Met vliegers energie opwekken. Wereldwijd richten steeds meer wetenschappers zich op deze tak van sport. Ook aan de TU. Met windkracht vier kunnen onderzoekers van Luchtvaart en Ruimtevaarttechniek al een paar kilowatt opwekken. "Nu nog zorgen dat we van die joystick af komen."
Het zal een apart schouwspel zijn. Containerschepen met de wind in de rug die langs de horizon trekken, voortgetrokken door vliegers. Het Duitse bedrijf Skysails wil voor dit doel voor het eind van het jaar nog grote vliegers op de markt brengen. De bemanning hoeft slechts wat knopjes te bedienen om het gevaarte in de vorm van een parapente op te laten en na afloop weer binnen te halen. De intelligente vlieger stippelt zelf zijn route uit door de lucht.
Met automatisch aangestuurde vliegers windenergie benutten, Skysails is de eerste die het in de praktijk brengt, maar ze zal zeker niet de laatste zijn. Doordat vliegermaterialen de afgelopen tien jaar lichter en steviger zijn geworden, en computers sneller rekenen, is er een heuse wedloop ontstaan op technieken om met vliegers windenergie op te vangen. Vliegers kunnen razendsnel dwars op de wind vliegen, tot wel zeven maal harder dan de windsnelheid. De uiteindes van windmolenbladen evenaren die snelheid, maar als je de vliegerenergie op de een of andere manier kunt vangen, waarom zou je dan nog zoveel geld uitgeven aan de materiaalkosten van grote zware windmolens, redeneren onderzoekers.
Surfkite
Een van deze onderzoekers is dr. Richard Ruiterkamp van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. In zijn vrije tijd springt hij het liefst met een surfkite over golven. Maar doordeweeks is hij regelmatig te vinden op een kaal terrein langs de A4 met een enigszins aangepaste surfkite. Samen met collega-onderzoeker ir. Bas Lansdorp werkt hij aan de laddermolen, een vliegersysteem dat elektriciteit opwekt. Tien jaar geleden al werd het systeem bedacht en gepatenteerd door L&R-hoogleraar prof.dr. Wubbo Ockels, Nederlands bekendste pleitbezorger van vliegerenergie.
De laddermolen belooft nog revolutionairder te zijn dan de vlieger van Skysails. Het idee is simpel: een dynamo zet de trekkracht van de vlieger om in elektriciteit. Als de vlieger hard trekt, viert de lijn waardoor de dynamo wordt aangedreven. Hangt de vlieger even stil in de lucht, dan wordt er weer lijn binnengehaald. Het is een beetje vergelijkbaar met jojoën. Vorige maand lukte het de onderzoekers voor het eerst om er daadwerkelijk energie mee op te wekken.
Langs de zijkanten van de vlieger lopen rails waarover twee kleine radiografisch bestuurbare karretjes rijden. Aan de karretjes zitten de lijnen van de vlieger bevestigd. De vlieger wordt bestuurd door continu de posities van de karretjes bij te stellen.
Joystick
Uit een kleine vrachtwagen met daarin een grote spoel waar de lijn voor de vlieger opgewikkeld zit, haalt Ruiterkamp gps-aparatuur, versnellingsmeters, antennes, twee joysticks en een videocamera tevoorschijn. “Met de camera en de meetapparatuur leggen we alle bewegingen vast van de vlieger”, vertelt Ruiterkamp. “We houden bijvoorbeeld bij hoe scherp de vlieger bochten in duikt, hoe snel hij op onze commando’s reageert, hoe hard hij aan het touw trekt en welke hoek de vlieger aanneemt ten opzichte van de wind, de zogenaamde angle of attack.”
Deze gegevens hebben de onderzoekers nodig om een wiskundig model te maken van de vlieger. Dit gebruiken ze vervolgens om een controller te maken, een automatische vliegeraar die signalen stuurt waardoor de vlieger de beste positie in de wind zoekt en figuren vliegt waar hij de meeste energie mee opwekt. Om veel energie op te wekken moet hij snel vliegen. Achtjes draaien lijkt daarvoor in de praktijk het best.
