IN DE SWAMPS van het Florida van de jaren vijftig verstoorde een luid gebrul af en toe de sereniteit van de plaatselijke alligators. Onder strikte geheimhouding testten ingenieurs van het ruimtevaartbedrijf Pratt & Whitney een nieuw type motor die werd aangedreven door een vreemde substantie die klaarblijkelijk werd aangevoerd vanuit een kunstmestfabriek in het nabijgelegen stadje Apix. In werkelijkheid was de stad slechts een naam op een kaart en was de kunstmestfabriek een list om de Russen voor de gek te houden. De ongeregeldheden waren het gevolg van Project Suntan, een poging van de Amerikaanse luchtmacht om een vliegtuig te bouwen dat op waterstof liep. Het werkte bijna. De motoren werkten succesvol, maar de opslag en levering van de waterstof zelf bleek te duur om de productie voort te zetten.
Uw browser ondersteunt het <audio> element niet.
Maak gebruik van meer audio en podcasts op iOS of Android.
Suntan was slechts de eerste van een reeks mislukte pogingen om waterstof te gebruiken om zwaarder te vliegen dan de lucht. De aantrekkingskracht is groot. Waterstof heeft drie keer zoveel energie per kilogram als kerosine, de huidige standaard brandstof voor de luchtvaart, en lichtheid is van groot belang in de lucht. Tupolev, in wat toen de Sovjet-Unie was, probeerde het in de jaren ’80. Boeing probeerde het in de jaren 2000. Een klein demonstratiemodel heeft in Duitsland gevlogen. Maar niets is, als het ware, echt van de grond gekomen. Waterstof is weliswaar licht, maar volumineus en daardoor onhandig om aan boord op te slaan. Het moet onder druk worden gezet of vloeibaar worden gemaakt, wat allebei weer complicaties met zich meebrengt. Bovendien is er geen infrastructuur om het te maken en te distribueren.
Deze keer is het anders
Nu, echter, zijn de dingen veranderd. De luchtvaart staat onder druk om de uitstoot van koolstofdioxide te beperken door minder kerosine te verbranden. En er wordt serieus gesproken over de bouw van infrastructuur voor de productie en levering van waterstof voor andere doeleinden, zoals verwarming en grondtransport, wat betekent dat waterstof beschikbaar zou kunnen komen als een basisproduct, in plaats van speciaal te moeten worden gemaakt. De balans van de voordelen kan dus verschuiven. Dus kijken een paar dappere zielen opnieuw naar het idee van vliegen op waterstof.
Project Suntan gebruikt het spul op de manier waarop kerosine wordt gebruikt – om de warmte te creëren die nodig is om een straalmotor aan te drijven. Dat is een manier om verder te komen. Maar veel vliegtuigen worden aangedreven door propellers, en dit maakt een tweede benadering mogelijk, want propellers kunnen worden aangedreven door elektromotoren. Met behulp van brandstofcellen, een 19e-eeuwse technologie die nu tot volle wasdom komt, is het mogelijk de daarvoor benodigde elektriciteit op te wekken met waterstof.
Dit is de aanpak van ZeroAvia, een bedrijf dat gevestigd is in Cranfield, in het zuiden van Groot-Brittannië. In september onthulden ZeroAvia’s ingenieurs een zespersoons brandstofcel-aangedreven vliegtuig dat kan opstijgen, twee circuits van de luchthaven kan voltooien, en kan landen. Het vliegtuig in kwestie is een aangepaste Piper M-klasse – een vliegtuig met één propeller dat normaal wordt aangedreven door een zuigermotor. De ingenieurs hebben deze vervangen door een elektrische motor, en hebben een reeks brandstofcellen geïnstalleerd om die motor aan te drijven, en een reeks tanks om de waterstof op te slaan die de brandstofcellen aandrijft.
