gaat de slinger een beetje oscilleren; we kunnen die slingerwijdte meten en relateren aan de kracht.” De volgende belangrijke ontwikkeling is een vacuümkamer, zodat ze hun systemen in vergelijkbare omstandigheden als die in de ruimte kunnen testen. “Bij zulke kleine systemen blijft er veel onzekerheid bestaan als je ze niet in een vacuüm test, omdat de druk van de atmosfeer het effect van de stuwkracht compleet kan opheffen. Om te weten wat er precies in de ruimte zal gebeuren, hebben we een vacuümkamer nodig.” In de tussentijd gebruiken ze een vacuümoven, een kamer waarin er een bepaald vacuüm kan worden bereikt, hoewel dit het bij verre niet haalt bij de omstandigheden in de ruimte. “We denken er ook over om misschien bestaande vacuümkamers te gebruiken, zoals die van ESA-ESTEC, maar daar krijgen we dan natuurlijk maar een beperkte hoeveelheid tijd. We hebben er dus echt zelf een nodig, zodat we kunnen testen wat we willen op het moment dat dat nodig is.” Fabricage Het fabriceren van micro-voortstuwingssystemen is ook een uitdaging, omdat het complete systeem met daarin het verwarmingssysteem, het kanaal voor de stuwstof, de straalpijp en zelfs een watertank soms niet groter is dan een suikerklontje. “We gebruiken onderdelen van een paar millimeter of kleiner, soms zelfs zo dun als één hoofdhaar”, vertelt Cervone. “Bovendien moeten we daarbij de vloeibare, elektronische en structurele onderdelen integreren.” Vandaar dat zijn groep zich heeft gewend tot de technologie voor het produceren van micro-elektromechanische systemen (MEMS), waarvoor ze samenwerken met het Else Kooi microfabricage-lab van TU Delft. Het gebruik van MEMS biedt uitstekende mogelijkheden voor verdere integratie. “Afgezien van het verwarmingssysteem, de straalpijp en het kanaal integreren we ook elektronica zoals sensoren en het besturingssysteem voor de stuwraket”, zegt Cervone. “We overwegen ook om een MEMS-klep toe te voegen, een bewegend onderdeel dat het kanaal opent en sluit en zich nu nog buiten de chip bevindt. De kleppen die we op dit moment gebruiken zijn 1 of 2 centimeter, dus die moeten echt nog wel verder verkleind worden.” Micro-afmetingen stellen ook hoge eisen aan de gebruikte materialen. Zo zijn materialen die te veel uitzetten en krimpen onder invloed van de temperatuur niet geschikt, omdat zelfs kleine veranderingen in de afmetingen een enorme impact kunnen hebben. “MEMS worden voornamelijk van silicium gemaakt, een materiaal dat warmte goed geleidt. Het verspreidt warmte heel snel naar de externe omgeving. Dat is een probleem bij aandrijving: je wilt zoveel mogelijk thermische energie naar de stuwstof sturen, niet de ruimte in”, licht Cervone toe. “Een mogelijke oplossing is het isoleren van het systeem door middel van speciale kleuren of materialen.” Op de lange termijn gaan ze ook kijken naar 3D-printen. “Bij 3D-printen kun je een ontwerp elke gewenste vorm geven en zo ingewikkeld maken als je maar wil. Anders dan de traditionele fabricagemethode, waarbij delen worden verbonden of materiaal wordt verwijderd, maakt een 3D-printer je ontwerp uit één stuk zonder naden of verbindingen. Dat is nog niet mogelijk op micrometerschaal die wij nodig hebben, maar de ontwikkeling gaat heel snel en ik verwacht dat technologie over een paar jaar wel zover is gevorderd.” Satelliet op een chip Verdere verkleining kan uiteindelijk leiden tot concepten als de ‘satelliet op een chip’. “Satellieten op chip-formaat zouden verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor ruimtemissies. Stel je voor dat je zulke kleine chips de ruimte in kunt sturen en er vrijwel alles mee kunt doen wat we nu met gewone satellieten doen. Dan kunnen ideeën die nu nog science fiction lijken, realiteit worden. Neem bijvoorbeeld het Breakthrough StarShot project dat door Stephen Hawking en Mark Zuckerberg wordt gesteund. Hun plan is om chip-satellieten naar Proxima Centauri te sturen, de ster die het dichtst bij ons zonnestelsel staat. Zover zijn we echter nog niet, er is nog wat meer onderzoek nodig.” Wordt vervolgd.

