Ren himmel

Tystnad… ljudet från framtidens flygplan?

Finns det flygplan utan utsläpp av växthusgaser och buller i framtidens luftfart?

Antalet flygplan i bruk ser ut att fördubblas de kommande tio åren Bara i Indien finns det planer på att bygga 200 nya flygplatser de kommande 20 åren. Den här utvecklingen innebär att branschen har mycket arbete med att tillverka miljövänligare flygplan, särskilt med tanke på utsläppsmål. För närvarande fokuserar branschen på en rad områden, däribland renare bränslen, lättare flygplan (genom att använda kolfiberkompositer), effektivare motorer och bättre lufttrafikledning. Allt det bidrar sammantaget till att utsläppsmålen som branschen och lagstiftarna har satt upp kan nås.

I videon, artikeln och informationsgrafiken nedan utforskas framtidens luftfart. Kan vi ha en renare himmel med flygplan utan utsläpp? Vad krävs det för att ta miljövänliga flygprojekt till en kommersiell nivå? Hur kan 3DEXPERIENCE-plattformen hjälpa företag som tar fram de här nya flygplanen att reducera den tid det tar att konstruera, tillverka och certifiera nya flygplan?

Kommer vi någonsin att flyga i flygplan utan bränsle?

Även om ingen med säkerhet kan säga hur framtidens flygplan kommer att se ut är det tydligt att de kommer att vara bättre för miljön.

André Borschberg vaknar från en tupplur som varat i 12 minuter. Hans kropp längtar efter mer sömn men den kalla

atmosfären med en temperatur på –20 ˚C gör honom snabbt alert. Ungefär 2 500 meter under honom ligger Stilla havet. Han är omgiven av horisonter och vidderna blir så mycket mer imponerande uppifrån. I upp till sex dagar åt gången i ett utrymme som inte är större än en telefonkiosk sover han, äter, går på toaletten, utövar yoga … och flyger ett flygplan utan bränsle.

Den tidigare jaktpiloten turas för närvarande om att flyga ett flygplan som endast drivs med solkraft jorden runt med den schweiziska äventyraren Bertrand Piccard.

Solar Impulse 2 (Si2) väger lika mycket som en bil men har ett vingspann som är bredare än en Boeing 747:a. Det är praktiskt taget en flygande solpanel. Vingarnas ovansidor, flygplanskroppen och stabilisatorn har mer än 17 000 inbäddade flexibla solceller som laddar batterierna som driver planet.

Om allt går bra är flygplanet tillbaka i Förenade Arabemiraten juli 2015 och piloterna kommer att hyllas för att ha slagit ett nytt världsrekord: det längsta avstånd ett solkraftdrivet flygplan någonsin har flygit. Solar Impulse kommer onekligen att hyllas som en historisk teknisk bedrift och en demonstration av vad mänskligheten kan uppnå, men kommer folkmassorna som väntar på planets slutliga landning att bevittna början på en ny era av miljövänlig luftfart? Samma slags avgörande ögonblick i flyghistorien som folkmassorna såg för 88 år sedan när Charles Lindbergh landade i Paris efter en rasande nonstopflygning från New York?

Lindberghs flygning representerade startskottet för det som skulle följa i utvecklingen av kommersiell luftfart, men även Si2-piloterna erkänner att solkraftdrivna flygningar i stor skala kanske aldrig lyfter.

Från Chongqing i sydvästra Kina säger Borschberg ”Vi ser inte nödvändigtvis det [bygga solkraftdrivna flygplan] som en [miljömässig] prioritet eftersom 3 % CO2 produceras av lufttransporter medan 97 % produceras av [transporter på land och till havs].

För Dimitri Mavris, professor i flygteknik på Georgia Institute of Technology, handlar det inte ens om prioriteter. Han anser att det inte går att fullständigt ersätta nuvarande passagerarflygplan med ett renodlat solkraftdrivet alternativ. ”Inte ens futuristisk batteriteknik eller 100 % effektiva solceller kommer i närheten av vad som krävs för att driva ett vanligt passagerarflygplan”, säger han.

