Waterstof is een duurzaam alternatief voor vliegen op kerosine, omdat er geen CO₂ bij vrij komt. Maar aan waterstof zitten ook de nodige uitdagingen en risico’s, zoals explosiegevaar. Met wiskundige berekeningen en experimenten hoopt Dr. Ivan Langella aan de TU Delft een waterstofmotor te ontwikkelen waarmee vliegtuigen veilig en efficiënt de lucht in kunnen.

Hoewel veel vliegtuigen momenteel vanwege corona aan de grond staan, is de luchtvaart achter de schermen volop in ontwikkeling. Onder andere op het gebied van duurzaamheid. Momenteel is de luchtvaart verantwoordelijk voor ongeveer drie procent van de wereldwijde CO₂-uitstoot, en zonder andere energiebronnen zou dit cijfer in de komende drie decennia kunnen oplopen tot een kwart van de wereldwijde uitstoot. En dan hebben we het nog niet over gevaarlijke emissies zoals stikstofoxiden. Er is dus nog veel ruimte voor vooruitgang binnen de luchtvaartsector als het gaat om duurzaamheid, zegt Ivan Langella, assistant professor Sustainable Aircraft Propulsion. “De huidige vliegtuigmotoren die op kerosine draaien, veroorzaken een hoge CO₂-emissie. Willen we verdere klimaatverandering tegengaan, dan moet de luchtvaart dus veel schoner worden. Zeker met oog op toename van het aantal vliegbewegingen. Een van de technologieën die daaraan kan bijdragen, is waterstof. Bij het verbranden van waterstof komt namelijk geen CO₂ vrij.”

Om de waterstofmotor zo efficiënt mogelijk te ontwerpen om hem in een vliegtuig te kunnen integreren, is een andere uitdaging.

Ivan Langella

Schonere brandstof, maar met risico’s

Als ingenieur Luchtvaart- en Ruimtevaarttechnologie met een specialisatie in vloeistofdynamica speelt Langella een belangrijke rol bij de ontwikkeling van waterstofmotoren voor vliegtuigen. “Er zijn al auto’s die rijden op waterstof, maar voor vliegtuigen bestaat nog geen goed werkende waterstofmotor. Er is nog veel onderzoek nodig over wat haalbaar is voor de luchtvaart en hoe zo’n motor efficiënt kan worden toegepast op vliegtuigen, vooral op de grotere. Een van de uitdagingen is de instabiliteit van de vlam bij de ontbranding in een waterstofmotor. Hierdoor kan de vlam zich richting de tank bewegen, dit wordt ook wel vlamterugslag genoemd. Met als gevolg aanzienlijk explosiegevaar. We moeten dus de betrouwbaarheid van de motor verbeteren”.

Ondanks het feit dat een kilo waterstof drie keer meer energie oplevert dan een kilo kerosine, zijn voor waterstof veel grotere tanks nodig, zelfs in vloeibare vorm. Hierdoor zullen met waterstof aangedreven vliegtuigen groter zijn dan met kerosine aangedreven vliegtuigen. De kunst is om een waterstofmotor en -opslagtank te ontwikkelen zonder afbreuk te doen aan het gewicht en de aërodynamische efficiëntie van het vliegtuig, want dit zou betekenen dat meer energie nodig is en er dus meer brandstof wordt verbruikt. Dit betekent dat we in de toekomst wellicht heel anders gevormde vliegtuigen in de lucht zullen zien dan we gewend zijn.

Complexe processen verbrandingsmotor

Een verbrandingsmotor bestaat uit verschillende onderdelen, legt Langella uit. “De belangrijkste zijn de compressor –die de lucht samenperst en vermengt met de brandstof–, de turbine –die de compressor aandrijft– en de verbrandingskamer, waarin vloeistof en gas worden omgezet in energie. Ik doe met name onderzoek naar dat laatste onderdeel. Ik vind het fascinerend hoe vloeistoffen en gassen op elkaar reageren en zo gebruikt kunnen worden om energie te leveren. In verbrandingsmotoren van vliegtuigen zijn die processen extra complex, er komt veel natuurkunde en wiskunde bij kijken. Maar dat vind ik juist interessant. Daarnaast heb ik van kinds af aan een obsessie met vliegtuigen. In de draaimolen ging ik standaard in het vliegtuigje zitten. Ik vind het supertof dat al die elementen en interesses samenkomen in mijn werk.”