Een veranderende aarde gezien vanuit de ruimte

Voor satellietmissies is het noodzakelijk dat de baanberekeningen zo exact mogelijk zijn. Daar zijn Dr. Ernst Schrama en zijn collega’s al tientallen jaren expert in. Ze gebruiken satellietdata ook voor het monitoren van veranderingen aan het aardoppervlak. En met nieuwe missies met andere meetapparatuur in het verschiet, blijven de uitdagingen komen. “Je zult niet snel stilzitten in dit vak”, aldus Schrama. Dr. Ernst Schrama is al meer dan vijftien jaar verbonden aan de sectie Astrodynamics and Space Missions van de afdeling Space Engineering. Het onderzoek begon destijds met het heel precies berekenen van satellietbanen. Schrama vertelt: “Traditioneel werkt onze groep aan satellietbaanmechanica. Aan de hand van laser-, radar- of radiofrequentiemetingen vanaf de grond weten we waar de satelliet precies is en kunnen we berekenen waar die naartoe gaat.” Vanwege hun grote expertise op dit gebied werkten Schrama en zijn collega’s onder meer mee aan ESA’s GOCE missie in 2009, aan de CryoSat-2 missie in 2010, en aan de SWARM-missie in 2013. Daar blijft het niet bij: de sectie is tevens expert in het interpreteren en gedetailleerd modelleren van meetgegevens die de instrumenten aan boord van de satellieten doorgeven. Een belangrijk toepassing daarvan is het monitoren van veranderingen van het aardoppervlak, zoals de ijskappen en het zeeniveau. Geofysisch onderzoek dus. “Geofysici kijken naar het systeem aarde en hoe dat verandert,” legt Schrama uit. “Het idee is dat we zonder het aardoppervlak aan te raken, toch weten wat voor volume en vorm het heeft en hoe het verandert. Dat kan rechtsreeks met hoogtemetingen, maar ook indirect via metingen van het zwaartekrachtveld.” Radarhoogtemetingen Zo hebben satelliethoogtemeters ons nieuwe inzichten verschaft in hoe de oceanen er precies uitzien onder het wateroppervlak en hoe de oceaanbodem zich in de loop van miljoenen jaren heeft ontwikkeld. Schrama toont een kaart volledig opgebouwd uit radarhoogtemetingen en wijst naar wat een onderzeese vulkaanketen blijkt te zijn, de Hawaii-Emperorketen: “Dat vulkaansysteem is ontstaan boven een warm punt diep in de aarde, een soort kachelpijp. Daar liggen nu vulkanische eilanden en er komen er steeds meer bij. Maar de aardkorst, de Pacifische Plaat om precies te zijn, beweegt heel langzaam een paar centimeter per jaar naar het Noordwesten toe. Dus waar nu Hawaii ligt, beweegt de oceaanbodem langzaam naar het Noordwesten, terwijl er in het Zuid-Oosten nieuwe eilanden gevormd worden. Dit proces is al 300 miljoen jaar gaande, en we herkennen het duidelijk in de zwaartekrachtskaart.” IJsmassa’s en oceanen, bergen en continenten maken het aardoppervlak onregelmatig en ze zijn ook nog eens in beweging. Dat zorgt voor verschillen in massa en dus ook in zwaartekracht, afhankelijk van waar en wanneer je die meet. Mensen voelen die zwaartekrachtverschillen niet, maar satellieten kunnen ze wel waarnemen. Met behulp van zwaartekrachtmetingen kun je dan ook iets zeggen over bijvoorbeeld zeestromingen of gletsjersbewegingen. En twee satellieten weten in zo’n geval meer dan één. “We hebben meegewerkt aan de ontwikkeling van experimenten waarbij je meerdere satellieten in de ruimte brengt,” vertelt Schrama. “Dan kun je hun