Nu versturen de onderzoekers de signalen nog zelf naar de vlieger via een joystick. Richard is de vaste piloot van het vliegerteam van Ockels. Hij wist de vlieger enkele weken geleden . tijdens een perspresentatie . drie kwartier in de lucht te houden terwijl er nauwelijks wind stond. Maar ondanks zijn vliegerfaam, wil hij dat het gevaarte zo snel mogelijk volautomatisch capriolen kan maken. “We moeten zo snel mogelijk van die joystick af”, zegt hij. “Over een paar weken gaan we kijken of we met de computer signalen kunnen generen die de vlieger in de lucht houden. Als hij dreigt te crashen, nemen we weer snel de besturing over.”
Afkijken van Skysails, die al een controller hebben, kan niet. “Zij houden hun deuren gesloten”, zegt Lansdorp. “Bovendien vliegeren ze net even anders dan wij omdat ze geen elektriciteit opwekken. Wij laten de lijn vieren en halen hem weer binnen. Dat beïnvloedt de vliegeigenschappen. Ruiterkamp: “Wat wij doen is een ander spelletje.”
De onderzoekers zijn gezegend met een aardige bries tijdens hun meetsessie. Windkracht vier schat Lansdorp. “Met deze windsnelheid genereert de vlieger ongeveer twee kilowatt aan elektrisch vermogen. Daarvoor laten we hem vierhonderd meter de lucht in gaan.” De energie staat ongeveer gelijk aan wat vier Nederlandse huishoudens verbruiken.
Op termijn willen de onderzoekers de vlieger opschalen. Hij moet groter worden en hoger vliegen. Maar bovenal ook sneller. “De energie die de vlieger opwekt neemt kwadratisch toe met zijn snelheid”, zegt Lansdorp. Oftewel: een vlieger die twee keer sneller vliegt, haalt vier keer meer energie uit de lucht.
Voor snellere vliegers moeten de onderzoekers af van de surfkite. De vliegers moeten meer de vorm van vliegtuigjes krijgen. L&R-student Andreas Höllbacher heeft alvast een voorschot genomen op dit experimentele werk. Hij heeft van piepschuim en glasvezel een radiografisch vliegtuig gemaakt met een spanwijdte van zo’n anderhalve meter. Terwijl Lansdorp en Ruiterkamp hun vlieger uitrollen, is hij alvast wat tests aan het doen.
Höllbacher experimenteert met zelfgemaakte toestellen omdat die goedkoper zijn dan vliegtuigjes uit de winkel, en ze zijn sterker. Althans dat laatste is de bedoeling. “Het is de tweede keer dat ik dit probeer”, zegt hij. “De eerste keer crashte ik vrijwel direct. Het vliegtuig was meteen stuk.” Dit keer heeft de student meer geluk. Zijn toestel blijft een seconde in de lucht, stort neer en rolt een paar keer over de kop. Maar het blijft heel.
Statistieken
Aan de universiteit van Leuven wacht de wiskundige, prof.dr. Moritz Diehl op de meetgegevens van de Delftenaren. Aan hem de taak om het vlieggedrag van de laddermodel in een wiskundig model te vatten. “Naast het bedenken van een handig mechanisme om de vlieger op te laten en weer binnen te halen, is het automatisch in goede banen leiden van vliegers een van de grootste uitdagingen van het project”, zegt Diehl. “De wind kun je niet modeleren. Die verandert voortdurend. We moeten daarom statistieken in het model inbouwen die aangeven hoe snel en vaak de wind verandert, zodat de vlieger optimaal gebruik maakt van de veranderende windomstandigheden.
