Elektrisch vliegen wel of niet stiller dan gewoon vliegen?

ABReL
ABReL is een losse organisatie van omwonenden van Nederlandse vliegvelden, meestal verenigd in de wettelijke COVM-overlegorganen (de COVM van Eindhoven is opgenomen in het LEO-overleg). Zie https://stichtingabrel.nl/ . BVM2 is zoiets als geassocieerd lid van ABReL.

Bij de recente jaarvergadering van ABReL op 25 november 2023 was de Delftse hoogleraar vliegtuigbouw Melkert aanwezig om vragen te beantwoorden. Melkert is altijd erg bereidwillig om op dit soort uitnodigingen in te gaan en daarvoor moet hij geprezen worden.

In de presentatie, die gebruikt werd om een lange reeks vragen te beantwoorden, gingen een paar sheets over de vraag of elektrisch vliegen stiller was dan ‘gewoon’ (fossiel) vliegen. Melkerts boodschap was dat dat, bij stand van de kennis zoals die op dit moment mogelijk is (er bestaat immers nog geen serieuze elektrische vliegtuigen waaraan iets te meten valt) tegen lijkt te vallen. Hij gebruikte daartoe een recente wetenschappelijke studie die voor geïnteresseerden te vinden is op https://doi.org/10.1051/aacus/2023009 .
Overigens kwam een alternatieve studie, die in het onderzoek besproken werd, wel tot stillere propellervliegtuigen.
Mensen  denken vaak dat elektrische vliegtuigen als vanzelfsprekend stiller zijn, want bij auto’s is dat toch ook zo? Maar zo simpel ligt het niet.

Ook BVM2 heeft interesse in de vraag ( https://bvm2.nl/hybrideelektrisch-vliegen-kan-onder-voorwaarden-beperkt-nut-hebben/ ). Reden om op deze plaats aandacht te besteden aan genoemde wetenschappelijke publicatie.

Dit artikel is de ingekorte versie van een uitvoeriger artikel. Dat is te vinden  op https://www.bjmgerard.nl/elektrisch-vliegen-wel-of-niet-stiller-dan-gewoon-vliegen/ .

Hoe kenmerkt men het geluid van één vliegtuig?
We zijn gewend aan de geluidscontouren, die gevormd worden door het gezamenlijke geluid van heel veel vliegtuigen, soms voorzien van een straffactor, en dan gemiddeld over een jaar.

Voor één vliegtuig werkt dat niet. Er is een standaardisatie nodig en internationaal doet men dat door het geluid dat een bepaald vliegtuig maakt vast te prikken op drie punten op de grond:

1. Approach (landing). Dat ligt in het verlengde van baan, op 2000m vanaf het begin. Het vliegtuig zit dan modelmatig op 120m hoogte. In de ZW-richting landend zit je dan ongeveer boven de Poot van Metz, nabij het Goederen Distributie Centrum.
2. Takeoff – sideline ligt op 450m van de startbaan (dwars gerekend) op de grond, ter plekke van waar bij het opstijgen de herrie de grootste is). In Eindhoven zit je dan aan beide kanten ongeveer op de grens van het vliegveld
3. Takeoff – flyover ligt op 6500m vanaf het begin van de startbaan (in de vliegrichting). In Eindhoven is dat ongeveer tussen ZandOerle en het gehucht Halfmijl, in de ZW-richting opstijgend.

Uiteraard liggen de punten andersom als men in de NO-richting vliegt.

De inrichting van het onderzoek
Het onderzoek gaat uit van drie ‘gangbare’ vliegtuigmotoren, die onderling zo goed mogelijk vergelijkbaar zijn.

Alle verkeersvliegtuigen op Eindhoven Airport hebben een turbofanmotor. In een turbofan zit alle energie in de uitstromende jet. In het onderzoek is gekozen voor middelgrote (oudere) en een grotere (nieuwere) turbofan.

De turboprop is van binnen ook een straalmotor, maar nu wordt met een turbine bijna alle energie uit de uitstromende jet gehouden en toegevoerd aan een propeller. Hercules vliegtuigen zijn turboprops, en veel privévliegtuigen ook.
In het onderzoek is als derde vliegtuigtype een representatieve turboprop meegenomen.

Door de bank genomen zijn turboprops efficiënter bij lagere snelheden en lagere vlieghoogtes, en turbofans idem bij hogere.
Meestal denkt men bij turboprops aan kleinere vliegtuigen op korte en middenafstandsbestemmingen. Een volbepakte Hercules haalt bijvoorbeeld de Atlantische Oceaan niet, hoewel  hij nog altijd 3800km vliegen kan (ongeveer Eindhoven-Bagdad).

De onderzoekers maken nu van elk van de drie vliegtypes in gedachten een elektrische tegenhanger die hetzelfde presteert. Dat betekent dat het brandstofdeel eruit gaat en een elektromotor ervoor in de plaats.
De onderzoekers laten alle andere dingen zoveel mogelijk hetzelfde laten, en kijken dan wat het effect is van alleen de virtuele ingreep in de motor.