onderlinge afstand meten en hoe die verandert onder invloed van het krachtenveld dat op die satellieten werkt. Zo kunnen we dat nog beter onderzoeken.” NASA’s GRACE-missie die in 2002 gelanceerd werd is een goed voorbeeld: de tweelingsatelliet heeft de afgelopen vijftien jaar nieuwe inzichten gegeven in de verdeling van land en water over de aardbol. Zeespiegelstijging Vooral die veranderingen in ijsmassa’s en zeeniveau staan volop in de belangstelling, vanwege hun link met klimaatverandering. De huidige zeespiegelstijging is aantoonbaar groter dan zij de afgelopen tweeduizend jaar geweest is, zo weten we uit historische bron. “De Romeinen hadden tanks om vis te vangen. Die hadden een opening ter hoogte van de vloedlijn. Je weet dus waar die tweeduizend jaar geleden gelegen moet hebben, zo’n zestig centimeter onder het huidige zeeniveau”, vertelt Schrama. “Dat is een indicatie dat het zeeniveau de afgelopen tweeduizend jaar circa zestig centimeter gestegen is. We meten nu al dertig centimeter per eeuw, dat is zestig centimeter in twee eeuwen, in plaats van twee millennia. We weten ook dat ijssystemen in omvang afnemen”, gaat hij verder. “Maar wordt die stijging van de zeespiegel nu alleen veroorzaakt door het smelten van ijs of zijn er andere factoren van invloed, bijvoorbeeld het opwarmen en daarmee uitzetten van de oceanen?” Uit Schrama’s onderzoek blijkt dat de helft van die stijging veroorzaakt wordt door het opwarmen en uitzetten van de oceanen en de andere helft afkomstig is van smeltwater van gletsjers op Groenland, Antarctica en kleinere ijssystemen zoals Alaska of de Alpen. Daarvoor combineerde hij verschillende soorten metingen. “Met hoogtemeting boven het ijs en zwaartekrachtmetingen kun je zien wat er met het ijs aan de hand is, maar we doen ook volumeveranderingsmetingen aan de oceanen. Door beide van elkaar af te trekken, weet je welke gedeelte van de zeespiegelstijging je kunt toeschrijven aan welk fenomeen.” Ook combineert hij satellietmetingen met andere technieken. “Er is een heel netwerk van automatische boeien die bijvoorbeeld temperatuur en zoutgehalte van de oceanen meten. Die gegevens gebruiken we dan weer om te kijken of dat in overeenstemming is met wat wij meten en berekenen via de radar- en lasermetingen.” Postglaciale opheffing Om nu veranderingen in de ijskap en de zeespiegel goed te modelleren moet je bovendien rekening houden met postglaciale opheffing. De aardkorst veert immers nog steeds op als gevolg van het smelten van de ijskappen aan het einde van de laatste grote IJstijd die 20.000 jaar geleden eindigde. “De Scandinavische en Noord-Amerikaanse ijssystemen zijn verdwenen, maar dat proces van terugveren is nog niet afgelopen en dat kunnen we goed meten,” aldus Schrama. “Voor Antarctica is dat al veel moeilijker, omdat het systeem veel groter is. Het modelleren van dat proces is ook iets dat we hier doen. Daarvoor combineren we dan meetgegevens van de GRACE-satellieten met bijvoorbeeld GPS-metingen van ontvangers op het land en gegevens over de bodemdruk van de oceaan.” Een onderwerp als klimaatverandering roept ook steeds nieuwe vragen op. “Over de afgelopen vijftien jaar hebben we veranderingsprocessen geconstateerd. Zit daar een versnelling in en zo ja hoe komt dat, of verandert dat over tien jaar