Een andere vaardigheid waarvan Diehl de controller moet voorzien, is het vermogen om af te wegen op welke hoogte hij de vlieger moet laten vliegen. “Als de wind overal gelijk zou zijn, zou je de meeste trekkracht uit de vlieger halen als hij vlak boven de horizon zweeft. Maar aangezien het hogerop harder waait, ligt de optimale hoek ten opzichte van de horizon meestal rond de dertig graden. De controller krijgt de verschillende windsterktes via sensoren op de vlieger aangereikt, en moet aan de hand daarvan de optimale koers bepalen.”
De komende weken gaat Diehl de data van de vlieger vergelijken met zijn model. “Waarschijnlijk moet ik het model wat uitbreiden”, zegt hij. “Ik denk dat ik meer rekening moet houden met het oscilleren van de vliegerlijn. Deze trilling zorgt voor extra weerstand. Ook gaat het model ervan uit dat de vlieger een hard voorwerp is. Maar in het echt vervormt het natuurlijk een beetje als het van koers verandert. Binnen drie maanden verwacht ik een controller klaar te hebben voor de Delftenaren.”
Vliegers koppelen
De meest bekende versie van de laddermolen, is het oorspronkelijke concept van prof. dr. Wubbo Ockels. Het bestaat uit een hele reeks van aan elkaar gekoppelde vliegers. In een soort verticaal rad, dat tot wel tien kilometer hoogte reikt, cirkelen vliegers op een neer. Het concept bestaat alleen nog op de tekentafel. “Deze laddermolen is wel erg complex”, zegt ir Bas Lansdorp. “Meerdere vliegers op een lijn op en neer laten ‘pompen’ is technisch meer haalbaar.”
Maar hoeveel vliegers kun je aan elkaar koppelen en hoe hoog kun je ze oplaten? “Er is eigenlijk geen limiet”, zegt prof. dr. Moritz Diehl van de universiteit van Leuven. “je kunt wel honderd vliegers gebruiken en ze op kilometers hoogte laten vliegeren. Je moet dan alleen wel de bovenste kwart van de lijn volhangen met vliegers, want daaronder zouden ze te langzaam gaan. Ze zitten dan immers dichter bij het grondstation en leggen daar kleinere afstanden af. Het opschalen van de vliegersystemen pakt verder heel gunstig uit. De dikte van de lijn neemt weliswaar exponentieel toe met de lengte. Maar de luchtweerstand die de lijn veroorzaakt neemt veel minder snel toe.”
Diehl heeft uitgerekend dat hij met een vlieger ter grootte van de vleugels van een Boeing747, vijf megawatt zou kunnen opwekken. Daarvoor heeft hij een lijn nodig van zeseneenhalve centimeter dik en 1,3 kilometer lang. “Maar we moeten niet te snel gaan”, relativeert hij. “We kunnen met de bestaande laddermolen ongeveer drie kilowatt opwekken. De volgende stap is om een honderd kilowatt machine te maken.”
@04 fotokopje:Een biologisch geïnspireerd vliegermodel
“Bij constante wind een geautomatiseerde vlieger figuurtjes laten vliegen, dat is nog wel te doen”, meent ir. Allister Furey van de universiteit van Sussex in Engeland. Maar dat de wind nooit constant is, dat weet de onderzoeker, die ook fervent kitesurfer is, uit eigen ervaring. Hij ontwikkelde daarom een neuraal netwerk waarbij algoritmes zelf leren vliegeren. Net als in de evolutie overleven alleen de vaardigste ‘individuen’. Na meerdere algoritmegeneraties had Furey vliegermodellen op zijn scherm die handig inspeelden op de veranderende windomstandigheden. “Ze hadden zelfs begrepen dat ze bij weinig wind beter geen achtjes konden draaien vlak boven het water omdat de kans dat ze dan zouden neerstorten erg groot was.”
