Vliegen op waterstof voorkomt CO2-uitstoot, maar er zijn nog flinke uitdagingen wat betreft vlamstabiliteit, NOx-emissies en betrouwbaarheid. Francesca de Domenico, universitair docent ‘Sustainable Aircraft Propulsion’, ziet dit als een mogelijkheid tot radicale innovatie van verbrandingssystemen voor de luchtvaart. Haar experimentele onderzoek vormt de basis voor oplossingen en het bevorderen van een duurzame luchtvaart.
16 december 2024
Kerosine is de belangrijkste brandstof voor vliegtuigen omdat het een hoge energiedichtheid heeft, betaalbaar is en veilig in gebruik. Maar het kostte tientallen jaren aan geleidelijke verbeteringen om tot de huidige hoog-efficiëntie motoren te komen. “Dat is niet het pad dat we willen bewandelen als we vliegtuigen met waterstof willen aandrijven,” zegt Francesca De Domenico, universitair docent ‘Sustainable Aircraft Propulsion’. “Deze keer willen we het in één keer goed doen.”
Een grote uitdaging is dat bestaande modellen voor het verbranden van kerosine niet op waterstof van toepassing zijn. Dat komt doordat het heel andere verbrandingseigenschappen heeft, zoals een veel hogere vlamsnelheid. Wil waterstof zijn potentieel als emissievrije brandstof voor de luchtvaart kunnen waarmaken, dan moeten er dus nieuwe verbrandingsmodellen worden ontwikkeld. “Nauwkeurige, gedetailleerde metingen vormen de basis hiervoor. Met mijn experimentele observaties wil ik theoretische aannames toetsen, nieuwe fenomenen ontdekken en innovatieve oplossingen mogelijk maken.
In de vlam kijken
Ze gebruikt vooral lasers om de waterstofvlam tot in detail te ontleden. Deze zijn namelijk bij uitstek geschikt voor extreme omstandigheden waar traditionele sensoren falen. En omdat de lasers de vlam zelf niet beïnvloeden, leveren de experimenten zuivere en betrouwbare data op. “Die data zijn essentieel om de dynamiek van waterstofverbranding tot in de puntjes te begrijpen, waardoor we uiteindelijk efficiënte straalmotoren kunnen ontwerpen.”
Francesca kan verschillende verbrandingskamers in haar opstelling inpassen. Hierdoor kan ze diverse verbrandingsparameters nauwkeurig variëren, zoals de injector die de brandstof inspuit, de druk, de lucht-brandstofverhouding en de manier waarop deze vermengd worden. “We kunnen ook uit verschillende lasers kiezen waardoor we allerlei lokale vlam-eigenschappen kunnen meten; de temperatuur, de concentratie van reactieproducten, de stroomsnelheid, en nog veel meer.”
Mijn missie is om op een disruptieve manier het voorstuwen van vliegtuigen te veranderen.
Francesca de Domenico
Naast het behalen van een zo hoog mogelijk verbrandingsrendement dienen haar experimenten ook om twee andere uitdagingen van vliegen op waterstof aan te pakken. Door de veel hogere vlamsnelheid kunnen zogenoemde flashbacks optreden, waarbij de vlam achteruit de brandstofinjector inschiet. Dit kan tot gevaarlijke situaties leiden. Het verbranden van waterstof gaat daarnaast ook gepaard met veel hogere vlamtemperaturen. Dit kan de uitstoot van NOx vergroten, met name als het verbrandingsproces niet goed ontworpen is. “Met mijn onderzoek wil ik nieuwe experimentele inzichten blootleggen, waardoor we deze uitdagingen met innovatief ontwerpen het hoofd kunnen bieden.”
Een bijzondere plek
Met het oog op een schonere toekomst vindt in Europa al veel onderzoek naar waterstof plaats. Het bijzondere aan Francesca’s onderzoek is dat zij zich specifiek op voorstuwing voor een duurzame luchtvaart richt. “Aan de TU Delft werken experts die de gehele keten van waterstof-aangedreven luchtvaart onderzoeken – van motoren tot brandstofsystemen tot gehele vliegtuigen en hun uitstoot. We houden voortdurend rekening met wat waterstofverbranding voor deze eindgebruikers en hun specifieke behoeften betekent.”
Ze werkt ook nauw samen met wetenschappers op het gebied van computersimulaties van waterstofverbranding. “In hun simulaties komen zij vaak fenomenen tegen die ze dan met experimenten bevestigd willen zien. Praktijktests dragen zo bij aan het steeds verder verbeteren en verfijnen van hun modellen, waardoor ze nauwkeuriger worden. Tegelijkertijd helpen hun simulaties ons bij het verklaren van onze waarnemingen – door ons inzicht te geven in wat anders onzichtbaar zou blijven. Zulk teamwerk is uitermate belangrijk voor nieuwe ontdekkingen en verbeterde technologie.”
Brandstofmengsels
Zelfs met een veel beter begrip van waterstofverbranding verwacht Francesca niet dat er al vóór 2040 passagiersvliegtuigen op vloeibare waterstof zullen vliegen. Ze kijkt daarom ook naar brandstofmengsels. “Een beetje waterstof aan kerosine toevoegen is een praktische tussenoplossing voor de komende jaren. Het idee erachter is dat er niet vanaf nul een geheel nieuw vliegtuig of nieuwe motor hoeft te worden ontworpen. Dit brengt op korte termijn al de uitstoot terug, terwijl het de weg bereidt voor volledig door waterstof aangedreven vliegtuigen.”
Met kleine stapjes de CO2 uitstoot verminderen is geen oplossing. We hebben revolutionaire veranderingen nodig.
Francesca de Domenico
She also applies her setup and expertise beyond aviation. “We participate in a project investigating the simultaneous use of hydrogen and ammonia for land-based applications such as power generation and heating. We also explore technologies that involve a more complex design of the combustion chamber – one that wouldn’t be suitable for airplanes.” Indeed, it is fair to say that the lab-scale hydrogen flames, burning at Aerospace Engineering, could play a significant role in powering the energy transition.
Lees ook:
Een beetje waterstof aan kerosine toevoegen is een praktische tussenoplossing voor de komende jaren.
Gedetailleerde verbrandingsmetingen vormen de basis voor waterstof als emissievrije brandstof voor de luchtvaart.
