Efficiëntere vliegtuigmotoren door speciale versnellingen

Onze atmosfeer bevat tal van natuurlijke en door de mens 'gemaakte' gassen. Eén van deze gassen zijn de verbrandingsgassen van de motoren van het luchtverkeer. Deze gasdeeltjes gaan zich samen met andere gaan combineren tot kleine vaste deeltjes. Deze kleine vaste deeltjes kregen de naam 'fijnstof'. En fijnstof is uiteindelijk een vorm van luchtvervuiling en is de verzamelnaam voor alle vaste deeltjes in de atmosfeer die kleiner zijn dan 10 micrometer( 0,000 0001 meter). Deze deeltjes blijken ook schadelijk te zijn voor de gezondheid bij het inademing ervan. Zelfs in België en Nederland sterven er jaarlijks enkele duizenden mensen enige dagen tot maanden eerder door acute blootstelling aan fijnstof. Maar bovendien is de morbiditeit door chronische blootstelling aan fijnstof enorm hoog. Bij mensen met luchtwegaandoeningen en hart- en vaatziekten verergert chronische blootstelling aan fijnstof hun symptomen en het belemmert de ontwikkeling van de longen bij kinderen. Daarom bestaan er vele landen al normen voor de concentratie aan fijnstof in de lucht.

De Wereldgezondheidsorganisatie, een gespecialiseerde organisatie van de Verenigde Naties met als doel wereldwijde aspecten van gezondheidszorg in kaart te brengen, schatte in 2004 dat er jaarlijks ongeveer één miljoen mensen sterven aan de gevolgen van luchtvervuiling. Verschillende epidemiologische studies hebben vastgesteld dat luchtvervuiling zorgt voor meer cardiovasculaire en respiratoire aandoeningen, zoals longkanker en dergelijke. Bij deze studies werden duizenden mensen gevolgd en verzamelde data over hun blootstelling aan vervuilde lucht en terwijl volgde men ook de gezondheidstoestand op van deze mensen. Wanneer men al deze data analyseerde en corrigeerde voor bijvoorbeeld personen die roken. Daarna paste men er statistiek op toe en zag men dat chronische blootstelling aan fijnstof zorgt voor meer gezondheidsproblemen zoals chronische bronchitis, slecht werkende longen en vroegtijdig overlijden.

Om deze gezondheidsproblemen te voorkomen moet dus de luchtvervuiling aangepakt worden, zodat de mensen in sterk verminderde mate, zowel acuut als chronisch blootgesteld worden aan te hoge concentraties aan fijnstof. Eén van de zaken die verantwoordelijk is voor een bijdrage aan de luchtvervuiling is het luchtverkeer. Een nieuwe studie stelt vast dat de luchtvervuiling door het luchtverkeer verantwoordelijk is voor wereldwijd zo'n 8000 sterfgevallen. Ondanks het feit dat de luchtvervuiling door de vliegtuigen plaatsvindt op een hoogte rond de 10500 meter. Bij studie heeft men enkel de uitgestoten verbrandingsgassen beschouwd die vrijkomen bij het cruisen op grote hoogtes. Dit gevolgen van deze die vrijkomen tijdens het opstijgen en het landen horen hier dus niet bij want voor deze is er een ander verhaal van tel. De uitgestoten gassen zijn onder andere stikstofoxides (NOx) en zwaveloxides (SOx). Deze twee gassen gecombineerd met andere gasdeeltjes die zich al reeds in de atmosfeer bevinden zorgen voor de vorming van fijnstof.

De huidige regelgeving omtrent de uitstoot van luchtvervuilende gassen door vliegtuigen is slechts geldig tot op een hoogte van 914 meter. Dit doordat de regelgevende instanties ervan uitgaan dat het uitstoten van luchtvervuilende gassen op een hoogte groter dan 914 meter geen gevolgen heeft voor het leven op het aardoppervlak. Alhoewel meer dan 90% van de brandstof bij een vliegtuig wordt verbrandt tijdens het cruisen, toch vallen enkel de de luchtvervuilende verbrandingsgassen van tijdens het opstijgen en landen onder een wetgeving. En dus worden, bij het testen van een vliegtuigmotor, enkel de uitstoot van luchtvervuilende stoffen opgemeten tijdens een simulatie van het opstijgen en het landen. En dus over wat er gebeurt éénmaal boven de 914 meter, heeft er niemand niet echt een exact beeld van, toch niet van de uitstoot van luchtvervuilende gassen.