Mavris anser att om vi vill uppnå solkraftdriven luftfart måste vi ändra flygplanens sätt att flyga. ”Flygplan skulle behöva flyga mycket långsammare och det skulle kräva stora plan med relativt liten last”, säger han och fortsätter ”vilket är vad befintliga experimentella elflygplan gör”. Givet passagerares förväntningar gällande pris och flygtid verkar det osannolikt, säger han.

Så vad finns det för flygplan vid horisonten som använder mindre eller inget bränsle men som skulle kunna vara kommersiellt gångbara?

Ett litet steg

På lång sikt tittar många flygplanstillverkare på el- och hybridflygplan, av vilka de senare kan minska utsläpp från bränsle med så mycket som 70 %.

Airbus arbetar till exempel på ett elflygplan med namnet E-Fan. Företaget hoppas att E-Fan 2.0, ”det första certifierade och helt elektriska flygplanet”, ska börja tillverkas under 2017. Det är dock ett tvåsitsplan som bara kan flyga i en timme och en kvart innan litiumpolymerbatterierna behöver laddas om. Det är inte ens tänkt att användas för lättare kommersiell luftfart. Idén är att lära sig skala upp genom att först skapa en mindre version av vad som en dag ska bli framtidens flygplan.

Varje version av E-Fan är ett steg mot E-Thrust, ett hybridflygplan för regionala flygningar som ska drivas med enbart elektricitet. Planet är en hybrid eftersom det fortfarande behöver jetbränsle när kraftenheten ska ladda batterierna på marschhöjd.

Du måste dock vänta några få årtionden innan du ser en E-Thrust eller liknande på närmaste flygplats. ”Det som håller tillbaka många av de här flygplanen är certifiering”, säger Jeff Smith, chef för Ideas Lab för flyg- och försvarsindustrin på det ledande globala programvaruföretaget, Dassault Systèmes.

”När du går från något experimentellt, som Si2, till en kommersiell tillämpning där det handlar om tiotals eller hundratals passagerare, ändras spelreglerna”.

För Michel Tellier, VD för flyg- och försvarsindustrin på Dassault Systèmes finns lösningen i simuleringar. ”Ju mer noggrant och utförligt vi kan simulera nya tekniker och koncept, desto snabbare kan vi introducera dem i den riktiga världen.

Som programvarupartner till flygplanstillverkare har vi skapat vår 3DEXPERIENCE-plattform för simulering av allt från nya nanostrukturer och komplexa system till hela flygplan. Den här kapaciteten reducerar avsevärt den tid det tar att ta fram, konstruera, tillverka och certifiera nya flygplan

Michel Tellier Vice vd för Aerospace & Defense på Dassault Systèmes

Det blir lättare

Företagets programvara kan också hjälpa flygplanstillverkare att snabbt utveckla och certifiera tuffa och lätta material för nästa generation.

Flygplanstillverkare har genom åren ersatt aluminiumdelar med komposit (plast som förstärks med kolfiber) för att göra flygplan lättare och därmed mer bränsleeffektiva. Moderna flygplan består till 50 % av komposit men ”det kan fortfarande bli bättre”, säger Smith.

Dassault Systèmes simulerade olika material för Si2 för att tillgodose flygplanets stränga viktkrav. Så småningom simulerade teamet en modell som huvudsakligen tillverkas av kolfiberkompositer och slutligen blev den modell som användes. Flygplanet var tvunget att vara så lätt som möjligt och samtidigt ge den bärkraft som behövs vid en flyghastighet på cirka 90 km/h.

Forskare vid Stanford University fann att om flygplan, likt migrerande fåglar, tilläts flyga i formation skulle det minska bränsleförbrukningen med 12 %, även med ett avstånd på tre till åtta kilometer mellan varje flygplan i formationen

Lärdomar från fåglar

Bortsett från avancerad teknik är bättre lufttrafikledning ett av de enklaste sätten att minska bränsleförbrukning. Enligt Borschberg skulle bättre lufttrafikledningssystem göra det möjligt för flygplan att landa och köra från och till banan snabbare samt flyga kortare rutter.