Veel expertise en partners aanwezig

Langella behaalde in z’n geboorteland Italië een master in Aerospace Engineering. Vervolgens deed hij een PhD Mechanical Engineering en postdoc in Cambridge en werkte hij als assistent-professor in Thermofluids science and Engineering aan de Loughborough University. Afgelopen mei ging hij in Delft aan de slag als assistant-professor. “De TU Delft is een van ’s werelds meest vooraanstaande universiteiten op het gebied van luchtvaart- en ruimtevaarttechniek. Er is veel kennis aanwezig en de universiteit beschikt over uitgebreide mogelijkheden voor labonderzoek, experimenten, simulaties en verwerking van data met krachtige computers en servers. Daarnaast loopt Nederland voorop bij de ontwikkeling van waterstoftechnologie. Niet alleen de industrie, maar ook de overheid investeert veel geld in onderzoek naar schone energie. Ik kan hier veel samenwerken met vliegtuigbouwer Airbus en KLM, wier prioriteiten voor de lange termijn nog steeds gericht zijn op emissievrije vluchten, ondanks dat ze het zwaar hebben in verband met het coronavirus.”

Perfecte balans tussen vermogen en emissie

Langella werkt met zijn onderzoeksgroep in Delft op verschillende manieren aan de ontwikkeling van een waterstofmotor. “Een van de dingen waar we naar kijken is het stabiel krijgen van de vlam in de verbrandingskamer. Bij de verbranding van lucht en waterstof ontstaat stikstofoxide (NO₂). De uitstoot daarvan wil je zo laag mogelijk houden, in hoge concentraties is NO₂ schadelijk. Maar te weinig stikstof zorgt weer voor een instabiele vlam. We zijn dus op zoek naar de optimale balans. Daarvoor ben ik bezig met wiskundige berekeningen en werk ik aan een numeriek model. Op basis daarvan kunnen we aannames en voorspellingen doen, die we vervolgens testen in experimenten met een prototype. Als een aanname klopt, schalen we het experiment op. Net zo lang tot we een stabiele, schone vlam hebben. Zo gaat alles stapje voor stapje.”

Impact milieu, maatschappij en kennis

Langella vindt het een mooie gedachte om met zijn onderzoek bij te dragen aan de ontwikkeling van schonere technologie. “Dat is niet alleen belangrijk voor het milieu, maar ook voor de maatschappij. De kwaliteit van de lucht en natuur hangt in grote mate samen met de kwaliteit van leven van mensen. Het onderzoek heeft dus belangrijke sociale waarde. Wat verder interessant is, is dat deze technologie mogelijk ook bruikbaar is voor energiecentrales. De fysische elementen achter de techniek zijn namelijk vergelijkbaar, al is de toepassing in vliegtuigmotoren wat gecompliceerder. Dankzij investeringen in onderzoek lopen Nederland en de TU Delft voorop, wat bijdraagt aan hun rol als global leader op het gebied van zowel waterstoftechnologie als schone luchtvaart.”

Meerdere soorten waterstofmotoren

Hoe de waterstofmotor voor vliegtuigen er uiteindelijk gaat uitzien, is volgens Langella nog lastig te zeggen. “Er zijn meerdere oplossingen mogelijk. We zijn zeker niet de enige onderzoekers die zich hiermee bezig houden. Ook in Delft richten we ons op verschillende ontwerpen, zoals een motor die op een mix van waterstof en kerosine loopt. Die is weliswaar niet volledig emissievrij, maar draagt in ieder geval bij aan het verlagen van CO₂-voetafdruk van een vliegtuig. Dat zou al een geweldige stap zijn. Zo’n hybride motor is ook sneller te realiseren, mogelijk al binnen vijf tot tien jaar. Het toepassen van een motor die volledig op waterstof loopt, vraagt om grondige aanpassingen. Toestellen moeten worden uitgerust met andere brandstoftanks en motoren en het brandstoftransport op vliegvelden moet anders worden ingericht.”

Hogere prijs, maar milieu staat voorop

Ander belangrijk aandachtspunt is de manier waarop waterstof wordt geproduceerd, zegt Langella tot slot. “Een van de methodes om waterstof om te zetten in energie is elektrolyse. Voor dat proces is zelf ook weer energie nodig. Als je daar fossiele bronnen voor gebruikt, vlieg je alsnog niet duurzaam. Een andere uitdaging is om de waterstofmotor zo efficiënt mogelijk te ontwerpen en in een vliegtuig te integreren. De kans is groot dat waterstof een wat duurdere brandstof zal zijn dan kerosine, zeker in eerste instantie. Maar gezien de voordelen die het oplevert voor mens en milieu moeten we dat maar accepteren.”

Wellicht zien we in de toekomst vliegtuigen met een heel andere vorm overvliegen dan we nu gewend zijn.

Ivan Langella
/* */