weer? Dat willen we kunnen meten en begrijpen. Daar hebben we nieuwe satellietmissies en metingen met nieuwe instrumenten voor nodig.” Die komen er ook aan. “Er wordt aan een GRACE follow-on missie gewerkt, die binnenkort wordt gelanceerd. De huidige missie werkt met microgolven om de onderlinge afstand van de satellieten te meten. Dat wordt straks een microgolven en een laserinterferometer, die naar verwachting 20 keer zo accuraat is. “ Betere instrumenten en hoger datasnelheden brengen ook nieuwe uitdagingen met zich mee. “Hoe gaan we met die kennis om? Sluiten de nieuwe metingen aan op de oude of moeten we correcties doorvoeren? Krijgen we er betere informatie mee?” Nieuwe missies en uitdagingen Een andere missies die in de pijplijn zit, is NASA’s ICESat-2 (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2). “ICESat-1 heeft niet zo lang geleefd, van 2003 tot 2009. Er was een probleem met de lasers, waardoor er niet continu gemeten kon worden. De nieuwe missie belooft het beter te doen,” zegt Schrama. “Dat is allemaal wel in aanvulling op lopende missies. Dat is een hoop meetinstrumenten om gegevens van te verwerken. Je zult niet snel stilzitten in dit vak.” Inmiddels hebben al die missies en instrumenten ook een hoop data opgeleverd. Om daarin overzicht te behouden, beheert de sectie ook RADS, een Radar Altimeter Data System. “We krijgen steeds meer gebruikers voor RADS en we doen ons best het systeem zo goed mogelijk toegankelijk te maken.” Onderwijs Stilzitten in het onderwijs is er al evenmin bij. “Er komen inmiddels meer dan honderd masterstudenten per jaar binnen; tien jaar geleden waren dat er een stuk of veertig. Het traditionele beeld van vooral studenten uit Nederland en België klopt allang niet meer. We zien bijvoorbeeld veel studenten uit Zuid-Europa en ook veel uitwisselingsstudenten via het Erasmusprogramma.” Studenten stellen ook andere eisen tegenwoordig. “ Het online aanbieden van onderwijs is een veranderslag waar we echt mee verder moeten,” vindt Schrama, die inmiddels een online versie van het vak Satellite Orbit Determination gemaakt heeft. Het bouwen en lanceren van (kleine) satellieten, de CubeSats, is ook al traditie bij de afdeling Space Engineering. Daar maakt Schrama gebruik van voor zijn practicumonderwijs. “We laten studenten zelf bij EWI de metingen doen, zodat ze kunnen zien hoe het signaal op een grondstation eruit ziet, en er vervolgens mee kunnen rekenen.” Inmiddels is de afdeling bezig met de ontwikkeling van de nog kleinere PocketQubes. Ook hier denkt graag Schrama graag mee over experimenten. “Daar kan voor ons zinnige informatie uitkomen, bijvoorbeeld over het ruimteweer.” Zo is het destijds ook begonnen met het onderzoek. “Een van mijn vroegere hoogleraren heeft destijds flink gelobbyd bij ESA om een ‘gradiometer’ in de GOCE-satelliet te krijgen. Dit is een instrument om de kromming van het aardse zwaartekrachtsveld te meten. In de jaren tachtig hebben daarvoor hier in Delft de ontwerpstudies gedaan. Wat moet er gemeten worden en wat voor resultaten verwacht je?”, vertelt hij. “Hoe je zo’n instrument vervolgens bouwt, moet je dan aan de industrie overlaten.” Of in dit geval: aan de collega’s. Photo: Greenland icebergs Disko Bay, Ian Joughin, Polar Science Centre, University of Washington.