Aan de Universiteit van Turijn hebben vliegtuigonderzoekers ook een spectaculair plan bedacht. Ze willen tientallen vliegers laten ronddraaien in een carrousel met een diameter van een kilometer. (Artist impression: Kite Gen)
Het zal een apart schouwspel zijn. Containerschepen met de wind in de rug die langs de horizon trekken, voortgetrokken door vliegers. Het Duitse bedrijf Skysails wil voor dit doel voor het eind van het jaar nog grote vliegers op de markt brengen. De bemanning hoeft slechts wat knopjes te bedienen om het gevaarte in de vorm van een parapente op te laten en na afloop weer binnen te halen. De intelligente vlieger stippelt zelf zijn route uit door de lucht.
Met automatisch aangestuurde vliegers windenergie benutten, Skysails is de eerste die het in de praktijk brengt, maar ze zal zeker niet de laatste zijn. Doordat vliegermaterialen de afgelopen tien jaar lichter en steviger zijn geworden, en computers sneller rekenen, is er een heuse wedloop ontstaan op technieken om met vliegers windenergie op te vangen. Vliegers kunnen razendsnel dwars op de wind vliegen, tot wel zeven maal harder dan de windsnelheid. De uiteindes van windmolenbladen evenaren die snelheid, maar als je de vliegerenergie op de een of andere manier kunt vangen, waarom zou je dan nog zoveel geld uitgeven aan de materiaalkosten van grote zware windmolens, redeneren onderzoekers.
Surfkite
Een van deze onderzoekers is dr. Richard Ruiterkamp van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. In zijn vrije tijd springt hij het liefst met een surfkite over golven. Maar doordeweeks is hij regelmatig te vinden op een kaal terrein langs de A4 met een enigszins aangepaste surfkite. Samen met collega-onderzoeker ir. Bas Lansdorp werkt hij aan de laddermolen, een vliegersysteem dat elektriciteit opwekt. Tien jaar geleden al werd het systeem bedacht en gepatenteerd door L&R-hoogleraar prof.dr. Wubbo Ockels, Nederlands bekendste pleitbezorger van vliegerenergie.
De laddermolen belooft nog revolutionairder te zijn dan de vlieger van Skysails. Het idee is simpel: een dynamo zet de trekkracht van de vlieger om in elektriciteit. Als de vlieger hard trekt, viert de lijn waardoor de dynamo wordt aangedreven. Hangt de vlieger even stil in de lucht, dan wordt er weer lijn binnengehaald. Het is een beetje vergelijkbaar met jojoën. Vorige maand lukte het de onderzoekers voor het eerst om er daadwerkelijk energie mee op te wekken.
Langs de zijkanten van de vlieger lopen rails waarover twee kleine radiografisch bestuurbare karretjes rijden. Aan de karretjes zitten de lijnen van de vlieger bevestigd. De vlieger wordt bestuurd door continu de posities van de karretjes bij te stellen.
Joystick
Uit een kleine vrachtwagen met daarin een grote spoel waar de lijn voor de vlieger opgewikkeld zit, haalt Ruiterkamp gps-aparatuur, versnellingsmeters, antennes, twee joysticks en een videocamera tevoorschijn. “Met de camera en de meetapparatuur leggen we alle bewegingen vast van de vlieger”, vertelt Ruiterkamp. “We houden bijvoorbeeld bij hoe scherp de vlieger bochten in duikt, hoe snel hij op onze commando’s reageert, hoe hard hij aan het touw trekt en welke hoek de vlieger aanneemt ten opzichte van de wind, de zogenaamde angle of attack.”
Deze gegevens hebben de onderzoekers nodig om een wiskundig model te maken van de vlieger. Dit gebruiken ze vervolgens om een controller te maken, een automatische vliegeraar die signalen stuurt waardoor de vlieger de beste positie in de wind zoekt en figuren vliegt waar hij de meeste energie mee opwekt. Om veel energie op te wekken moet hij snel vliegen. Achtjes draaien lijkt daarvoor in de praktijk het best.
