Säkerhet viktigast för flyget

Flyget kan bli mer miljövänligt. Stora satsningar görs på teknikutveckling för att minska flygets klimatpåverkan, även om säkerheten kommer i första rummet. Biobränslen och fler mellanlandningar skulle också minska utsläppen, men någon måste betala.

Ingo Staack, flygforskare vid LiU. Anna Nilsen

– Tekniskt har vi tre olika parametrar att arbeta med, framdrivningstekniken, flygplanets form och design - aerodynamiken - samt strukturoptimering, exempelvis genom att använda nya och lätta material. Till det kommer parametrar som handlar om hur planet flygs, på vilken höjd, i vilken hastighet, hur det stiger och landar, med mera.
Det säger Ingo Staack, flygforskare vid Avdelningen Fluida och mekatroniska system, Linköpings universitet.

Hittills har teknisk forskning och utveckling lett till en besparing i bränsleförbrukning för flyget globalt på 2,6 procent per år, från 1990 talet och fram till idag. År 2016 motsvarade det en besparing på över 20 miljoner ton koldioxid, enligt en debattartikel i Dagens Nyheter, signerad fem svenska flygforskare, bland dem LiU-professor Petter Krus.

Vi flyger allt mer

De tekniska förbättringarna äts dock upp av det ökande globala flygandet. Antalet flygpassagerare ökar i en brant uppåtgående kurva och förväntas enligt flygplanstillverkarna Boeing och Airbus öka med mellan fyra och fem procent per år fram till 2035. Största tillväxten står flygandet i Mellanöstern för, men även i Sverige ökar flygandet, inte minst på grund av lågkostnadsbolagens intåg på marknaden.

Den tekniska utvecklingen fortsätter dock i oförminskad takt. På EU-nivå finns exempelvis Horisont2020-programmet CleanSky med en budget på fyra miljarder euro och deltagare från 24 länder. Den senaste innovationen, där Sverige och Saab spelat en aktiv roll, är en förbättrad form på vingen. Genom att utnyttja de laminära strömmarna runt vingprofilen minskas friktionen från vingen med 50 procent och koldioxidutsläppen med fem procent.

Foto Anna NilsenÄven flygmotortekniken utvecklas snabbt:
– Inom flyget talar vi om By Pass Ratio, BPR, som ett mått på framdrivningens effektivitet, ju högre BPR desto känsligare motor. Idag brukar BPR i ett passagerarplan ligga upp till 12, säger Ingo Staack.

Det betyder att 12 kilo luft passerar runt gasturbinen för varje kilo som passerar inne i den. Ju högre BPR desto lägre bränsleförbrukning och mindre buller, men motorkonstruktionen blir också allt större och tyngre.

Ny motorgeneration på plats

En ny motorgeneration med högre BPR och därmed lägre bränsleförbrukning har tagits fram. Dessutom har ökad temperatur och tryck inne i motorn ökat den termodynamiska verkningsgraden. Det ställer dock högre krav på materialen - inte minst turbinbladen utsätts för stora påfrestningar. Materialutveckling för turbiner är också ett område där både LiU och Chalmers har framstående forskning.

– Vi har vunnit 15-20 procent i minskad bränsleförbrukning de senaste åren bara genom att byta ut motorerna på gamla plan. Alla teknikbyten sker med extremt höga säkerhetskrav, den nya motortekniken har testats i tusentals timmar innan den tillåts att användas i trafik, säger Ingo Staack.

En annan möjlighet är att utnyttja de laminära strömmarna på effektivast möjliga vis, inte bara runt vingarna. Forskningen inom Active flow control - aktiv flödeskontroll, är möjlig tack vare avancerade simuleringar i superdatorer och tester i vindtunnlar.

– Titta på en modern flygplansmotor så ser du att det är fullt av små hål i den del som omger inloppet till motorn. I de små hålen dras luften in och bidrar till en laminär strömning som också ger en lägre bränsleförbrukning. Den tekniken kan vi i framtiden få se även på stjärtpartiet och vingarna, säger han.

Komplext samspel

I ett flygplan finns det i stort sett bara en kraftkälla - flygplansmotorn. Kraften därifrån ska ge drivningen framåt, men också el till kabinen, kök, instrumenten i cockpit, ljus, ventilation, underhållningssystemet ombord med mera.

