Veilig vliegen op vloeibare waterstof

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”.

Uiteindelijk zullen de nieuwe systemen in de drone worden geïntegreerd waarna de testvluchten kunnen plaatsvinden. “Vergeet overigens niet de certificatie en regelgeving. Deze blijven telkens weer van groot belang om op een veilige wijze de voorbereidingen en de vluchten met de drone uit te voeren”, benadrukt Thuis.

NLR streeft ernaar om een eerste vlucht met de HYDRA-2 en een tank gemaakt van metaal in combinatie met composiet in december 2021 uit te voeren. Daarna volgen uiterlijk in december 2022 de vluchten met de drone en een volledig composieten ‘Liquid Hydrogen’ LH2-tank.