Steven Barrett, een onderzoeker van MIT, voerde een onderzoek uit naar of het wel correct is om te veronderstellen dat de uitstoot van luchtvervuilende gassen boven de 914 meter geen effect heeft op het leven van de mensen op het aardoppervlak. Om het effect van de 'cruise-uitstoot' van de vliegtuigen te onderzoeken gebruikte Steven Barrett een computermodel om een idee te krijgen over hoeveel van deze luchtvervuilende gassen er uitgestoten worden door alle vliegtuigen in de wereld die op zo'n hoogtes vliegen. Dit is niet zomaar een simpele taak, namelijk door de grote omvang aan data die er verwerkt moet worden. Het computermodel combineerde data over de vluchtroutes en de frequentie van hun gebruik, met de hoeveelheid brandstof vliegtuigen verbranden tijdens het cruisen op die hoogtes. Door deze twee sets aan data te combineren kan er een relatief nauwkeurige schatting gedaan worden over de hoeveelheid luchtvervuilende gassen er op deze manier in onze atmosfeer terecht komen.

De resultaten van dit computermodel combineerde hij dan met een ander computermodel van de atmosfeer die men gebruikt voor simulaties van de luchtstroming. Zoo verkreeg hij een idee over waar deze uitlaatgassen door de vliegtuigen terechtkomen en waar er dus fijnstof zal ontstaan. Daarna gebruikte hij data over de bevolkingsdichtheid en het gezondheidsrisico in de verschillende delen van de wereld. Uiteindelijk bekwam hij dan een wereldkaart met daarop het voorkomen van fijnstof ten gevolge van de cruise-uitstoot van vliegtuigen en de gezondheidsrisico ten gevolgen van luchtvervuiling. Op deze manier kan hij kijken of er een correlatie bestaat tussen het voorkomen van fijnstof ten gevolge van de cruise-uitstoot en het risico op aandoeningen ten gevolgen van fijnstof. Wanneer er geen correlatie zou geweest zijn tussen deze twee elementen, dan zou dit een bevestiging zijn van de veronderstelling dat boven de 914 meter, de uitstoot van vliegtuigen geen effect hebben op het leven van de mens op aarde.

Maar uit de analyse van deze data en de daarmee opgestelde kaart toonde het tegengestelde aan, namelijk dat er wel een correlatie is tussen het voorkomen van fijnstof ten gevolge van de cruise-uitstoot van vliegtuigen en het risico op aandoeningen ten gevolge van fijnstof. De cruise-uitstoot bleek het grootst te zijn boven Noord-Amerika en Europa, wat uiteindelijk niet echt een grote verrassing is. Maar toch uiteindelijk komt het fijnstof, dat ontstaat door de cruise-uitstoot van vliegtuigen, terecht in het oosten. In landen zoals China en India is een groot deel van het fijnstof aanwezig ten gevolge van het luchtverkeer en in deze twee landen sterven er jaarlijks zo'n 3500 mensen aan de gevolgen van het fijnstof van cruise-uitstoot. In China in India leeft zo'n Dit ondanks dat slechts 10% van de totale wereldwijde vliegtuigbrandstof wordt verbrandt boven deze landen. En andere opmerkelijke bevinden is dat het overgrote gedeelte van de cruise-uitstoot ontstaat in het noordelijk halfrond, en een heel stuk minder in het zuidelijk halfrond. En er zijn ook nagenoeg geen sterfgevallen in het zuidelijk halfrond ten gevolge van de cruise-uitstoot, dit in tegenstelling tot het noordelijk halfrond.

En deze fenomenen die heeft waargenomen uit de analyse van al deze gegevens kunnen nagenoeg verklaard worden. Namelijk het feit dat men in oosten de sterkste gevolgen kent van de cruise-uitstoot, is ten gevolge van de luchtstroming op de beschouwde hoogtes. Daar treden er snelle luchtstromen op die steeds naar het oosten toe blazen. Eén van deze is de straalstroom, dit is een zeer sterke wind (windkracht 11 of zelfs nog meer) en is gemiddelde enkele duizenden kilometers lang, enkele honderden kilometers breed en slechts een paar kilometer hoog. En het is dus een zeer langgerekte maar smalle band met hoge windsnelheden, die door de atmosfeer kronkelt, van west naar oost, als een rivier in het landschap. En onder andere de straalstroom zorgt er dus voor dat het fijnstof door de cruise-uitstoot in het oosten terecht komt. Ook moet er in acht genomen worden dat ook de lokale luchtvervuiling op die locaties er een grote rol speelt in het verhaal van het fijnstof door de cruise-uitstoot. Namelijk in die regio's wordt er veel aan landbouw gedaan en door de landbouw komt er ammoniak in de lucht terecht. Ammoniak in combinatie met NOx en SOx zorgt dat ontstaat er fijnstof. En dus ligt het onder andere ook aan de ammoniak concentratie in de lucht, dat er een verhoogd voorkomen is van fijnstof in die gebieden in China en India.

De conclusie van de studie is dus dat er ook een regelgeving moet komen voor de uitstoot van vliegtuigen boven 914 meter. Maar één van de reactie van de industrie is dat het luchtverkeer slechts een klein onderdeel is van een groot probleem. En dat het niet nodig is dat er een regelgeving zou komen aangezien jaarlijks het luchtverkeer voor 'maar' 8000 doden zorgt, wat relatief weinig is in vergelijking met andere vormen van transport, namelijk 60.000 doden ten gevolge van scheepvaart.

