Delftse onderzoekers stonden versteld van hun ontdekking: door een klein object op een vliegtuigvleugel te plaatsen, dáált de luchtweerstand juist. De vondst kan misschien leiden tot minder CO2-uitstoot in de luchtvaart. Maar het luistert nauw.
Toen ze de resultaten van hun experiment onder ogen kregen, keken de Delftse wetenschappers elkaar verbaasd aan. Het kon eigenlijk niet, wat Marios Kotsonis en zijn onderzoeksteam zagen gebeuren in hun lab. De uitkomst van de proef die ze in hun windtunnel hadden gedaan was zo vreemd dat er ergens een fout moest zijn gemaakt. Dus deden ze de test opnieuw. Uitkomst: precies dezelfde.
Kotsonis onderzoekt als hoogleraar flow control aan de TU Delft onder meer hoe lucht langs de vleugels van een vliegtuig stroomt. Hij en zijn team zijn vooral geïnteresseerd in manieren om die luchtstromen te verbeteren, bijvoorbeeld om een vleugel maximaal draagkracht te laten leveren. Of om te onderzoeken hoe de weerstand kan worden verminderd. Dat verlaagt immers het brandstofverbruik en daarmee de CO2-uitstoot van een vliegtuig. Belangrijk onderzoek, want de luchtvaart is een grote bron van kooldioxide en is lastig te vergroenen.
Dus toen de Delftse onderzoekers zagen hoe de luchtweerstand dramatisch daalde dankzij een kleine ingreep, waren ze verbaasd en hoopvol tegelijk. Al dachten ze dus eerst dat ze een fout hadden gemaakt.
Over de auteur
Bard van de Weijer is economieredacteur van de Volkskrant en specialist op het gebied van de energietransitie. Hij richt zich op de vraagstukken waar consumenten, bedrijven en overheden voor staan.
Die ingreep is bijna onbeduidend. Boven op de vleugel hadden de wetenschappers een heuveltje geplaatst, een kleine snelheidsdrempel voor luchtstromen. Niet eens met het doel om de weerstand te verlagen, maar vooral om de luchtstroom te verstoren en vervolgens te kijken wat er dan precies gebeurt.
Zo’n heuveltje heeft eigenlijk altijd hetzelfde effect: het verhoogt de luchtweerstand. Maar nu gebeurde het omgekeerde: in plaats van de stroming te verstoren, bleef de lucht de vleugel veel beter volgen. Maar alleen als het heuveltje geplaatst werd op precies deze plek. En als het precies dit heuveltje was. Iets hoger of lager, iets meer naar voren of naar achteren en de weerstand steeg fors, eigenlijk zoals verwacht. De ervaren onderzoekers waren compleet verrast door het effect.
Het klinkt vreemd, maar hoe luchtweerstand bij een vleugel ontstaat, is deels nog altijd in nevelen gehuld. Bekend is dat er grofweg twee luchtstromingen zijn: de laminaire, waarbij de voorbijrazende lucht in dunne laagjes de vorm van de vleugel volgt, en de turbulente, die wervelingen veroorzaakt. Hoe langer de laminaire luchtstroom intact blijft, hoe beter. Want lucht die de vleugel perfect volgt, veroorzaakt minder weerstand.
Om te kunnen begrijpen hoe een vleugel werkt en hoe weerstand ontstaat, moet je enorm precies kijken wat er gebeurt als lucht met grote snelheid langs een vleugel stroomt. In het begin, als de lucht de vleugel raakt, volgt de stroom mooi het vleugeloppervlak. Maar al snel raakt de luchtstroom ontregeld en ontstaan turbulente wervelingen. Die veroorzaken weerstand. ‘Je wilt dat de lucht de vorm van de vleugel zo lang mogelijk volgt’, zegt Kotsonis.
Helaas is de praktijk zoals zo vaak weerbarstig en bestaat deze ideale ‘laminaire’ toestand maar zeer kort. Vaak al na enkele centimeters raakt de keurige luchtstroom verstoord en schiet hij alle kanten op. Met meer weerstand als ongewenst effect.
Waarom de fraaie luchtlaagjes in het honderd lopen, kun je het best uitleggen met de beroemde uitspraak over een vlinder die ergens zijn vleugels uitslaat, zegt Jordi Casacuberta van het Delftse onderzoeksteam. Als een vlinder in Californië zijn vleugels beweegt, ontstaat in Japan een tyfoon, wil het gezegde. Precies dit gebeurt bij een vleugel in volle vaart: als ergens in de millimeterdunne laminaire luchtstroom een minuscule verstoring optreedt, gaat het verderop geheid mis.
