Are electric jet engines possible?

Het idee van een volledig elektrische straaljager of een stil, emissievrij passagiersvliegtuig dat door de lucht snijdt, spreekt tot de verbeelding. Het roept beelden op van een revolutie in de luchtvaart, vergelijkbaar met de overgang van propeller naar straalaandrijving. De kernvraag is echter of de fundamentele principes van een straalmotor verenigbaar zijn met puur elektrische aandrijving.

Een conventionele straalmotor werkt op basis van verbranding. Hij zuigt lucht aan, comprimeert die, injecteert en ontsteekt kerosine, en stoot de hete, expanderende gassen met grote kracht uit om stuwkracht te genereren. Elektrische motoren daarentegen hebben geen verbranding of uitgestoten massa nodig; ze zetten elektrische energie direct om in mechanische rotatie. Dit fundamentele verschil maakt een directe elektrische vervanging voor de verbrandingskamer onmogelijk.

Toch is het concept van "elektrische straalaandrijving" niet sciencefiction. Het verwijst naar systemen die een elektrische energiebron gebruiken om een massa (lucht) te versnellen en zo stuwkracht te creëren. De uitdaging ligt in het ontwikkelen van technologieën die voldoende vermogen kunnen leveren bij een gewicht en volume dat praktisch is voor de luchtvaart. Dit brengt ons bij de twee cruciale componenten: de elektrische voortstuwingsmethode en de energiebron zelf.

Zijn elektrische straalmotoren mogelijk?

Ja, elektrische straalmotoren zijn technisch mogelijk en bestaan al in experimentele vorm. Het fundamentele concept is echter radicaal anders dan dat van conventionele straalmotoren. Een traditionele motor verbrandt kerosine om lucht extreem te verhitten en uit te stoten voor stuwkracht. Een elektrische straalmotor, vaak een 'elektrodynamische stuwkrachtopwekker' genoemd, gebruikt elektriciteit om lucht direct te ioniseren en te versnellen.

Een veelbelovende technologie op dit gebied is het 'Electro-Aerodynamic Propulsion' (EAD) of ionenstuwkrachtprincipe. Hierbij wordt een hoog voltage aangelegd tussen een dunne en een dikke elektrode. De intense elektrische veld ioniseert de omringende luchtmoleculen, waardoor een 'ionenwind' ontstaat. Deze geladen deeltjes worden naar de tegenovergestelde elektrode versneld en botsen onderweg met neutrale luchtmoleculen, wat een stroom van lucht en dus stuwkracht genereert.

De grootste uitdaging is schaalvergroting en energie-dichtheid. De huidige prototypes produceren slechts zeer kleine hoeveelheden stuwkracht per eenheid vermogen. Voor een commercieel vliegtuig zou dit een onpraktisch groot en zwaar energiesysteem vereisen. De technologie is daarom voorlopig het meest geschikt voor kleine, onbemande drones voor specifieke taken, waar stilte en de afwezigheid van bewegende delen een voordeel zijn.

Een directe vervanging van de grote turbofan-motoren op passagiersvliegtuigen door puur elektrische straalmotoren is met de huidige batterijtechnologie onhaalbaar. De energie-dichtheid van kerosine is ongeveer 50 keer groter dan die van de beste moderne batterijen. Een volledig elektrisch vliegtuig voor middellange afstanden zou met huidige technieken voor het overgrote deel uit batterijen moeten bestaan, wat het laadvermogen en de actieradius drastisch beperkt.

De meest realistische toekomst voor elektrische voortstuwing in de luchtvaart ligt daarom in hybride systemen. Hierbij wekken conventionele gasturbines of toekomstige waterstofbrandstofcellen elektriciteit op, die vervolgens wordt gebruikt om grote, efficiënte elektrische fans aan te drijven. Deze aanpak scheidt de stuwkrachtopwekking van de verbrandingsmotor, wat optimalisatie en een schonere operatie mogelijk maakt, terwijl het het fundamentele energiedichtheidsprobleem omzeilt.

De uitdaging van stuwkracht en energieopslag bij vliegtuigen

De kernvraag bij elektrische straalmotoren is niet of ze mogelijk zijn, maar of ze praktisch zijn voor grootschalige luchtvaart. Het fundamentele probleem ligt in de combinatie van twee natuurkundige limieten: de behoefte aan enorme stuwkracht en de extreem lage energiedichtheid van huidige batterijen.

Een conventionele straalmotor wekt stuwkracht op door lucht aan te zuigen, te comprimeren, te verbranden met kerosine en het hete gas met hoge snelheid uit te stoten. Een volledig elektrisch alternatief zou dit moeten nabootsen. Er zijn twee hoofdconcepten:

• Elektrische ducted fans (EDF's): Dit zijn krachtige elektrische ventilatoren in een behuizing. Ze zijn eenvoudig, maar genereren stuwkracht puur door accu-aangedreven propellers, niet door verbranding.



• Echte elektrische 'jets': Concepten waarbij lucht wordt gecomprimeerd en vervolgens elektrisch verhit (bijvoorbeeld met plasma of microwaves) voordat hij expandeert en wordt uitgestoten. Deze technologie bevindt zich in een experimentele fase.

De echte uitdaging begint bij de energiebron. Kerosine heeft een specifieke energie van ongeveer 12.000 Wh/kg. De beste commerciële lithium-ionbatterijen halen momenteel ongeveer 300 Wh/kg. Zelfs met een optimaal rendement van de elektromotor moet een vliegtuig dus 40 keer meer massa aan batterijen meenemen dan kerosine voor dezelfde energie. Dit maakt langeafstandsvluchten onmogelijk.

De gevolgen van deze energiedichtheid zijn direct zichtbaar in de ontwerpuitdagingen:

1. Gewichtspiraal: Meer batterijen betekent meer gewicht, wat weer meer stuwkracht en nog meer batterijen vereist om dat extra gewicht te tillen.



2. Beperkte actieradius en laadtijd: Zelfs voor korte vluchten is de actieradius beperkt. Het opladen van een gigantisch batterijpak duurt uren, vergeleken met minuten voor het tanken van kerosine.



3. Vermogensafgifte: Het continu leveren van het enorme vermogen dat nodig is voor opstijgen en klimmen stelt extreme eisen aan het batterijsysteem en de koeling.

Concluderend is de technische weg vooruit tweeledig:

• Op korte termijn: Hybride-elektrische systemen, waarbij een gasturbine een generator aandrijft voor elektrische fans. Dit reduceert de brandstofverbruiking maar elimineert deze niet.



• Op lange termijn: Een doorbraak in energieopslag, zoals batterijen met vaste stof of waterstof-brandstofcellen, gecombineerd met efficiëntere, lichtere motoren. Tot die tijd blijft een volledig elektrisch grootvliegtuig met straalmotor-achtige prestaties een immense uitdaging.

Huidige testen en hybride voortstuwingssystemen voor luchtvaart

De volledig elektrische straalmotor, aangedreven door batterijen, stuit op fundamentele energiedichtheidsbeperkingen. Daarom verschuift de focus in de huidige testfase naar hybride-elektrische voortstuwingssystemen. Deze combineren conventionele gasturbines met elektrische motoren om de totale efficiëntie te verhogen en de emissies onmiddellijk te verminderen.

Een belangrijke ontwikkeling is de testvlucht van de Airbus E-Fan X, een demonstrator waarbij één van de vier straalmotoren van een BAe 146-vliegtuig werd vervangen door een megawatt-class elektrische motor. Dit project leverde cruciale data over thermisch management en systeemintegratie op hoog vermogen.

Parallel testen bedrijven zoals Ampaire en VoltAero zogenaamde 'hybride elektrische' regionale vliegtuigen. Hierbij drijft een conventionele verbrandingsmotor een generator aan, die op zijn beurt elektromotoren in propellers van stroom voorziet. Dit 'series-hybride' ontwerp optimaliseert het toerental van de verbrandingsmotor voor maximale efficiëntie, ongeacht de vliegsnelheid.

Een andere benadering is het 'parallel-hybride' systeem, getest in projecten zoals het ESAero Eco-150. Hier kunnen zowel de turbine als de elektromotor onafhankelijk of samen de propeller aandrijven. Dit biedt flexibiliteit: elektrische stuwkracht tijdens start en klim, en traditionele aandrijving tijdens de cruise, met mogelijkheden voor regeneratief remmen.

Deze hybride systemen fungeren als een cruciale tussenstap. Ze maken de ontwikkeling en certificering van hoogvermogen elektrische aandrijflijnen en controlesystemen mogelijk binnen een realistisch kader. De opgedane kennis is essentieel voor de toekomstige doorbraak van waterstof-brandstofcel- of volledig elektrische systemen, wanneer de batterijtechnologie dat toelaat.