Val Miftakhov, ZeroAvia’s baas, hoopt dat dit demonstratievliegtuig een tocht van 400 km zal maken, voorlopig gepland voor de week van 21 december, gevolgd door een langere vlucht vanaf Orkney, een archipel voor de noordpunt van Groot-Brittannië, volgend voorjaar. (De autoriteiten van Orkney zijn geïnteresseerd in “hopper”-vliegtuigen die de eilanden van de archipel met elkaar kunnen verbinden). Het bedrijf is ook van plan om in 2021 een demonstratievliegtuig met 20 zitplaatsen klaar te hebben. Certificering voor commercieel gebruik zou in 2023 kunnen volgen.
Hot op de hielen van ZeroAvia is H2Fly, een spin-off van DLR, het Duitse centrum voor luchtvaartonderzoek. In 2016 voegde dit bedrijf brandstofcellen toe aan een gemotoriseerd Pipistrel-zweefvliegtuig, dat vervolgens 15 minuten in de lucht bleef. Het plan is om die aanpak uit te breiden naar een productieversie propellervliegtuig in tests die binnenkort worden uitgevoerd. Ondertussen heeft in Amerika een fabrikant van elektrische motoren, magniX genaamd, een partnerschap aangekondigd met Universal Hydrogen, een bedrijf in Los Angeles, om een de Havilland Canada Dash 8-300 met 40 zitplaatsen om te bouwen zodat hij op brandstofcellen kan vliegen. Zij hopen dat deze tegen 2025 klaar zal zijn.
Dergelijke benaderingen lijken in principe te kunnen werken. Zij zullen echter in de praktijk moeten concurreren met elektrische vliegtuigen die door batterijen worden aangedreven. In mei vloog een Amerikaans bedrijf, AeroTEC genaamd, met een negenpersoons Cessna Caravan die was omgebouwd om op batterijen te vliegen, door het luchtruim boven de staat Washington. In december daarvoor vloog magniX in samenwerking met Harbour Air, een Canadees bedrijf, met een omgebouwd de Havilland watervliegtuig in British Columbia. De twee bedrijven zijn nu bezig dit vliegtuig klaar te maken voor commerciële certificering. Meer ambitieus, verschillende bedrijven, zoals Eviation, een Israëlische outfit, proberen batterij-aangedreven vliegtuigen te bouwen vanaf nul in plaats van het ombouwen van bestaande casco’s.
Batterijen niet inbegrepen
Voorstanders van brandstofcellen zeggen echter dat deze beter zijn dan batterijen voor het aandrijven van de vlucht, omdat de cellen plus hun bijbehorende brandstof opslaan vele malen meer energie per kilogram dan batterijen aankunnen. “Batterijen geven je echt de versnelling. Maar ze geven je niet de actieradius,” zegt Robert Steinberger-Wilckens, een chemisch ingenieur aan de Universiteit van Birmingham, in Groot-Brittannië. De batterijtechnologie wordt steeds beter, maar er zullen grote doorbraken nodig zijn voordat langere reizen met passagiers en vracht aan boord mogelijk worden.
Elektrische krachtbronnen in een bestaand vliegtuig stoppen, in de vorm van batterijen of brandstofcellen, is een begin. Maar een dergelijke aandrijving kan leiden tot ingrijpende veranderingen in het ontwerp, zoals Eviation voor haar toekomstige product Alice heeft gepland. Deze heeft drie propellers, die allemaal naar achteren zijn gericht. Hoewel ooit populair, zijn achterwaarts gerichte propellers al tientallen jaren uit de mode. Elektrische verticaal opstijgende en landende vliegtuigen – mensen-dragende drones die soms worden aangeprezen als de toekomst van persoonlijk vervoer – worden ook vaak aangedreven door meerdere kleinere elektromotoren, waardoor ze goed passen bij waterstofenergie op basis van brandstofcellen.
Grote machines hebben grotere problemen. Een vliegtuig heeft veel meer kracht nodig om op te stijgen en te landen dan om te cruisen, en noch batterijen noch brandstofcellen hebben nog de puf om dit te doen voor andere dan kleine vliegtuigen. Als grotere toestellen op waterstof moeten vliegen, moet ten minste een deel van het werk worden gedaan door terug te keren naar de Project Suntan-route en turbine-aangedreven motoren te gebruiken die het spul als gas verbranden.