I Boeings senaste nyutvecklade flygplan B-787 Dreamliner har man dock bytt ut några av de pneumatiska systemen, system som drivs av tryckluft, mot system där elen hämtas direkt från motorn. Dels för att testa tekniken långsiktigt och dels för att få ökad effektivitet och ett enklare underhåll.

– De elektriska systemen blev dyra och några liknande elektriska system är inte byggda efter Dreamlinern, men flygbolagen uppskattar systemet eftersom det ökar komforten och säkerheten för passagerarna, konstaterar Ingo Staack.

Foto Anna NilsenEn annan idé som forskarna arbetar med är att bygga plan med flexibel form på vingarna. Flygplan har sett ut ungefär likadana i många år och det är en kompromiss mellan optimal form för att kunna starta och landa och den form som är mest effektiv när planet ligger på marschhöjd. Kan planet ändra konfiguration, forma om sig, uppe i luften finns det också effektivitetsvinster att hämta.

Eldrivet flyg dröjer

Eldrivna flygplan ligger långt in i framtiden, annat än i relativt små plan och på korta sträckor, därom är flygforskarna överens. Det finns ingen batteriteknik i sikte som kan klara längre flygningar än någon timma. Farhågor ställs också till säkerheten och infrastrukturen för laddning.

Däremot kan biobränslen vara ett alternativ för att få ner koldioxidutsläppen.

– Rent teknisk är det inga problem att driva dagens motorgeneration med biobränslen, det är en fråga om pris, tillgång och certifiering. De fossila bränslena är så mycket billigare, säger Ingo Staack.

Den ekonomiska föreningen FlyGreenFund, levererade förra året cirka 500 ton biobaserat flygbränsle till svenska flygplatser, finansierat med gåvor och donationer. Det motsvarar 0,5 promille av flygbränsleförbrukningen i Sverige under ett år. Men när det gäller biobränslen är det inte bara priset utan också tillgången som är en begränsande faktor.

Allt är inte teknik

Flock of migrating greylag geese flying in V-formation.Fågelsträck Foto AnagrammIngo Staack pekar också på några andra konkreta åtgärder som skulle minska bränsleförbrukningen för flyget: att införa hastighetsbegränsningar även i luften och att flyga i formation som fågelsträcken är ett par möjligheter. En tredje är att flyga med mindre plan som visserligen inte når lika långt på varje tankning men som inte heller drar så mycket bränsle för att frakta bränsle för den sista delen av resan. Att tanka i luften är en annan lösning på samma problem.

Alla åtgärder innebär dock kostnader som någon måste vara beredd att betala och det krävs internationella överenskommelser.

Centrum för flygforskning

Svensk flygforskning ligger långt fram inom flera teknikområden och har nu samlat sig i det gemensamma forskningscentrumet Swedish Aeronautics Research Center, SARC, där LiU är värduniversitet. Tanken är att de gemensamma krafterna inom SARC nu ska hjälpa till att staka ut framtiden för den svenska flygforskningen, i samklang med svensk flygindustri och internationell forskning.

LiU-forskarnas kompetens ligger, förutom inom materialområdet, främst åt det säkerhetskritiska hållet med studier av system av system, kallat SoS (Systems of Systems).

– I ett flygplan är det hundratals, kanske tusentals olika delsystem som ska fungera tillsammans. Byter man ut ett av dem, eller förändrar något i ett system, påverkar det många andra. Det är bland annat här vår expertis kommer in, vi arbetar med olika scenarier och analyserar vilka system som fungerar tillsammans, och vilka som inte gör det, säger Ingo Staack.

Att införa åtgärder som gör flyget mera miljövänligt är omöjligt om det äventyrar säkerheten.

– Säkerhet har högsta prioritet inom flygforskningen, intygar Ingo Staack.

 

SARC, Swedish Aeronautics Research Center

Finansieras av Vinnovas och Flygvapnets gemensamma forskningssatsning Innovair som även driver Nationellt flygtekniskt forskningsprogram, NFFP. Programmet är inne på sin sjunde etapp 2017-2022. I en första utlysning inom etappen har 180 miljoner kronor fördelats. 

Eldrivet flyg dröjer, men biobränslen är i alla fall en teknisk möjlighet. AlexeyPetrov

Kontakt

Forskning i fokus: Klimatsmartare resande

Framtidens bränsle

Mera forskning i fokus

Flygforskning

Senaste nytt från LiU