Hoewel we in Nederland niet geloven in de Kerstman, maar in Sinterklaas, is de Kerstman wel fascinerend. Hoe kan die man in de rode jas in één nacht de hele wereld overvliegen, voortgetrokken door rendieren, in een slee vol cadeaus. En dat zonder zichtbare motor, vleugels of neer te storten?
Dat is natuurlijk door magie. Maar stel nu eens dat dit geen sprookje was, maar een engineeringvraagstuk. Hoe zou zo’n slee technisch ontworpen kunnen worden? Wat is er nodig om een zwaar voertuig te laten zweven, stabiel te houden en voort te bewegen door koude, turbulente lucht?
Randvoorwaarden
Voordat we verder ingaan op dit vraagstuk, moeten we een aantal randvoorwaarden opstellen. De slee moet namelijk:
- Verticaal kunnen opstijgen en landen, zonder startbaan
- Stabiel blijven hangen in de lucht, ook bij harde wind
- Grote hoeveelheden gewicht kunnen dragen
- Veilig zijn voor alles en iedereen onder zich
- Stil boven huizen hangen
Met deze randvoorwaarden valt de klassieke luchtvaart helaas al af. Lange vleugels en hoge startsnelheden voldoen hier niet aan; onze oplossing moet recht omhoog kunnen gaan.
Vleugels en aerodynamica?
De eerste logische vraag is of de slee van de kerstman überhaupt aerodynamisch kan vliegen. Vliegtuigen blijven immers in de lucht dankzij lift, die ontstaat wanneer lucht met voldoende snelheid langs een vleugel stroomt. Door dat snelheidsverschil ontstaat een drukverschil dat het toestel omhoogduwt.
Daar loopt het idee van een vliegende slee echter al snel vast. De slee heeft geen duidelijke vleugels en moet bovendien kunnen zweven bij lage snelheden, bijvoorbeeld tijdens het landen op daken of het opstijgen tussen gebouwen. Precies in die situaties werkt klassieke aerodynamische lift juist het minst goed. Die vraagt om hoge snelheden en meestal een lange startbaan.
En zelfs als de slee als een soort vleugel ontworpen zou worden, blijft het probleem van het gewicht. Cadeaus voor miljoenen huishoudens zorgen voor een massa die simpelweg niet te compenseren is met enkel conventionele lift.
Met alleen aerodynamica komen we dus niet heel ver. Wat wél helpt, en al een stap richting een realistisch ontwerp is, is het aerodynamischer maken van de slee. Vleugels lossen het probleem niet op, maar een gestroomlijnde vorm kan het energieverbruik wel aanzienlijk verminderen.
Hoe zit het met rotoren?
Een ander idee is het incorporeren van rotorbladen, zoals bij helikopters en drones. Stilhangen, gecontroleerd opstijgen en landen, makkelijk manoeuvreren: dit kan vrijwel allemaal uit bij VTOL-technologie (Vertical Take-Off and Landing).
De slee van de kerstman is dan in feite een grote cargo-drone, speciaal ontworpen voor winterse omstandigheden, en dat ziet er als volgt uit:
- Meerdere rotors of ducted fans, geïntegreerd in of onder de slee
- Elektronisch aangestuurde motoren voor nauwkeurige liftverdeling
- Redundantie, één rotor kan uitvallen zonder direct gevaar
- Stille aandrijving, omdat kinderen de Kerstman niet moeten horen 😉
Door meerdere rotors te gebruiken, ontstaat stabiliteit. Net als bij drones wordt elke kleine verstoring direct gecorrigeerd door slimme regeltechniek.
Stabiel blijven zweven: Systems & Control
Zweven is één ding, stabiel blijven iets anders. Zodra een voertuig loskomt van de grond, werken krachten en momenten uit alle richtingen. Een windvlaag of een ongelijke verdeling van cadeaus kan al genoeg zijn om de slee uit balans te brengen.
Daarom is actieve stabilisatie onmisbaar. Moderne drones lossen dit op met sensoren zoals gyroscopen en versnellingsmeters, gecombineerd met snelle regelsystemen (een perfect voorbeeld van Systems & Control). Honderden keren per seconde wordt de stand gemeten en gecorrigeerd.
Voor de slee van de kerstman geldt dan ook precies hetzelfde principe, maar nu opgeschaald. Zonder actieve stabilisatie zou zelfs de beste rotorconfiguratie onbruikbaar zijn.
Energieopslag
Vliegen kost ook een hoop energie. En als we gaan vliegen zonder rendieren, moet die energie toch ergens vandaan komen. Zeker bij lage temperaturen, waar accu’s minder efficiënt worden, is dit een grote uitdaging. Een volledig elektrische aandrijving is dan ook wel mogelijk, maar zwaar en onhandig. Daarom ligt een hybride oplossing meer voor de hand: elektrische motoren voor de rotors, een compacte turbine of waterstof-brandstofcel als generator en accu’s als buffer voor piekbelasting.
Waterstof is hierbij interessant. Het presteert relatief goed bij kou en heeft een hoge energiedichtheid. Het is dan ook geen toeval dat ook de luchtvaartindustrie hier onderzoek naar doet.
En straalmotoren?
Zou het niet ook kunnen met straalmotoren? Er zijn immers ook straaljagers die gebruikmaken van VTOL, maar dan zonder rotoren.
Dit brengt ons terug bij de randvoorwaarden. De slee moet namelijk wel stil zijn, en straalmotoren zijn dat natuurlijk niet… Daarnaast zijn ze inefficiënt bij hoveren, en produceren ze hete uitlaatgassen.
Licht maar sterk: Materiaalkunde
En dan komen we nu aan bij onze laatste aanpassing. De constructie van de slee moet namelijk zo licht mogelijk zijn, terwijl het wel zijn sterkte behoudt, wat een vraagstuk is voor de materiaalkunde. Composieten zoals carbonvezels zijn hier uitermate geschikt voor; sterk, licht en bestand tegen vermoeiing.
Ook thermisch beheer is cruciaal. Elektronica, accu’s en sensoren moeten warm genoeg blijven om betrouwbaar te functioneren, waardoor dit geïsoleerd en actief verwarmd moet worden.
Conclusie
Dus, hoe blijft onze nieuwe en verbeterde slee zweven zonder rendieren? Niet meer door magie, niet met vleugels, maar met een combinatie van VTOL, regeltechniek, een hybride energieoplossing en lichte, sterke materialen.
Dit is natuurlijk maar een gedachte-experiment (en in de praktijk erg lastig haalbaar), maar het is een mooie combinatie van de kerstgedachte en engineering.
Bij Kitech Recruitment wensen we jullie een fijne kerst, en alvast een gelukkig nieuwjaar!
Robert Dilber
Bronnen:
- NASA – “Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations”
- NASA – “What is lift?”
- Wikipedia – eVTOL
- Gemini – Afbeeldingen van hernieuwde slee