Het ideaal is daarom een vleugel zonder oneffenheden. ‘Als ik mijn eerstejaarsstudenten vraag: wat is beter, een gladde vleugel of niet, dan zegt iedereen glad’, zegt Kotsonis. Maar de volmaakt gladde vleugel bestaat alleen in het lab. Vliegtuigvleugels zitten vol met hobbels: popnagels, kleppen, deurtjes, naden, regendruppels, vogelpoep; zelfs een geplette mug kan de ideale luchtstroom al verstoren.
Over hoe dat precies gaat en wat eraan te doen is, breken onderzoekers wereldwijd zich het hoofd. Een paar jaar geleden kreeg het Delftse team dankzij een Europese prijs de kans meer onderzoek te doen naar het precieze effect van ongewenste hindernissen op de luchtweerstand.
Voor zulk onderzoek hebben ze op de campus hun eigen windtunnel, die in de jaren vijftig is gebouwd met geld van het Marshallplan. Het lab ademt nog altijd de sfeer uit die tijd, met zijn prachtige hardhouten vloer. Dat de tijd hier stil lijkt te staan, komt ook doordat het gebouw destijds letterlijk om de tunnel is gebouwd. Het kan hierdoor niet zomaar even worden verbouwd, laat staan verplaatst, zoals met veel andere Delftse laboratoria de afgelopen decennia wel is gebeurd.
Het windtunnelgebouw oogt her en der als Willy Wonka’s chocoladefabriek, met al zijn nauwe gangen die over en onder de tunnelbuizen lopen. En dan is er ook nog die ruimte met een enorm rooster waarboven een manshoge trechter uit het plafond steekt, die elk moment de jonge veelvraat Caspar Slok lijkt te kunnen verzwelgen, net als in het beroemde boek van Roald Dahl.
Ondanks de ontzagwekkende omvang van de installaties, gaat het onderzoek in het Lage-snelheid Windtunnel Lab uiteindelijk om de kleinste trillingen, om minieme veranderingen in snelle luchtstromingen, die alleen precisieapparatuur kan registreren.
Kotsonis is trots op zijn werkplek. Het gebouw en de installatie mogen dan ruim een halve eeuw oud zijn, ze behoren nog altijd tot de meest vooraanstaande onderzoekstunnels in de wereld, zegt de hoogleraar. Ook dankzij alle moderne meetapparatuur die is opgesteld, die varieert van lasers om trillingen te meten, tot series van microfoons die in een stille ruimte verstoringen in drie dimensies kunnen registreren.
Tijdens een van deze experimenten stuitten de Delftse onderzoekers op hun merkwaardige bevinding. ‘We hadden opzettelijk een hobbeltje op de vleugel geplaatst om te kijken waar precies wervelingen ontstonden’, zegt Kotsonis. Uitgaande van het idee dat alles wat je toevoegt aan een vleugel slecht is. ‘We wilden weten hoe slecht bepaalde toevoegingen precies zijn, maar tot onze verrassing bleef bij een van deze tests de laminaire luchtstroom juist veel langer intact.’
In plaats van enkele centimeters volgde de stroom de vleugel plotseling decimeters lang, bleek uit de windtunnelexperimenten. De onderzoekers raakten geïntrigeerd en besloten dezelfde opstelling ook in een computersimulatie na te bootsen. Zo’n test gebeurt niet dagelijks, omdat simulaties zo veel rekenkracht vergen dat de Delftse onderzoekers er maar een of twee per jaar kunnen doen, op een supercomputer in Amsterdam.
Tot hun verrassing kwam uit de simulatie hetzelfde effect naar voren. ‘De werking van het heuveltje zit dus al in ons computermodel verstopt’, zegt Casacuberta. ‘We hadden het alleen nooit eerder gezien.’
De simulatie bevestigde dus wat de onderzoekers in het echt hadden gezien.
Bekend was al dat bepaalde hindernissen op de vleugel een positief effect kunnen hebben, maar zo groot als hier was niet eerder waargenomen, zeggen de Delftse wetenschappers.
Hoe groot is groot precies?
