Duurzaamheid is een belangrijk onderwerp binnen de luchtvaartindustrie. De grote drommen mensen en producten die dagelijks de wereld overvliegen produceren een enorme hoeveelheid vervuiling. Hoe kan dit beter? Diverse grootschalige onderzoeksprojecten, zoals het ASuMED-project, houden zich bezig met deze vraag. In het kader van dit project heeft Demaco de afgelopen jaren bijgedragen aan de ontwikkeling van een duurzame, supergeleidende motor voor vliegtuigen.
Duurzaamheid in de luchtvaartindustrie
Vliegvervoer brengt een zware belasting van het milieu met zich mee. De meeste vliegtuigen gebruiken meerdere kilogram brandstof per seconde, wat resulteert in de uitstoot van schadelijke stoffen zoals CO2, stikstofoxiden en fijnstof.
Om deze vervuiling zoveel mogelijk te beperken, heeft ACARE Flightpath 2050 enkele uitdagende duurzaamheidsdoelstellingen voor de luchtvaartindustrie opgesteld. Zo wordt er gestreefd om in 2050, ten opzichte van 2020:
- De CO2-uitstoot met 75% te verminderen.
- De uitstoot van stikstofoxiden en fijnstof met 90% te verminderen.
- Het geluidsniveau door vliegverkeer met 60% te verlagen.
Omdat verbeteringen van de conventionele vliegtuigconfiguraties hoogstwaarschijnlijk niet voldoende zullen zijn om deze doelstellingen op tijd te kunnen behalen, is onderzoek naar nieuwe technieken essentieel.
Het ASuMED-project
Eén van de manieren om vliegtuigen lichter en dus duurzamer te maken, is het ontwikkelen van een compacte, lichte en supergeleidende motor. Met dit doel is dan ook in 2017 het ASuMED-project in het leven geroepen.
Het ASuMED-project werd gefinancierd door de Europese Unie als onderdeel van het Horizon 2020 Research and Innovation Programme, en uitgevoerd door een ervaren consortium bestaande uit Air Liquide, Hochschule Aschaffenburg, Institute of Electrical Engineering, Karlsruher Institut für Technologie, K&S GmbH Projektmanagement, Oswald, Rolls-Royce, SuperOx, University of Cambridge en Demaco. Daarnaast was ook Airbus met een adviesrol betrokken bij het project.
Het uiteindelijke doel van het project was het ontwikkelen van een cryogenic engine die het brandstofverbruik en de uitstoot door vliegverkeer aanzienlijk kan verminderen.
Waarom een supergeleidende motor?
Supergeleiding is het verschijnsel dat bepaalde materialen bij extreme koeling geen elektrische weerstand meer hebben. De elektrische stroom wordt in dit geval niet belemmerd, wat mogelijkheden biedt voor compacte, maar zeer krachtige en effectieve elektrische toepassingen.
Ook bij elektromotoren geldt dit principe. Hoe beter geleidend het materiaal, hoe meer energie kan worden opgenomen en hoe compacter én lichter de motor zelf dus kan zijn.
De ASuMED cryogenic engine
De lichte en compacte ASuMED-engine maakt gebruik van supergeleiding om de vermogensdichtheden en efficiëntie te behalen die nodig zijn voor hybride-elektrische gedistribueerde voortstuwing (HEDP) van toekomstige grote burgervliegtuigen. Door het gebruik van cryogene gassen en een geavanceerd koelsysteem (auxiliary equipment) wordt de ASuMED-engine afgekoeld tot extreem lage temperaturen, waardoor supergeleiding wordt bereikt.
Hoe werkt dit precies? De cryogenic engine is gebaseerd op het dubbele cryostaatconcept en bevat dus twee gescheiden cryostaten en twee aparte koelsystemen. Eén voor de rotor en één voor de stator. De rotor wordt gekoeld met helium van 25 K (-248.15 °C) en de stator met vloeibaar waterstof van 20 K (-253,15 °C).
Tijdens het project was Oswald hoofdverantwoordelijk voor het ontwerpen van de stator en ontwikkelde Demaco samen met de University of Cambridge de rotor.
Het koelen van een bewegend object
Het koelen van een bewegend object, zoals de rotor in het ASuMED-project, is een grote uitdaging. Terwijl bij stilstaande materialen gebruik kan worden gemaakt van het principe van warmtegeleiding, is dit bij beweging nauwelijks mogelijk. Een alternatief, dat na zorgvuldige vergelijking en analyse als beste naar voren kwam, is koeling door middel van geforceerde convectie.
Door een circulatie van gasvormig helium in een gesloten systeem rondom de rotor in gang te zetten (closed-loop cooling), wordt deze continu gekoeld door een nieuwe stroom van koud gas.
Het helium wordt met een temperatuur van 25 K (-248.15 °C) langs de rotor geleid. Deze wordt hierdoor gekoeld, terwijl het gas iets opwarmt tot zo’n 30 K (-243,15 °C). Het licht opgewarmde gas wordt vervolgens vanzelf opgevangen, koelt met behulp van het koelsysteem weer af tot 25 K en stroomt opnieuw langs de rotor. Dit proces blijft zichzelf herhalen in een continue loop.
Hoe nu verder?
De eerste stappen zijn gezet. De FEM-analyse (met de eindige-elementen-methode) is uitgevoerd en het ontwerp van het systeem is afgerond. Het doel van het ASuMED-project is bereikt: samen met de rest van het consortium hebben we aangetoond dat een compacte en supergeleidende cryogenic engine voldoende energie kan opnemen voor toepassing in de luchtvaartindustrie.
Voordat deze echter kan worden gebruikt, is verder onderzoek in de vorm van tests en experimenten nodig. Deze zullen nieuwe inzichten geven in de manier waarop het systeem zich gedraagt onder verschillende omstandigheden (in warmte en kou, bijvoorbeeld) en maken het mogelijk om de werking van het koelsysteem te optimaliseren.
Demaco als adviseur in complexe cryogene vraagstukken
De werkwijze van Demaco is enorm divers. Zo hebben we teams die zich bezighouden met kortlopende standaardprojecten, zoals de levering van vacuüm geïsoleerde transferleidingen, of systemen voor bijvoorbeeld cryopreservatie.
Echter, een belangrijk deel van ons werk bestaat uit het bestuderen van complexe cryogene vraagstukken. Als prominente speler in de cryogene techniek worden we dan ook regelmatig gevraagd om een oplossing te vinden voor een cryogene uitdaging. De draaiende rotor in het ASuMED-project is hier een mooi voorbeeld van.
Onze betrokkenheid bij dergelijke projecten bestaat doorgaans uit veel meer dan alleen het leveren van een cryogeen product. We bieden een volledig project dat bestaat uit onder meer project management, cryogenic engineering en de juiste cryogene systemen.
Vaak leiden deze projecten tot mooie nieuwe uitvindingen. Zo heeft Demaco de nieuwe techniek achter de geavanceerde ASuMED-rotor inmiddels gepatenteerd en hopen we dat deze in de toekomst zal bijdragen aan een duurzamer luchtvaartindustrie.
Meer weten?
Vragen over de cryogenic engine en de rol die Demaco speelt bij vooruitstrevende cryogene vraagstukken? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer over ons werk.