Nu versturen de onderzoekers de signalen nog zelf naar de vlieger via een joystick. Richard is de vaste piloot van het vliegerteam van Ockels. Hij wist de vlieger enkele weken geleden . tijdens een perspresentatie . drie kwartier in de lucht te houden terwijl er nauwelijks wind stond. Maar ondanks zijn vliegerfaam, wil hij dat het gevaarte zo snel mogelijk volautomatisch capriolen kan maken. “We moeten zo snel mogelijk van die joystick af”, zegt hij. “Over een paar weken gaan we kijken of we met de computer signalen kunnen generen die de vlieger in de lucht houden. Als hij dreigt te crashen, nemen we weer snel de besturing over.”
Afkijken van Skysails, die al een controller hebben, kan niet. “Zij houden hun deuren gesloten”, zegt Lansdorp. “Bovendien vliegeren ze net even anders dan wij omdat ze geen elektriciteit opwekken. Wij laten de lijn vieren en halen hem weer binnen. Dat beïnvloedt de vliegeigenschappen. Ruiterkamp: “Wat wij doen is een ander spelletje.”
De onderzoekers zijn gezegend met een aardige bries tijdens hun meetsessie. Windkracht vier schat Lansdorp. “Met deze windsnelheid genereert de vlieger ongeveer twee kilowatt aan elektrisch vermogen. Daarvoor laten we hem vierhonderd meter de lucht in gaan.” De energie staat ongeveer gelijk aan wat vier Nederlandse huishoudens verbruiken.
Op termijn willen de onderzoekers de vlieger opschalen. Hij moet groter worden en hoger vliegen. Maar bovenal ook sneller. “De energie die de vlieger opwekt neemt kwadratisch toe met zijn snelheid”, zegt Lansdorp. Oftewel: een vlieger die twee keer sneller vliegt, haalt vier keer meer energie uit de lucht.
Voor snellere vliegers moeten de onderzoekers af van de surfkite. De vliegers moeten meer de vorm van vliegtuigjes krijgen. L&R-student Andreas Höllbacher heeft alvast een voorschot genomen op dit experimentele werk. Hij heeft van piepschuim en glasvezel een radiografisch vliegtuig gemaakt met een spanwijdte van zo’n anderhalve meter. Terwijl Lansdorp en Ruiterkamp hun vlieger uitrollen, is hij alvast wat tests aan het doen.
Höllbacher experimenteert met zelfgemaakte toestellen omdat die goedkoper zijn dan vliegtuigjes uit de winkel, en ze zijn sterker. Althans dat laatste is de bedoeling. “Het is de tweede keer dat ik dit probeer”, zegt hij. “De eerste keer crashte ik vrijwel direct. Het vliegtuig was meteen stuk.” Dit keer heeft de student meer geluk. Zijn toestel blijft een seconde in de lucht, stort neer en rolt een paar keer over de kop. Maar het blijft heel.
Statistieken
Aan de universiteit van Leuven wacht de wiskundige, prof.dr. Moritz Diehl op de meetgegevens van de Delftenaren. Aan hem de taak om het vlieggedrag van de laddermodel in een wiskundig model te vatten. “Naast het bedenken van een handig mechanisme om de vlieger op te laten en weer binnen te halen, is het automatisch in goede banen leiden van vliegers een van de grootste uitdagingen van het project”, zegt Diehl. “De wind kun je niet modeleren. Die verandert voortdurend. We moeten daarom statistieken in het model inbouwen die aangeven hoe snel en vaak de wind verandert, zodat de vlieger optimaal gebruik maakt van de veranderende windomstandigheden.
