Turbine-elektrische aandrijving: hoe een gasturbine een vliegtuig via stroom aandrijft
Turbine-elektrische aandrijving is een manier om een vliegtuig, schip of trein voort te stuwen waarbij een gasturbine niet rechtstreeks een propeller of fan aandrijft, maar eerst een generator laat draaien. Die generator wekt elektriciteit op, en die stroom drijft vervolgens een of meerdere elektromotoren aan die op hun beurt de propellers, fans of wielen laten draaien. De turbine levert dus energie, maar de daadwerkelijke voortstuwing gebeurt elektrisch.
Een vergelijkbaar principe kennen we al lang van dieselelektrische locomotieven: de dieselmotor drijft geen wielen aan, maar een generator, en elektromotoren bij de wielen zorgen voor de beweging. Turbine-elektrische aandrijving is in wezen hetzelfde idee, maar dan met een gasturbine als energiebron in plaats van een dieselmotor, en meestal toegepast in de luchtvaart. Het voordeel: de plek waar de energie wordt opgewekt (de turbine) hoeft niet meer op dezelfde plek te zitten als waar de voortstuwingskracht wordt geleverd. Dat opent de deur naar heel andere vliegtuigontwerpen dan we nu gewend zijn.
Wat is het precies?
In een klassiek straalvliegtuig zit de turbine (de motor) direct verbonden met de fan die lucht naar achteren blaast. Eén motor, één fan, mechanisch gekoppeld via een as. Bij turbine-elektrische aandrijving wordt die mechanische koppeling losgemaakt en vervangen door een elektrisch pad.
Concreet werkt het zo: een gasturbine (vaak een kleinere, geoptimaliseerde variant dan een gewone straalmotor) drijft een generator aan. Die generator zet mechanische rotatie-energie om in elektrische stroom. Die stroom loopt via kabels naar een of meerdere elektromotoren, die vaak op heel andere plekken op het vliegtuig kunnen zitten dan de turbine zelf: verspreid over de vleugel, of bijvoorbeeld helemaal achteraan in de staart.
Dat laatste heet gedistribueerde voortstuwing: in plaats van twee grote motoren onder de vleugels, gebruik je bijvoorbeeld acht of tien kleinere elektromotoren met eigen fans, verspreid over de vleugelbreedte. Omdat elektrische kabels licht en flexibel te routeren zijn (in tegenstelling tot een fysieke aandrijfas), kan een ontwerper de energiebron en de plek van voortstuwing volledig loskoppelen.
Er bestaan verschillende varianten. Bij volledig turbine-elektrisch (ook wel turbo-elektrisch genoemd) komt alle voortstuwingsenergie van de turbine-generator; er zit geen batterij tussen. Bij hybride turbine-elektrisch wordt de turbinestroom aangevuld met batterijen, bijvoorbeeld voor extra vermogen tijdens opstijgen. De turbine fungeert dan als een soort 'range extender', vergelijkbaar met hoe sommige hybride auto's een benzinemotor gebruiken om de accu bij te laden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is brandstofbesparing en uitstootreductie in de luchtvaart, een sector die moeilijk te elektrificeren is omdat batterijen simpelweg te zwaar zijn om grote passagiersvliegtuigen volledig op stroom te laten vliegen. Turbine-elektrische aandrijving is een tussenweg: de turbine blijft de energie leveren (met kerosine of in de toekomst mogelijk duurzame brandstof), maar het elektrische aandrijfsysteem maakt het vliegtuig efficiënter.
Die efficiëntiewinst zit vooral in de vrijheid van ontwerp. Doordat motoren niet meer vast hoeven te zitten aan de turbine, kunnen ingenieurs de voortstuwing optimaliseren voor aerodynamica in plaats van voor mechanische haalbaarheid. Denk aan een fan die de grenslaag (de trage luchtlaag vlak langs de romp) opzuigt en versnelt, wat weerstand vermindert. Of aan veel kleine fans over de vleugel die de luchtstroom daar verbeteren.
Daarnaast biedt het schaalbaarheid: één grote turbine kan meerdere kleinere elektromotoren voeden, wat redundantie geeft (bij uitval van één motor blijven de andere werken) en flexibiliteit in de indeling van het toestel. Voor kleinere regionale vliegtuigen is het doel vaak directer: een deel van de vlucht, zoals taxiën en dalen, volledig elektrisch en dus stiller en zonder lokale uitstoot uitvoeren, met de turbine als back-up voor de rest.
Voorbeelden uit de praktijk
Airbus, Rolls-Royce en Siemens – E-Fan X (vanaf 2017, stopgezet in 2020): dit was het bekendste demonstratieproject. Een BAe 146-vliegtuig met vier motoren zou één van die motoren vervangen door een elektrische fan, aangedreven door een gasturbine-generator elders in het toestel. Het programma werd eind 2020 stopgezet voordat het testvliegtuig ooit vloog, mede door de impact van de coronacrisis op de luchtvaartsector. De kennis die is opgedaan wordt door de partners nog wel gebruikt in vervolgonderzoek.