De uitkomsten
De onderzoekers geven hun uitkomsten over het hele toonhoogtespectrum in de vorm van vergelijkende plaatjes (die kortheidshalve niet allemaal worden afgedrukt).

Hierboven links de middelgrote fossiele turbofanmotor, rechts de elektrische equivalent ervan, beide in het takeoff-flyoverpunt (3).
Enerzijds vallen  de posten combustor en turbine weg, en de jet grotendeels. Anderszijds moet de fan harder draaien, waardoor de rode fan-balk iets hoger uitkomt. Daarmee komt de totaalsom over het hele spectrum (de zwarte balk in de tekening) bij de elektrische variant iets hoger uit.

Neemt men voor alle vliegtuigtypes en definitiepunten (dus 6*3)de zwarte balk ‘totaal’ als uitkomst, dan leidt dat tot een verzameltabel. De belangrijkste conclusie, die de onderzoekers daaruit trekken, is dat bij gelijkblijvende overige omstandigheden van elektrisch vliegen op geluidsgebied geen wonderen verwacht mogen worden. Het is meestal licht negatief.

Bovenstaande tabel is in dB(A). Dat is een ‘zakelijke’ maat die alleen op natuurwetenschap berust (natuurkunde, wiskunde en biologie van het menselijk oor).
Maar geluid zit niet alleen in de oren, maar ook tussen de oren. Daarom is er een aanvullende maat die feitelijk gebruikt wordt voor het kenmerken van vliegtuigen, de Perceived Noise en de Effective Perceived Noise (EPNdB). In die systematiek zijn aan de ‘zakelijke’ dB’s psychologische factoren toegevoegd, zoals bij voorbeeld fluittonen (in het jargon ‘tonale geluiden’). Het voert te ver om dat hier uit te leggen. De ‘perceived noise’-verschillen liggen voor elektrische vliegtuigen meestal iets ongunstiger dan de bijbehorende dB(A)-verschillen.

Kritisch commentaar
Het is best wel mogelijk om kanttekeningen te plaatsen  bij opzet en uitkomsten van de studie. De auteurs doen dat zelf ook.

• Het is voor een normaal mens niet mogelijk om de uitkomsten te controleren. Men moet hier afgaan op de reputatie van het peer reviewed tijdschrift Acta Acustica en op de reputatie van Melkert die het aanbeveelt.
• De kracht van het artikel is ook zijn zwakte: namelijk dat het zo weinig  mogelijk aan bestaande ontwerpen verandert. Het artikel bouwt als het ware een bestaande tweemotorige A320 om in dezelfde A320, maar dan met elektromotoren.
  Maar het is helemaal  niet vanzelfsprekend dat wat voor het ene type een goed ontwerp is, dat voor het andere ook is.
• De auteurs erkennen dat er vele onzekerheden zijn. Het onderwerp is nog grotendeels onontgonnen terrein, uiteraard ook omdat er nog geen serieuze elektrische vliegtuigen bestaan. Er valt nog niet veel te meten en er is ook nog niet heel veel literatuur.
  Wat er aan literatuur is, wordt besproken.
  
  Een vergelijking met een NASA-publicatie pakt ongeveer hetzelfde uit als bij de auteurs.
  
  Een vergelijking met een A320-achtig vliegtuig met als variabele 2 tot 12 propellers (door Synodinos) pakte bij acht propellers en een hybride-elektrische voortstuwing 4dB(A) gunstiger uit.  
• Er zijn wel flink wat types (hybride) elektrische vliegtuigen in ontwikkeling.
  De NASA heeft bijvoorbeeld een compleet programma voor elektrisch vliegen. Zie https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/ en dan    https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/susan/ . Het ontwerp staat voor 2040 en de noise is TBD (hetgeen wel To Be Determined zal betekenen).
  SUSAN is een hybride-elektrisch ontwerp

• Sowieso zijn hybride ontwerpen (met electromotoren op een accu die onderweg wordt bijgeladen met een turbine). Hybride varianten verbruiken niet nul fossiele brandstof, maar wel veel minder.
• Of bijvoorbeeld de ES-30 van het Zweedse Heart Aerospace (waarvan men een elektrische en een hybride variant ontwerpt,  https://heartaerospace.com/es-30/ ) . Die zou eind jaren ’20 beschikbaar zijn, nog voor de korte afstand. Het moet een 30-zitter worden met vier motoren, dus ook hier weer een ontwerp met relatief veel en relatief kleine motoren. Voor het geluid gaat de claim echter niet verder dan ‘low community noise during takeoff and landing’.
• ZUNUM Aero belooft ‘75% lower community noise’ zonder nadere cijfers.

Kortom, de planning van nieuwe elektrische vliegtuigen biedt nog weinig duidelijkheid over hun geluid aan de grond.
De lijst met voorbeelden is overigens niet volledig.

• Wat opvalt is dat turbopropmotoren op grondniveau minder herrie lijken te  maken dan turbofanmotoren. Of dat echt in zijn algemeenheid zo is, of dat dat een toevalligheid is van de hier gekozen combinatie, kan ik niet meteen beoordelen.