Hoger en verder

Dr. Axelle Viré is universitair docent bij de afdeling Aerodynamics, Wind Energy & Propulsion (AWEP). Ze werkt aan de numerieke modellering van drijvende en vliegende windturbines. “De toekomst van windenergie ligt hoger in de lucht en verder op zee. Daarmee worden nieuwe markten aangeboord en komen we letterlijk op onontgonnen gebied”, zegt ze. Modellen voor drijvende en vliegende windturbines moeten rekening houden met de zogeheten vloeistof-structuurinteracties. “In het geval van drijvende windturbines beweegt het systeem onder invloed van wind, golven en oceaanstromingen”, legt dr. Axelle Viré uit. “En de constructie van een vlieger is een flexibel membraan dat vervormt door de lucht die eromheen stroomt. In beide gevallen willen we weten hoe deze interacties de prestaties van de systemen beïnvloeden.” Niet-lineaire gebeurtenissen Bestaande snelle modellen kunnen de dynamica van dergelijke systemen simuleren in realtime of voor de verwachte levensduur van een systeem. Dergelijke modellen zijn echter meestal alleen geschikt voor lineaire verschijnselen, met eenvoudige bewegingen als kleine golven. “Wij zijn meer geïnteresseerd in niet-lineaire gebeurtenissen, zoals sterke wind of grote golven”, legt Viré uit. “Als je een ontwerp voor een vlieger of een drijvende turbine hebt, wil je zeker weten dat het systeem tegen zulke extreme omstandigheden kan. We willen bijvoorbeeld berekenen wat de invloed is van brekende golven op de constructie van drijvende windturbines.” Een ander probleem is dat golven zich niet altijd voortbewegen in de richting van de wind. “De combinatie van niet-extreme winden en golven kan dan toch voor extreme belastingen zorgen. Maar snelle modellen veronderstellen meestal dat wind en golven niet sterk zijn en bovendien dezelfde richting hebben.” “Onze modellen moeten verfijnder worden”, concludeert Viré, die de leiding heeft over de ontwikkeling van de ‘high-fidelity’ numerieke tools die hiervoor nodig zijn. Ze kijkt onder andere naar de modellering van het gedrag van vliegende apparatuur, waarbij interacties tussen aerodynamica, structuurdynamica en vluchtdynamica een rol spelen. “We hebben hier al simpele modellen voor, maar om die te verfijnen willen we ze koppelen aan numerieke stromingsleer. We bevinden ons hiermee nog maar op een heel fundamenteel niveau. Voor zover we weten wordt nergens anders ter wereld hieraan gewerkt.” High-fidelity modellen Zulke high-fidelity simulatiemodellen zijn traag en kosten veel rekenkracht, maar de resultaten kunnen ook worden gebruikt om de kwaliteit van de snellere modellen te verhogen. “We kunnen niet met een high-fidelity model naar de hele levensduur van een systeem kijken, maar we kunnen ons wel concentreren op specifieke omstandigheden en de manier waarop het systeem zich daarin gedraagt. Daarmee krijgen we dan nauwkeurigere waarden die we weer in onze snellere modellen kunnen stoppen”, legt Viré uit. “In onze vliegermodellen gebruiken we nu bijvoorbeeld ruwe benaderingen van de opstuwing en weerstand van de vleugel. Met de nieuwe methode die we nu ontwikkelen, hopen we die te verfijnen.” Maar dat is nog een hele uitdaging. “Je hebt dan een soort representatie van je gedetailleerde model in je grotere model nodig, maar hoe knoop je die twee aan elkaar vast? Die uitdaging heb je vaak met vraagstukken op meerdere schalen.” Ontbrekende schakel Als postdoctorale research fellow bij het Imperial College in Londen werkte Viré aan de numerieke modellering van drijvende windturbines, een onderwerp dat in Delft nog ontbrak toen zij er kwam. “Ik wil drijvende