NASA – concepten als N3-X en STARC-ABL: de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie onderzoekt al jaren op papier en in windtunnels hoe turbo-elektrische, gedistribueerde voortstuwing eruit zou kunnen zien. N3-X is een 'blended wing body'-concept (romp en vleugel vloeien in elkaar over) met supergeleidende motoren verspreid over de achterrand van de vleugel. STARC-ABL is een concept voor een gewoon smalromp-passagiersvliegtuig met een extra elektrische fan in de staart die de grenslaag opzuigt. Beide zijn nog altijd studies, geen gebouwde vliegtuigen.
GE Aerospace en NASA – hybride-elektrisch vermogenssysteem op testvliegtuig: GE Aerospace test, in samenwerking met NASA, een megawattklasse hybride-elektrisch aandrijfsysteem op een omgebouwd testvliegtuig (een Saab 340B), met grondtests en geplande vluchttests. Dit is één van de meest concrete pogingen om turbine-elektrische technologie daadwerkelijk in de lucht te beproeven, al betreft het een testplatform en nog geen productievliegtuig.
Heart Aerospace – ES-30 (Zweden, in ontwikkeling sinds 2022): dit Zweedse bedrijf ontwikkelt een regionaal vliegtuig voor ongeveer dertig passagiers dat op batterijen kan vliegen voor kortere afstanden, met turbogeneratoren als reserve-energiebron om het bereik te vergroten. Dit is een hybride variant waarbij de turbine niet continu draait, maar als extra vermogensbron dient. Het programma bevindt zich in de ontwikkelfase; een exacte marktintroductiedatum is, zoals bij vrijwel alle nieuwe vliegtuigprogramma's, onderhevig aan verschuivingen.
Historisch: turbo-elektrische aandrijving op zee. Het principe is niet nieuw. Al in de vroege twintigste eeuw gebruikten sommige Amerikaanse marineschepen, en later het passagiersschip RMS Queen Mary (1936), turbines die generatoren aandreven voor de scheepsschroeven in plaats van een directe mechanische koppeling. Vandaag de dag is de opvolger daarvan, dieselelektrische aandrijving, gangbaar bij veel cruiseschepen en ijsbrekers, precies om dezelfde reden: flexibiliteit in de plaatsing van motoren en schroeven.
Hoe ver is de techniek?
Voor de luchtvaart geldt: turbine-elektrische aandrijving op grote schaal, voor bijvoorbeeld een volledig passagiersvliegtuig zoals een Boeing 737 of Airbus A320, bestaat nog niet en zal vermoedelijk op zijn vroegst ergens in de jaren 2030 tot 2040 praktijkrijp worden, als het al zo ver komt. De concepten van NASA dateren van meer dan tien jaar geleden en zijn nog steeds niet voorbij de onderzoeksfase.
Het grootste technische obstakel is vermogensdichtheid: hoeveel vermogen een elektromotor of generator levert per kilogram gewicht. Voor vliegtuigen moet dit veel hoger zijn dan voor bijvoorbeeld elektrische auto's, omdat elke kilo extra gewicht in de lucht gehouden moet worden. Ook de elektrische kabels, schakelapparatuur en koeling van het systeem wegen mee, en oververhitting is een reëel risico bij de hoge vermogens die nodig zijn.
Voor kleinere, hybride toepassingen (regionale vliegtuigen met een beperkt aantal passagiers) gaat het sneller: daar zijn al testvluchten en concrete ontwikkelprogramma's, zoals bij Heart Aerospace en de GE/NASA-samenwerking. Toch is ook daar nog geen enkel toestel gecertificeerd voor commercieel gebruik. Certificering van compleet nieuwe elektrische aandrijfsystemen door luchtvaartautoriteiten zoals de Europese EASA of de Amerikaanse FAA is een langdurig en zorgvuldig proces, wat betekent dat de tijdlijnen van fabrikanten vaak optimistischer zijn dan wat er in de praktijk gehaald wordt.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten trekt NASA (met name het Glenn Research Center) al langer onderzoek naar turbo-elektrische concepten, vaak in samenwerking met de industrie. GE Aerospace is een van de grote motorenbouwers die hybride-elektrische aandrijfsystemen test, mede gefinancierd via NASA-programma's.
In Europa zijn Airbus en Rolls-Royce de belangrijkste namen, met een geschiedenis van gezamenlijke demonstratieprojecten zoals E-Fan X. Ook motorenbouwer Safran (Frankrijk) doet onderzoek naar hybride-elektrische aandrijving voor toekomstige vliegtuiggeneraties. Diverse technische universiteiten, waaronder TU Delft in Nederland en het Duitse ruimtevaartinstituut DLR, dragen bij met fundamenteel onderzoek naar elektromotoren, vermogenselektronica en systeemintegratie voor de luchtvaart.
Daarnaast zijn er kleinere, gespecialiseerde vliegtuigbouwers die zich volledig richten op hybride- en turbo-elektrische regionale vliegtuigen, zoals Heart Aerospace in Zweden en Electra.aero in de Verenigde Staten. Deze bedrijven mikken op een sneller haalbare markt: kleine regionale toestellen, in plaats van grote passagiersvliegtuigen.