Dreig je te vallen met je fiets, dan stuur je ongemerkt in de richting van de aankomende val. Dit correctie-principe is natuurkundig te verklaren; de steunpunten – je wielen- blijven namelijk in balans met het zwaartepunt. Nu is voor het eerst ook wetenschappelijk aangetoond dat dit principe van fietsstabiliteit van draagvleugelboten, zoals de TU Delft Solar Boat, stabiel kan houden. De studenten publiceerden hun bevindingen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Naval Engineers Journal van de American Society of Naval Engineers.
Schematische weergave van de TU Delft Solar Boat, met twee draagvleugels achter elkaar. Van deze weergave maakten de studenten een dynamisch wiskundig model. Met dit model kan het gedrag van elke draagvleugelboot voorspeld worden. Tekening van de Studenten.
Wiskundig model
Draagvleugels zijn kleine vleugels onder een boot, die met genoeg snelheid de romp van de boot uit het water weten te liften op dezelfde manier als vliegtuigvleugels de romp van een vliegtuig de lucht in tillen. Stabiliteit van een ‘vliegende boot’ is al jaren een uitdaging. In dit fenomeen hebben studenten Gijsbert van Marrewijk en Johan Schonebaum zich vastgebeten sinds ze in 2013 deel uitmaakten van het TU Delft Solar Boat Team. ‘Wij valideerden met een wiskundig model of een draagvleugelboot met twee draagvleugels achter elkaar in het water op dezelfde manier stabiel gehouden wordt als een fiets’, vertelt van Marrewijk. Door de TU Delft Solar Boat uit 2016, ontworpen en gebouwd door TU Delft studenten, onder begeleiding van fietsonderzoeker Arend Schwab te onderwerpen aan diverse experimenten, toonden ze aan dat de draagvleugelboot zichzelf inderdaad stabiel houdt op dezelfde wijze als een fiets dat doet.
Johan Schonebaum
Computersimulator
Tijdens deze experimenten stuurde de piloot in de richting waar de boot heen dreigde te vallen en werden zaken als snelheid, vlieghoogte en rolhoek in kaart gebracht. ‘Omdat het sturen en stabiel houden van een draagvleugelboot veel moeilijker is dan een fiets, werd de piloot intensief getraind door de studenten van het Solar Boat team’, legt Johan Schonebaum uit. Maar een boot is geen fiets; ze heeft immers geen ronddraaiende wielen maar kleine draagvleugels onder het wateroppervlak. Bovendien wordt het gewicht anders verdeeld en gedragen dan bij een fiets. ‘Direct het water op is voor een draagvleugelbootpiloot eigenlijk onbegonnen werk, daarom hebben wij nu ook een computersimulator gemaakt waarmee een piloot aardig wat vaaruren kan maken voordat hij echt het water op gaat’. Het gevalideerde wiskundige model is in deze trainingstool ingebouwd. De stabiliteit van nieuwe zonnebootontwerpen kan met dit model voortaan van tevoren goed doorgerekend worden. ‘Tot nu toe kwamen we er pas in het water achter als de boot niet stabiel genoeg was, deze simulator scheelt de komende Solar Boat teams waarschijnlijk veel onnodige bouwuren en frustratie’, aldus Schonebaum. Het onderzoek is dit jaar direct gebruikt voor het ontwerp van de nieuwste zonneboot. Het team heeft het stuursysteem uitgebreid op basis van de uitkomsten van het onderzoek waardoor de boot op een hogere snelheid bochten kan maken met een kleinere draaicirkel.
Publicatie
In de praktijk werd al snel duidelijk dat het lage gewicht van de TU Delft Solar Boat 2016 (100 kg) in combinatie met het innovatieve sturingsmechanisme goed was voor topsnelheden van wel 55 km/u. In 2016 leverde deze snelheid het TU Delft Solar Boat Team tweemaal een zilveren medaille op; tijdens de wereldkampioenschappen zonneboot racen in Friesland en tijdens de Monte Carlo Cup in Monaco. Maar wetenschappelijk bewijs voor dit stabiliteitsmechanisme ontbrak tot nu toe. ‘Het is een bijzonder knappe prestatie dat deze studenten ook met dit onderzoekspaper aantonen dat een boot kan varen zoals een fiets rijdt’, zegt Schwab. ‘Het komt bovendien niet vaak voor dat onderzoek uitgevoerd door master studenten wordt gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift.’
Zuinig
‘Een publicatie is natuurlijk leuk, maar belangrijker is dat dit inzicht in de werking van draagvleugeltechnologie ook de scheepsvaart op termijn nog duurzamer zou kunnen maken’, vindt van Marrewijk. Oude boten hadden altijd meerdere vleugels nodig om de boot stabiel uit het water te tillen. ‘Net zoals zijwieltjes een fiets stabiel houden voor kinderen’, legt van Marrewijk uit. Een boot die op deze nieuwe manier uit het water getild wordt, heeft minder vleugels nodig en dus minder waterweerstand en kan daardoor een stuk zuiniger varen. ‘De weerstand kan vergeleken worden met die van een mensenhand die door het water glijdt’, aldus van Marrewijk. ‘Hoeveel zuiniger dat voor een grotere boot precies zou kunnen zijn zal vervolgonderzoek moeten uitwijzen, maar wij verwachten dat scheepsbouwbedrijven zeker interesse hebben in dit principe om draagvleugelboten stabiel te houden’.
Over het TU Delft Solar Boat Team
Het TU Delft Solar Boat Team ontwerpt en bouwt draagvleugelboten aangedreven door puur en alleen zonne-energie. De draagvleugels tillen de gehele romp uit het water waardoor de waterweerstand verlaagd wordt. Hierdoor kunnen de boten een hoge snelheid behalen op zeer weinig energie, namelijk met het vermogen vergelijkbaar met dat van twee waterkokers.
Met deze boten wordt meegedaan aan de jaarlijkse Solar Sport One, het wereldkampioenschap voor zonneboten. Het TU Delft Solar Boat Team wordt volledig gerund door studenten en verandert elk jaar van samenstelling.