windturbines ontwikkelen als onderzoeksgebied bij de TU Delft. Als sectie Wind Energy moeten we daar aandacht aan besteden”, vindt ze. “Drijvende windturbines zitten dichter tegen vermarkting aan dan vliegerenergie. Er zijn al prototypen die op het net aangesloten zijn en energie leveren.” Het eerste drijvende windenergiepark ter wereld wordt in Noorwegen gebouwd door Statoil in, dat in 2009 zijn eerste Hywind-turbine installeerde. In Portugal willen ze in 2018 drie of vier drijvende windturbines operationeel hebben met het project WindFloat Atlantic (WFA). “Noorwegen en Portugal hebben diep water dicht bij de kust. Dat zijn precies de omstandigheden waarin drijvende turbines de oplossing kunnen zijn. Het is er te diep om turbines op monopalen te plaatsen, maar dicht genoeg bij de kust voor een gemakkelijke aansluiting op het net.” Buiten Europa is Japan op dit vlak actief. Daar zijn bij Fukushima ter vervanging van de gesloten kerncentrale al drie drijvende windturbines geïnstalleerd. Nederlandse belangstelling Tot voor kort was er in Nederland slechts beperkt belangstelling voor drijvende windturbines. Misschien werd er gedacht dat we ze niet nodig hadden, omdat de Noordzee ondiep genoeg is voor monopalen. Dat maakte het moeilijk om voor dit specifieke onderwerp onderzoeksfinanciering op nationaal niveau te krijgen. “Dat is nu aan het veranderen. In Nederland is onlangs een marktonderzoek gepubliceerd naar drijvende windturbines, en Nederlandse bedrijven zien het nu als een kans”, zegt Viré. En terecht, want ook al ligt de markt voor drijvende windturbines bij gebieden met diep water, je kunt volgens Viré wel de kennis ontwikkelen als exportproduct. Die boodschap lijkt nu in Nederland te zijn doorgedrongen. Er kunnen ook lokale voordelen zijn. “Met drijvende platforms kun je verder uit de kust werken, zodat er minder bezwaren vanuit de bevolking zullen zijn. Er kan dan op veel meer locaties worden gewerkt dan nu.” De eerste windturbines die op zee werden gebouwd, waren gebaseerd op oude ontwerpconcepten, maar daarbij kunnen problemen optreden. “Traditioneel staan turbines op monopalen. Bij installatie op zee moet de paal de zeebodem in en moet je de bodemconditie kennen”, zegt Viré. “Zelfs als we iets kunnen bouwen wat diep genoeg gaat, is dat een dure aangelegenheid. Maar voor een drijvend platform dat je vastlegt aan de zeebodem, heb je alleen kabels en ankers nodig. Dat is veel minder kostbaar dan een volledige constructie en heeft minder invloed op het milieu.” Viré denkt dat beide toepassingsgebieden, drijvende windturbines en vliegerenergie, in de toekomst één worden. “Vliegers zijn goedkoper dan conventionele turbines. Dat is aantrekkelijk wanneer je offshore werkt, waar de kosten hoger zijn. Je hebt schepen nodig om de turbines te bereiken en dat is moeilijk bij slecht weer, zodat de beschikbaarheid lager ligt dan bij windenergie die aan land wordt opgewekt. Het zou dus best kunnen dat vliegers op drijvende platforms de meest kosteneffectieve oplossing zijn.” Samenwerking Viré vindt het interessant dat er verschillende vakgebieden bij haar werk betrokken zijn: “Er zijn zoveel verschillende aspecten. We werken met de faculteit CiTG aan de deelconstructies, en met EWI en ME aan de besturing en de elektrotechniek. DUWIND is een goed platform om al deze vakgebieden te verbinden.” Ze coördineert ook een cursus voor professionals over offshore windenergie. De cursus duurt zeven weken en begint in mei, met docenten uit de diverse betrokken vakgebieden. “Het is een multidisciplinair terrein en vaak zijn mensen opgeleid in maar