Een andere vaardigheid waarvan Diehl de controller moet voorzien, is het vermogen om af te wegen op welke hoogte hij de vlieger moet laten vliegen. “Als de wind overal gelijk zou zijn, zou je de meeste trekkracht uit de vlieger halen als hij vlak boven de horizon zweeft. Maar aangezien het hogerop harder waait, ligt de optimale hoek ten opzichte van de horizon meestal rond de dertig graden. De controller krijgt de verschillende windsterktes via sensoren op de vlieger aangereikt, en moet aan de hand daarvan de optimale koers bepalen.”
De komende weken gaat Diehl de data van de vlieger vergelijken met zijn model. “Waarschijnlijk moet ik het model wat uitbreiden”, zegt hij. “Ik denk dat ik meer rekening moet houden met het oscilleren van de vliegerlijn. Deze trilling zorgt voor extra weerstand. Ook gaat het model ervan uit dat de vlieger een hard voorwerp is. Maar in het echt vervormt het natuurlijk een beetje als het van koers verandert. Binnen drie maanden verwacht ik een controller klaar te hebben voor de Delftenaren.”
Vliegers koppelen
De meest bekende versie van de laddermolen, is het oorspronkelijke concept van prof. dr. Wubbo Ockels. Het bestaat uit een hele reeks van aan elkaar gekoppelde vliegers. In een soort verticaal rad, dat tot wel tien kilometer hoogte reikt, cirkelen vliegers op een neer. Het concept bestaat alleen nog op de tekentafel. “Deze laddermolen is wel erg complex”, zegt ir Bas Lansdorp. “Meerdere vliegers op een lijn op en neer laten ‘pompen’ is technisch meer haalbaar.”
Maar hoeveel vliegers kun je aan elkaar koppelen en hoe hoog kun je ze oplaten? “Er is eigenlijk geen limiet”, zegt prof. dr. Moritz Diehl van de universiteit van Leuven. “je kunt wel honderd vliegers gebruiken en ze op kilometers hoogte laten vliegeren. Je moet dan alleen wel de bovenste kwart van de lijn volhangen met vliegers, want daaronder zouden ze te langzaam gaan. Ze zitten dan immers dichter bij het grondstation en leggen daar kleinere afstanden af. Het opschalen van de vliegersystemen pakt verder heel gunstig uit. De dikte van de lijn neemt weliswaar exponentieel toe met de lengte. Maar de luchtweerstand die de lijn veroorzaakt neemt veel minder snel toe.”
Diehl heeft uitgerekend dat hij met een vlieger ter grootte van de vleugels van een Boeing747, vijf megawatt zou kunnen opwekken. Daarvoor heeft hij een lijn nodig van zeseneenhalve centimeter dik en 1,3 kilometer lang. “Maar we moeten niet te snel gaan”, relativeert hij. “We kunnen met de bestaande laddermolen ongeveer drie kilowatt opwekken. De volgende stap is om een honderd kilowatt machine te maken.”
@04 fotokopje:Een biologisch geïnspireerd vliegermodel
“Bij constante wind een geautomatiseerde vlieger figuurtjes laten vliegen, dat is nog wel te doen”, meent ir. Allister Furey van de universiteit van Sussex in Engeland. Maar dat de wind nooit constant is, dat weet de onderzoeker, die ook fervent kitesurfer is, uit eigen ervaring. Hij ontwikkelde daarom een neuraal netwerk waarbij algoritmes zelf leren vliegeren. Net als in de evolutie overleven alleen de vaardigste ‘individuen’. Na meerdere algoritmegeneraties had Furey vliegermodellen op zijn scherm die handig inspeelden op de veranderende windomstandigheden. “Ze hadden zelfs begrepen dat ze bij weinig wind beter geen achtjes konden draaien vlak boven het water omdat de kans dat ze dan zouden neerstorten erg groot was.”
Aan de Universiteit van Turijn hebben vliegtuigonderzoekers ook een spectaculair plan bedacht. Ze willen tientallen vliegers laten ronddraaien in een carrousel met een diameter van een kilometer. (Artist impression: Kite Gen)
Comments are closed.