Forskare vid Stanford University fann att om flygplan, likt migrerande fåglar, tilläts flyga i formation skulle det minska bränsleförbrukningen med 12 %, även med ett avstånd på tre till åtta kilometer mellan varje flygplan i formationen. Skälet till det är att flygplanens vingar skapar virvlar bakom sig under flygningen. De här virvlarna kan utnyttjas av ett flygplan som flyger ovanför dem. Virvlarna ger planet bärkraft och bidrar till att minska bränsleförbrukningen.

Borschberg är övertygad om att en dag kommer flygplan att flyga i formationer utan att lufttrafikledningssystem behöver koordinera dem från marken. ”Flygplan kommer att kommunicera och koordinera sina flygvägar med varandra”, säger han. ”Jag tror också att vi kommer att se det under de kommande sextio åren.” Dock kan inte ens han precisera hur framtidens flygplan kommer att se ut. ”Om man bara tittar på Wright-brödernas eller Charles Lindberghs flygplan är det svårt att tro att vi skulle få se 747:or flyga.”

Tellier ser framtida flygplan mer som flygande datorer: ”När vi tittar på sannolika konstruktioner för framtida flygplan har de en mycket enklare arkitektur men använder mycket mer avancerade system och tekniker. De kommer att vara effektivare och smartare än nuvarande generation. En bra liknelse som hjälper oss att förstå potentialen är hur mobiltelefoner har utvecklats de senaste 20 åren – då kan vi se att luftfart troligen kommer att genomgå en liknande omvandling.”

En sak är säker. Oavsett om det handlar om lättare material, mer komplexa system, batterier eller nya flygformationer så kommer vi om 60 år att flyga i miljövänligare flygplan som använder mycket mindre bränsle eller inget alls.

Vad mer finns vid horisonten?

Formbyte

Det finns ett antal studier som undersöker hur effektiviteten kan höjas genom byta till helt andra flygplansformer. Flygplan med ovanliga former som inte passar in i den befintliga flygplatsinfrastrukturen kommer dock att ha en hög implementeringströskel eftersom det skulle krävas stora investeringar att förändra infrastrukturen.

Väte

Flygplan med det här tunga bränslet kräver nya motorer och skrov och det är osannolikt att de dyker upp än på flera årtionden. Innan dess kan vi ha sett något som liknar ZEHST-flygplanet (Zero Emission High Supersonic Transport) tillverkat av Airbus moderbolag Airbus Group (tidigare EADS). Det vätedrivna jetplanet kan flyga i nära ljudets hastighet.

Tillverkat av växter

Vilka flygplanskonstruktioner som än finns i framtiden och vilken formation de än flyger i tror många flygexperter att flytande bränsle fortsätter att vara det ledande bränslet i många år framöver. Med det i åtanke satsar många flygbolag sina resurser på biobränslen. Nyligen lovade The Boeing Company och dess partner South African Airways (SAA) att använda tobaksbaserat biobränsle. Olja från växtens frön kommer att omvandlas till jetbränsle under 2015 följt av en eventuell testflygning genomförd av SAA.

Från hybrid- till vätedrivna flygplan… 100 år av grönare flyg

April 1979 påbörjade det första bemannade flygplanet en tre minuters resa där det nådde en höjd på 12 m och flög en sträcka på 0,8 km. Flygplanets pilot och skapare, Larry Mauro, berättade kort därefter för pressen att han ville förbättra den här modellen så att flygplan en dag kunde ”regelbundet lyfta och flyga runt hela dagen med hjälp av ingenting utöver den solkraftgenererade el vi producerar under färden”.

35 år senare och det är tidig morgon måndagen den 9 mars 2015 när Solar Impulse 2 (Si2) snart ska bli det första flygplan som ska försöka flyga jorden runt enbart med solstrålar som drivmedel.

Är, som Mauro förutspådde, solkraftdrivna flygplan framtidens luftfart? Luftfartsexperter menar att det är högst osannolikt att vi under vår livstid kommer att kunna stiga ombord på solkraftdrivna flygplan. Hur kommer då framtidens luftfart att se ut om solkraft inte är lösningen? Läs vidare för att få reda på det…