één van de vakgebieden. Het doel van de cursus is om ze kennis te laten maken met die andere vakgebieden en te leren hoe al die onderwerpen worden geïntegreerd in het ontwerp van een windmolenpark.” Viré onderhoudt nog steeds nauwe contacten met haar vroegere onderzoeksgroep op het Imperial College in Londen, waar ze honorary fellow is. “We proberen bijvoorbeeld samen financiering aan te vragen en er zijn uitwisselingsbezoeken. In Londen kunnen ze profijt hebben van onze expertise op het gebied van wind, omdat zij zich van oudsher meer bezighouden met oceanen en getijdenenergie.” Ook heeft ze onlangs een financieringsvoorstel geschreven voor een consortium met onder meer de Noorse en Portugese projecten met drijvende windturbines. “Het gaat op dit moment nog om fundamenteel onderzoek, maar we moeten toch laten zien dat het gericht is op de praktijk en maatschappelijk belangrijk is. Het wordt steeds moeilijker om financiering te vinden voor fundamenteel onderzoek zonder daar partners uit het bedrijfsleven bij te betrekken.” Maar dat is het niet de enige reden om de Portugezen en de Noren erbij te willen hebben. “Zij hebben data, en dat is een belangrijk voordeel. In een zo nieuw onderzoeksgebied is het soms moeilijk om met zakelijke partijen in contact te komen. Zij zullen hun bedrijfsgeheimen of patenteerbare kennis niet met ons delen. Maar of ze nu een basisontwerp of een eindontwerp met ons delen, wij kunnen het gebruiken voor onze simulaties. Hoe meer data we hebben, hoe beter.” Verder vooruitkijken “Mijn werk heeft sterke banden met toepassingen”, vervolgt Viré. “Dat inspireert mij, ook al kijk ik naar oplossingen voor de langere termijn.” Terwijl het bedrijfsleven meestal vanuit de korte termijn denkt, vindt Viré dat je altijd verder vooruit moet kijken, ook naar oplossingen met een hoger risico. “Als je alleen werkt aan verbeteringen van wat al bestaat, kom je niet tot grote veranderingen of doorbraken.” Haar werk gaat nu nog vooral over nieuwe benaderingen van bestaande concepten. “Zo ontsluiten we nieuwe markten en kunnen we meer offshore locaties benutten. Maar als we echt stappen willen zetten en werkelijk iets willen betekenen, moeten we radicaler innoveren.” Ook terugkijken kan daarbij nuttig zijn. “Oplossingen die jaren geleden zijn verworpen, kunnen weer interessant worden”, zegt Viré, en ze noemt als voorbeeld verticale windturbines. “Die worden vanwege hun lagere rendement nauwelijks gebruikt. Maar voor drijvende platforms kunnen ze interessant zijn, omdat hun zwaartepunt lager ligt”, legt ze uit. “Je kunt je indenken dat een bewegende turbine op een drijvend platform dynamisch niet erg stabiel is. Als je de massa van het systeem lager kunt leggen, vergroot je de stabiliteit.” Helaas zal het bedrijfsleven nog niet direct in de rij staan om dit idee te implementeren, omdat alle huidige turbines, en dus ook alle ontwerp- en productiefaciliteiten, gebaseerd zijn op horizontale technologie. “We zijn nu aan het onderzoeken wat de beste schaal is voor een drijvend platform voor de huidige windturbines. We kunnen wel gebruikmaken van kennis uit de olie- en gasindustrie, maar de schalen in ons onderzoeksgebied zijn heel anders. De vraag is hoe de schaal van het platform zich moet verhouden tot de capaciteit van de windturbine. Wat is het optimale ontwerp van een drijvende windturbine? Misschien liggen de antwoorden wel in een totaal andere benadering. Dat is wel degelijk toegepast onderzoek, hoewel het misschien nooit echt in praktijk zal worden gebracht. Daarom hebben we meer financiering nodig voor zulk risicovol onderzoek.”