Trillend materiaal moet vliegtuigen brandstof besparen bij 1000 km/u

Vliegtuigen sneller en zuiniger maken gebeurde tot nu toe vooral door hun vorm aan te passen: slankere vleugels, gladdere rompen. Onderzoekers van de University of Colorado Boulder kiezen voor een andere aanpak. Zij bouwen speciale structuren onder de buitenhuid van een vliegtuig die luchtturbulentie tegengaan nog voordat die goed en wel ontstaat. Het gaat om synthetische lagen die door de langsstromende lucht in trilling worden gebracht en op hun beurt microscopische tegentrillingen terugsturen naar het oppervlak.

Waarom turbulentie geld kost

Bij een snelheid van ruim duizend kilometer per uur botst lucht met kracht op de romp van een vliegtuig. Dat vormt een turbulente grenslaag, een chaotische luchtlaag die als een soort rem werkt. Motoren moeten harder werken om die weerstand te overwinnen, wat neerkomt op meer brandstofverbruik. Bij een vlucht dwars over Amerika kan een verkeersvliegtuig al gauw meer dan 35.000 liter kerosine verbruiken. Minder luchtweerstand betekent dus direct minder CO2-uitstoot en lagere kosten voor luchtvaartmaatschappijen. Het onderzoek komt bovendien op een moment dat hevige turbulentie door klimaatverandering flink is toegenomen, zo bleek eerder al uit ander onderzoek.

Een decennium sleutelen aan trillende materialen

De basis van de technologie ligt bij fonons: piepkleine trillingen die vastzitten in de structuur van een materiaal. Hoogleraar luchtvaarttechniek Mahmoud Hussein werkt al tien jaar aan wat hij 'fononische subsurfaces' noemt, oftewel trillende lagen net onder het oppervlak. Deze structuren nemen energie op uit de langsstromende lucht, buigen licht mee en sturen daardoor een tegengestelde trilling terug. Het resultaat is een nauwelijks zichtbare rimpeling die de luchtstroom gladstrijkt, zonder motoren of bewegende onderdelen.

Eerdere versies van dit materiaal werkten alleen bij één specifieke trillingsfrequentie, terwijl turbulentie in de praktijk juist bestaat uit een chaotische mix van frequenties. In twee nieuwe studies, gepubliceerd in Physical Review X en Proceedings of the Royal Society A, lossen de onderzoekers dat probleem op met twee nieuwe technieken. De eerste, superresonantie, gebruikt spiraalvormig gewonden structuren die een breed frequentiegebied tegelijk kunnen dempen. De tweede, scatterloze interferentie, zorgt er met een slim rasterpatroon voor dat de demping zich ook over grote oppervlakken zoals vleugels en rompen verspreidt.

Van simulatie naar windtunnel

Op dit moment bestaat het onderzoek vooral uit computersimulaties. Verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd bouwen inmiddels wel fysieke prototypes en bereiden windtunneltests voor om te checken of de theorie ook in de praktijk standhoudt. Volgens de onderzoekers reikt de toepassing verder dan de luchtvaart alleen: ook scheepsrompen, pijpleidingen en turbines zouden baat kunnen hebben bij minder wrijving door dit soort trillende materialen.