InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Kunststoffen in de luchtvaart

Kunststoffen in de luchtvaart

Tegenwoordig worden plastics meer en meer gebruikt in de luchtvaart. Na bijna 100 jaar van technologische ontwikkeling begint kunststof eindelijk volwassen genoeg te worden om veilig in de luchtvaart gebruikt te worden. In dit artikel zal een specifiek plastic besproken worden, dat veelbelovend is voor zijn toepassing in de luchtvaart, namelijk: epoxyharsen.

Huidige oepassingen van Epoxyhars

De epoxyharsen, uitgevonden in de jaren 50, is een thermohardende kunststof gebruikt om welbepaalde composieten, lijmen, laminaten, poeders, enz. mee te vervaardigen. Door hun veelzijdigheid en eenvoudig gebruik groeiden ze uit tot een van de meest succesvolle ontwikkelingen in de kunststofindustrie en zijn daardoor universeel inzetbaar. De harsen worden bereid uit door chloor met propeen te reageren, tot nu toe de enige bekende methode om epoxyhars te maken. Naargelang de gewenste eigenschap van het hars kan men andere metalen, kleurstoffen en vezels toevoegen, zodat men dit in een welbepaalde context kan toepassen (zo kan men bijvoorbeeld door toevoegen van glasvezels het epoxyhars “gewapend” maken, wat de mechanische eigenschappen enorm versterkt.)

Van de 830.000 ton epoxy die jaarlijks verbruikt wordt, wordt 16 % toegepast in de vernis- en verfindustrie, voornamelijk met een decoratief doel. De overige worden als lijmen, composieten, enz. gebruikt.

Epoxyharsen kunnen hard en vloeibaar voorkomen, maar ook in bepaalde vormen gegoten worden. In harde toestand zijn ze supersterk, nauwelijks te krimpen, zeer stabiel en bestand tegen temperatuurschommelingen. Vloeibaar hebben ze een groot hechtvermogen op alle mogelijke oppervlakken. In gegoten vorm kunnen ze door hun licht gewicht gemakkelijk bepaalde onderdelen van auto’s, vliegtuigen, enz. vervangen, hierdoor daalt het brandstofverbruik aanzienlijk, wat het milieu ten goede komt.

Gebruik van epoxyhars in de luchtvaart

Tijdens de levensduur van een vliegtuig ontstaan er miljoenen kleine scheurtjes en barsten ten gevolge van de steeds wisselende grote krachten die op de vleugels inwerken. Beeld je een stof in die deze scheurtjes automatisch zou kunnen herstellen, zelfs als deze te klein zijn voor het oog om waar te nemen. Deze taak zou zelf-herstellende plastics op zich kunnen nemen in de nabije toekomst.

Het principe is ontleend van het bloed, dat stolt als er een wonde ontstaat. In dat geval stroomt er bloed naar buiten, bloedplaatjes zorgen er dan voor een kleverige brij die stolt bij aanraking met open lucht, en dus een helende laag vormt.
In het zelfherstellend plastic (=composiet) ziten kleine holle vezels waarin epoxyhars zit. Bij microscopische scheurvorming van het plastic zullen deze holle vezels meescheuren en bijgevolg zal het (vloeibare) epoxy naar buiten vloeien, recht in de ontstane barst. Door aanraking met de lucht zal de vloeistof stollen en wordt de barst gedeeltelijk hersteld zijn, het krijgt ongeveer 80 tot 90% van zijn originele sterkte terug. Bovendien is deze epoxy gekleurd, zodat technici eenvoudig kunnen zien dat er een kleine barst zich gevormd heeft. Het is nuttig om deze microscopische scheurtjes meteen te dichten, aangezien deze aanleiding kunnen geven tot grotere defecten.

De hedendaagse vliegtuigen zijn nog steeds grotendeels gemaakt van aluminium, inderdaad het beste en lichtste metaal. In de luchtvaart moet alles steeds zo licht mogelijk zijn, om kostbare kerosine uit te sparen. Het zou echter lichter kunnen dan aluminium, door de vliegtuigen uit een soort polymeer composiet te maken, maar de hedendaagse materialen zijn niet betrouwbaar genoeg om op grote schaal toe te passen. Met zelfherstellende plastics zou deze betrouwbaarheid een stuk verbeterd kunnen worden, waardoor het wel toepasbaar wordt.

Men schat dat deze techniek over een 4-tal jaar concreet toegepast zal worden. Deze techniek wordt verder bestudeerd door de Engineering and Physical Sciences Research Council. Het is een agentschap gefundeerd door de britse overheid.

Vliegtuigen

Huidig materiaalgebruik

Het zal niemand verbazen dat plastics meer en meer gebruikt worden in de luchtvaart. Na bijna 100 jaar van technologische ontwikkeling begint kunststof eindelijk volwassen genoeg te worden om veilig in de luchtvaart gebruikt te worden.

De eerste composieten werden in de jaren 60 gebruikt, maar was niet onmiddellijk een succes. De kunststofcomposieten waren te arbeidsintensief en daarom dus duur. De voordelen wogen niet op tegen de nadelen. Dit veranderde toen kunststof meer en meer ontwikkeld werd door research afdelingen over de hele wereld. Tegenwoordig zijn de meeste oorspronkelijke problemen met composieten opgelost en biedt het materiaal verschillende voordelen. Zo kunnen ramen groter gemaakt worden, kan hierdoor de druk in de cabine verhoogt worden (= minder suizingen in de oren) en tenslotte is het onderhoudsvriendelijker. Het grootste voordeel blijft natuurlijk het lage gewicht, en dus het lagere brandstofverbruik.
Om deze ontwikkeling te demonstreren: tussen 1955 en 2005 zijn de vliegtuigen maar liefst 70% efficiënter geworden in het verbruik per km per stoel.