Die aanpak wordt nu gevolgd door Airbus, een Europees bedrijf dat met Boeing of Amerika een duopolie deelt op grote passagiersvliegtuigen. In september onthulde Airbus ZEROe, een project dat zich concentreert op drie waterstof-aangedreven conceptvliegtuigen. Hoewel dit single-aisle korte afstandsmodellen zijn, zijn ze een stap hoger dan alles wat uitsluitend zou kunnen worden aangedreven door brandstofcellen.
Alledrie zijn ze ontworpen om de twee op waterstof gebaseerde technologieën samen te smelten, met waterstof-verbrandende turbine motoren die het opstijgen stimuleren en brandstofcellen die de cruise aandrijven. Een van de concepten is een turboprop die tot 100 passagiers zou vervoeren voor afstanden tot 2.000 km. Een grotere turbofanversie zou tweemaal die lading tweemaal zo ver vervoeren. De derde benadering is meer experimenteel: een “blended wing”-model, waarbij romp en aerofoils deel uitmaken van dezelfde driehoekige aërodynamische structuur. Het voordeel hiervan is dat het extra volume creëert voor de opslag van waterstof.
De uitdagingen van het gebruik van waterstof gaan echter verder dan de vorm van het lichaam. Het herontwerpen van een turbinemotor om op waterstof te kunnen rijden zal een miljarden onderneming worden. Waterstof brandt sneller dan kerosine, en brandt ook heter. Dat betekent dat materialen die aan de verbranding ervan worden blootgesteld, meer onder druk komen te staan. Ook dreigt de vervuiling in de vorm van stikstofoxiden toe te nemen, waardoor de milieuvoordelen van waterstofverbranding deels teniet zouden worden gedaan. En het zou ook nuttig zijn om de zaken zo te regelen dat een deel van de energie die wordt gebruikt om de waterstof samen te persen of vloeibaar te maken voor opslag, kan worden teruggewonnen en aan het werk kan worden gezet.
De komende jaren zal Airbus zich concentreren op de ontwikkeling van de tweelingtechnologieën van brandstofcellen en waterstofaangedreven turbines, parallel aan het ontwerp van hun toekomstige vliegtuigen. Als de grondtesten slagen, hoopt de firma tegen 2025 demonstratievliegtuigen in de lucht te hebben – wat Glenn Llewellyn, Airbus’s vice-president voor emissievrije vliegtuigen, vliegende proefbanken noemt. Een prototype op ware grootte zou tegen het einde van het decennium moeten volgen, en het eerste commerciële nul-emissievliegtuig zou in 2035 in gebruik moeten worden genomen. Het is nog niet duidelijk wie de motoren voor een dergelijk vliegtuig zal leveren. Maar Safran, een Franse motorenfabrikant die vaak met Airbus samenwerkt, heeft bevestigd dat het naar waterstofenergie voor commerciële vliegtuigen kijkt.
Tot dusverre heeft Boeing dit voorbeeld niet gevolgd. Deze geografische splitsing kan geen toeval zijn. EU overheidsbeleid is stevig groen, net als het overheidsbeleid in Groot-Brittannië, niet langer een lid van de EU, maar de site van een aantal Airbus-faciliteiten. Het EU-beleid vertaalt zich met name in geld voor relevant onderzoek via het Clean Sky 2 programma van de Unie.
Dergelijke steun, moreel of financieel, is in Amerika de afgelopen vier jaar niet geboden. De nieuwe regering van Joe Biden lijkt het echter eens te zijn met Europa over milieuzaken. En deze nieuwe richting zal, net als in Europa, waarschijnlijk gepaard gaan met overheidsgeld. Boeing zou bovendien een gok nemen door waterstofenergie aan Airbus over te laten. Als de technologie slaagt, loopt Boeing het risico een belangrijk deel van zijn markt te verliezen, en dat is iets wat het zich zeker niet kan veroorloven.■
Voor meer informatie over klimaatverandering kunt u zich inschrijven voor The Climate Issue, onze tweewekelijkse nieuwsbrief, of onze hub over klimaatverandering bezoeken
Dit artikel is verschenen in het technologiekatern Wetenschap & van de gedrukte editie onder de kop “Als je in het begin niet slaagt…”