Het is waarschijnlijk geen reactie op deze studie maar Airbus heeft onlangs besloten om een nieuw type motoren te gaan gebruiken bij hun nieuwe vliegtuigen. Bij deze motoren wordt er een nieuw soort koppeling gebruikt en dit zorgt dat er heel wat minder lawaai ontstaat en dat de motor een stuk efficiënter werkt. Pratt and Whitney, een Amerikaanse motor-bouwer, heeft deze nieuwe motor ontwikkeld en deze zullen vanaf 2016 gebruikt worden in de nieuwe generatie van de Airbus A320. Het motorontwerp is dat van een turbofan, een turbofan is een vliegtuigmotor geschikt voor middelhoge snelheden. Een turbofan is eigenlijk een soort combinatie van een straal motor en een gewone propeller. In eerste instantie zorgt de compressor ervoor dat er lucht aangezogen en gecomprimeerd wordt en naar de verbrandingskamer gestuurd wordt. Daar wordt er brandstof aan toegevoegd en verbrandt. Waarna de verbrandingsgassen expanderen en de turbine aandrijven. Dit is de werking van een straalmotor. En hierbij die de turbine enkel om de compressor aan te drijven. De uitlaatgassen verlaten de turbine met een druk die voldoende groot is om het vliegtuig vooruit te duwen.

Maar bij een turbofan is er ook nog een bypass luchtstroom. Deze luchtstroom ontstaat doordat de compressor ervoor zorgt dat een deel van de aangezogen lucht niet naar de verbrandingskamer gestuurd. Deze lucht wordt langs de verbrandingskamer en turbine heen geduwd en verlaat de motor achteraan. Deze naar achter geduwde lucht helpt ook mee om het vliegtuig vooruit te duwen, net zoals wanneer men een propeller gebruikt. Deze 'propeller-werking' van de compressor levert de grootste bijdrage bij het vooruit duwen van het vliegtuig in vergelijking met die van de verbrandingsgassen die de turbine verlaten. En dus kan er een kleinere straalmotor gebruikt worden bij dit type motoren in vergelijking met wanneer men een straalmotor zou gebruiken. En aangezien de straalmotor kleiner is, is ook het brandstofverbruik kleiner. Daarnaast zorgt de luchtstroom rondom de straalmotor ervoor dat er een stuk minder lawaaihinder is.

Deze nieuwe turbofan zorgt ervoor dat er een stuk minder lawaai hinder is van deze motoren en dat de uitstoot en het brandstofverbruik 15% lager ligt dan bij de huidige motoren. In het nieuwe ontwerp is de compressor niet meer gekoppeld op dezelfde as als de turbine maar is deze verbonden met speciale versnellingen. Deze versnellingen laten toe dat zowel de turbine als de compressor steeds op optimale snelheid kunnen draaien zodat de juiste hoeveelheid lucht naar de verbrandingskamer gestuurd wordt en de rest optimaal naar achteren wordt geduwd voor de 'propeller-werking'. Het concept van een turbofan met versnellingen tussen de turbine en de compressor is niet echt een nieuw concept. Het bestaat namelijk als sinds de jaren '80 maar het is nooit echt van de grond gekomen omdat de vliegtuigindustrie niet echt happig is voor veranderingen. Daarnaast zijn versnellingen berucht voor hun hoge gewicht en vele problemen, twee zaken die men ten alle tijde wil vermijden in de luchtvaarttechnologie. Het probleem van het extra gewicht wordt al snel weggenomen door het verhoogde rendement van deze motoren.

Bij de huidige turbofans wordt 1/9 van de aangezogen lucht naar de verbrandingskamer gestuurd en stroomt 8/9 langs de straalmotor naar buiten. Deze lucht die langs de straalmotor naar achteren stroomt levert de grootste bijdrage bij het vooruit duwen van het vliegtuig. Bij deze nieuwe motoren met versnellingen tussen de turbine en de compressor gaan 1/13 van de aangezogen lucht naar de verbrandingskamer en stroomt 12/13 langs de straalmotor naar buiten. Dus een grote aandeel van de aangezogen lucht duwt het vliegtuig vooruit terwijl een kleiner aandeel nodig is om de compressor aan te drijven. Met andere woorden is er minder brandstof nodig om een vliegtuig even hard of zelfs harder vooruit te duwen. Wat dus wil zeggen dat deze motor een stuk efficiënter zijn brandstof benut.

Deze type motoren werden in 2008 al uitvoerig getest sinds dien heeft men er al meer dan 75 uren mee gevlogen. En over de komende twee jaar zullen er 15 van dergelijke motoren gemaakt worden om deze verder te gaan testen. Er wordt verwacht dat eind 2012 dat deze motoren hun certificaat zullen krijgen.

Geschreven door Emile Glorieux, bronnen [web.mit] & [technologyreview]