In juli 2007 heeft Boeing zijn nieuwe 787 “Dreamliner” geïntroduceerd. Speciaal aan dit vliegtuig is dat het voor maar liefst 50% aan kunststofcomposieten bestaat

Andere ideeën voor efficiënter brandstofverbruik

Vliegen in V-formaties
Vogels die naar het zuiden trekken zie je niet voor niets meestal in de zogenaamde “V-formatie” vliegen. Eigenlijk doen niet alle vogels dit, het zijn vooral de grotere vogels zoals ganzen die dit doen, omdat het bij de kleintjes niet echt loont qua efficiënter energieverbruik (deze vliegen soms wel in groep, maar dan chaotischer en eerder voor bescherming). Ditzelfde zouden ook onze vliegtuigen kunnen doen. Een studie van Aeronautics and Astronautics Department van het Bandung Institute of Technology in Indonesië heeft aangetoond dat dit voor vogels een vermindering in luchtweerstand van 65 % met zich meebrengt. Elke vogel trekt zich als het ware op aan de vogel die voor hem vliegt, waardoor de lift groter wordt. Voor vliegtuigen komt dit volgens de onderzoekers van de TU Delft op ‘slechts’ 10 %. Vliegtuigen die bijvoorbeeld van Europa naar Amerika vliegen zouden zich in de lucht kunnen verzamelen boven Engeland, om vanaf daar samen de reis over de oceaan efficiënter af te leggen.

Tanken in de lucht
Opmerkelijke cijfers voor de hedendaagse lange afstandsvluchten: slechts 10% van het gewicht van een vliegtuig is afkomstig van de passagiers en de bagage. Om je een idee te geven: in de Airbus A380 een van de meest efficiënte vliegtuigen van het moment kan 310.000 liter kerosine meenemen om 15 000 km ver te geraken. Dat is bijna 4x meer dan het gewicht aan bagage en passagiers. Om dit probleem om te lossen zou er in de lucht getankt kunnen worden, zoals dat soms ook al het geval is bij militaire vliegtuigen. Dit zou naar verwachting een brandstofvermindering van 30% kunnen opleveren.

Blended wing body
Een van de meer radicalere methoden om de efficiëntie te laten stijgen is het zogenaamde blende dwing body design. In de huidige vliegtuigen ‘hangt’ de romp als het ware aan de twee vleugels, die als enige de lift genereren. Als je nu deze romp weglaat, en één gigantische vleugel overhoudt, dan zou je maar liefst 25% van de brandstof kunnen uitsparen. Helaas zijn er ook vele nadelen hieraan verbonden, zo is de complexe binnenstructuur moeilijker onder druk te zetten (nodig voor de passagiers). Ook is het niet meer mogelijk om aan het raam te zitten, en bij rollingen van het vliegtuig kunnen er grote hoogteverschillen ontstaan tussen het linker- en het rechtergedeelte van het vliegtuig. De onderzoekers van TU Delft zijn echter overtuigd dat elk van voorgenoemde problemen (en nog enkele tientallen andere) op te lossen valt binnen enkele jaren. Ze hopen dan ook binnen 3 jaar een volwaardig prototype ontworpen te hebben.

Optimale luchtstroom
Een andere veelbelovende techniek probeert de luchtstroom die langs een vleugel gaat zo lang mogelijk aan die vleugel te laten ‘plakken'. Nu haakt die stroom halverwege af, waardoor veel turbulentie en weerstand ontstaat. Als je het vliegtuig inpakt in een heel dun vlies van geïoniseerde luchtdeeltjes, dan glijdt het makkelijker door de lucht, net als een orka die soepel door het water glijdt dankzij een vlies om zijn huid. En met een optimale luchtstroom wordt vliegen dertig procent efficiënter. Dit is echter nog helemaal toekomstmuziek, de tecnologische uitdaging om dergelijk vlies te produceren zijn nog steeds groot.
© 2009 - 2017 Sandrovich, het auteursrecht van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
De Antonov An-225, een reus in de luchtvaartDe Antonov An-225 is het grootste vliegtuig ter wereld. Hij heeft als bijnaam Mriya, wat 'droom' in het Russisch beteken…
Luchtvaartpioniers: Otto LilienthalLuchtvaartpioniers: Otto LilienthalMensen hebben er altijd van gedroomd te kunnen vliegen. En heel lang bleef het bij dromen. Maar dat verandert in de nege…
Vragen en antwoorden die je zou hebben tijdens het vliegenVragen en antwoorden die je zou hebben tijdens het vliegenAls het op vliegen aankomt hebben we allemaal onze vragen. Over de verlichting in een vliegtuig tot hoe langzaam een vli…
Kunststof: recyclen van plasticKunststof: recyclen van plasticVeel van het plastic dat wij gebruiken wordt gerecycled. Vanuit gemeenten wordt de inzameling van gebruikt plastic steed…
Is vliegen veiliger geworden sinds 1950?Is vliegen veiliger geworden sinds 1950?Met de immer voortschrijdende ontwikkeling van de technologie in een vliegtuig, zou je mogen verwachten dat deze vorm va…

Reageer op het artikel "Kunststoffen in de luchtvaart"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Infoteur: Sandrovich
Gepubliceerd: 18-11-2009
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Schrijf mee!