De eerste voorspellingen laten zien dat 15 procent brandstofbesparing mogelijk is. Dat is spectaculair, zegt Kotsonis. Elke tien tot vijftien jaar komt er een nieuwe generatie passagierstoestellen op de markt, die in aerodynamisch opzicht zo’n 2 tot 3 procent minder weerstand heeft. Nu zou er in een klap zomaar 15 procent vanaf kunnen.
Liggen Airbus, Boeing en Embraer al voor de deur? Kotsonis grinnikt. Niet dus. Hoeveel besparing in de praktijk haalbaar is, is tricky, zegt hij. ‘Ik ben alert op opgeblazen statements.’ Natuurlijk praten we met vliegtuigbouwers, zegt hij. Maar de industrie werkt om allerlei goede redenen langzaam en is conservatief. ‘Wij zijn wetenschappers met een kleine windtunnel. In onze modellen werkt het, maar tot we het in de praktijk hebben aangetoond zal de industrie afwachtend zijn.’
Het is ook niet even een bult op een bestaande vleugel zetten, zegt Casacuberta. ‘Het vergt nog veel onderzoek om het werkend te krijgen, en in de meeste gevallen zal het resultaat minder goed zijn dan in het lab.’
In de echte wereld is er turbulentie, zijn er allerlei vormen van vervuiling. Misschien kan de ‘bult’ niet zomaar op de ideale plaats op de vleugel worden gezet, omdat daar een andere essentiële component zit.
Kotsonis: ‘Ik vertel mijn studenten altijd: 99 procent van de ontdekkingen die we hier doen, komen nooit het lab uit. Die werken alleen in de ideale wereld en niet in de echte.’
Dus zullen de onderzoekers in hun lab eerst de echte wereld nabootsen. Met vogelpoep en muggen en andere vervuiling. Als de bult dan nog steeds werkt, komt-ie mogelijk het lab uit. ‘Maar nu is er geen enkele garantie.’
Toch hebben de wetenschappers patent aangevraagd voor hun vondst en denken ze aan een spin-off die het idee naar de markt kan brengen.
Het Delftse onderzoek is onderdeel van een programma van de European Research Council. Dat heeft als doel gekke ideeën te ondersteunen. Kotsonis kreeg eerder 1,5 miljoen euro uit dit programmafonds om zijn onderzoek te doen. Nu het fundamentele onderzoek tot resultaten heeft geleid, ontving hij 1,5 ton extra om te kijken of het idee naar de markt gebracht kan worden. ‘Omdat bedrijven nu nog niet bereid zijn hierin te investeren, proberen ze met dit extra bedrag het idee verder te ontwikkelen.’
Als het werkt en de Delftse bult op toekomstige vliegtuigvleugels wordt gezet, kan dit dus een enorme besparing betekenen. ‘Maar’, zegt Kotsonis, ‘ik wil benadrukken dat we nog veel andere dingen moeten doen om het klimaat te beschermen, zoals überhaupt minder vliegen. Onze bult zal niet de planeet redden.’
De Delftse onderzoekers richten zich vooral op de luchtvaart, maar ze zien wellicht ook mogelijkheden om bijvoorbeeld rotors van windturbines efficiënter te maken. Al heeft luchtvaart een groot voordeel, omdat tijdens de vlucht op kruissnelheid alle omstandigheden doorgaans redelijk stabiel zijn: de snelheid waarmee het toestel vliegt en de windsnelheid op grote hoogte en daarmee de snelheid en richting waarin de lucht langs de vleugel stroomt.
Tijdens de start en landing en op lagere hoogte zijn er veel meer verstoringen, maar dat is geen ramp, omdat het grootste stuk van een vlucht op kruishoogte gebeurt.
Bij windturbines is dat anders: daar is niet alleen de wind variabel, maar veroorzaken ook de rotors van turbines in de buurt verstoringen. De Delftse ‘bult’ is daarom waarschijnlijk minder effectief bij turbines. ‘Maar we hebben wel geleerd nooit nooit te zeggen’, stelt Kotsonis. ‘Twee jaar geleden dachten we nog dat elke oneffenheid op een vleugel slecht is. En kijk nu eens.’
Om u deze content te kunnen laten zien, hebben wij uw toestemming nodig om cookies te plaatsen. Open uw cookie-instellingen om te kiezen welke cookies u wilt accepteren. Voor een optimale gebruikservaring van onze site selecteert u "Accepteer alles". U kunt ook alleen de sociale content aanzetten: vink hiervoor "Cookies accepteren van sociale media" aan.
U bent niet ingelogd
Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2023 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden