Veilig vliegen op vloeibare waterstof

NLR gaat dronevluchten uitvoeren met vloeibare waterstof als energiedrager in een volledig composieten tank. Een lichte oplossing zonder kans op metaalmoeheid. Daarmee zet NLR een nieuwe en veilige stap in de richting van een klimaatneutrale luchtvaart en draagt het bij aan de ambities van het Duurzame Luchtvaartakkoord en het daaraan gekoppelde Actieprogramma Hybride Elektrisch Vliegen.

In het najaar van 2019 heeft NLR de HYDRA-1 laten vliegen met gasvormige waterstof als energiebron. De verbeterde opvolger staat inmiddels klaar: de HYDRA-2. Net zoals zijn kleinere voorganger is deze drone vooralsnog voorzien van een – voor voertuigen commercieel beschikbare – composieten waterstoftank. Maar om langer te kunnen vliegen wil NLR de gasvormige waterstof vervangen door zijn vloeibare vorm. Die aanpassing als voortstuwingsmiddel vergroot het bereik en duur van de vlucht. Dit maakt het een haalbare optie voor de commerciële luchtvaart.

Metaalmoeheid
Op dit moment worden tanks bedoeld voor opslag van vloeibare waterstof gemaakt van metaal of composiet met een metaal-liner. Denk daarbij aan toepassingen voor in ruimtevaartuigen. Dit levert voor de luchtvaart echter een grote uitdaging op. Hoewel de ruimtevaartindustrie nu overgaat naar herbruikbare varianten, werden deze voorheen namelijk slechts eenmalig gebruikt. Hierdoor werden de metalen onderdelen van de waterstoftanks nooit ontworpen om bestand te zijn tegen een veelvoorkomend metaalprobleem: vermoeidheid, een belangrijk ontwerpcriterium voor vliegtuigconstructies.
Metaalmoeheid treedt op wanneer een metalen voorwerp maar lang genoeg op en neer buigt – dat hoeft overigens niet eens heel veel te zijn – waardoor een haarscheurtje op de lange duur uitgroeit tot een breuk. Behalve gewichtsbesparing is dit een belangrijke reden om over te stappen op het gebruik van composiet materiaal. Dat geldt ook voor de tank om vliegtuigbrandstof in op te slaan.

Grote ambitie
Volgens Bert Thuis, afdelingsmanager ‘Structures Technology’ maakt de combinatie van vloeibaar waterstof als energiedrager en een volledig composieten tank het project complex: “Dit vraagt de inzet van verschillende technische expertises uit meerdere afdelingen binnen NLR waarbij we ook de samenwerking opzoeken met externe partijen. We gaan onderzoeken hoe we het huidige commerciële systeem kunnen herontwerpen en aanpassen om het geschikt te maken voor vloeibare waterstof. We gaan hierbij uit van opslag bij extreem lage temperaturen (-263 ℃) en relatief lage drukken (1 tot 4 bar). Daarna gaan we hiervan een prototype maken en testen. Ook zullen we de bestaande HYDRA-powertrain opnieuw beoordelen en mogelijk aanpassen. Maar bedenk ook dat het tanken van vloeibare waterstof nog geen vanzelfsprekendheid is. Dat vraagt om aanpassingen voor de noodzakelijke infrastructuur”.