Nieuwste lucht- en ruimtevaartinnovaties effenen de weg voor de volgende generatie vluchten

De snel evoluerende lucht- en ruimtevaartindustrie onderzoekt voortdurend manieren om efficiëntie, prestaties en veiligheid te verbeteren, terwijl de CO2-uitstoot wordt verminderd en duurzaamheid behouden blijft. 

In de afgelopen jaren hebben verschillende technologische doorbraken de mogelijkheden van luchtvervoer zowel binnen de atmosfeer van de aarde als daarbuiten uitgebreid. Dit omvat geavanceerde satelliettechnologie voor communicatie, additive manufacturing voor lichtgewicht componenten, elektrische voortstuwing voor verminderde emissies en lagere kosten, supersonisch vliegen voor snellere reizen, en kunstmatige intelligentie en machine learning voor verbeterde operationele efficiëntie.

Lucht- en ruimtevaart richt zich op geavanceerde materialen met zeer specifieke eigenschappen. Systemen omvatten meestal verschillende soorten materialen, variërend van keramische thermische materialen tot koolstofvezel en titanium, die voor talloze doeleinden worden gebruikt om de prestaties te optimaliseren.

Het onderzoek op dit gebied streeft naar de ontwikkeling van multifunctionele materialen, wat betekent dat materialen niet alleen structurele functies hebben, maar ook andere eigenschappen kunnen bieden, zoals actieve koeling. Om geavanceerde lucht- en ruimtevaartconcepten tot leven te brengen, moeten materialen duurzamer, lichter en kosteneffectiever zijn dan ooit tevoren. 

Naarmate de lucht- en ruimtevaartindustrie zich blijft ontwikkelen, laten we de nieuwste baanbrekende innovaties bekijken die deze nog verder zullen brengen.

Het ontsluiten van het ‘Materialen-Genoom’ om ontwerp te bevorderen

Afgelopen maand ontdekten onderzoekers van de School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering van de Universiteit van Sydney een microscopiemethode om atomrelaties binnen kristallijne materialen zoals geavanceerde staalsoorten en op maat gemaakt silicium te ontrafelen.

Dit betekent dat onderzoekers zelfs de kleinste veranderingen in de atomaire structuur van deze materialen kunnen detecteren, waardoor ons begrip van de fundamentele oorsprong van hun eigenschappen en gedrag wordt vergroot. Deze kennis zal de ontwikkeling van geavanceerde halfgeleiders voor elektronica en lichtere, sterkere legeringen voor de lucht- en ruimtevaartsector mogelijk maken.

Hiervoor gebruikten onderzoekers atomprobe-tomografie (APT), een techniek die atomen in drie dimensies (3D) visualiseert, om de complexiteit van short-range order (SRO) te ontrafelen. SRO is een kwantitatieve maat voor de relatieve neiging van de bestanddelen van een materiaal om af te wijken van een willekeurige verdeling. Het begrijpen van de lokale atomaire omgevingen is essentieel voor het creëren van innovatieve materialen.

Door de niet-willekeurigheid van buurrelaties op atomische schaal binnen het kristal in detail te kwantificeren, opent SRO “een breed scala aan mogelijkheden voor materialen die op maat worden ontworpen, atoom voor atoom, met specifieke buurarrangementen om gewenste eigenschappen zoals sterkte te bereiken,” aldus de studieleider, professor Simon Ringer, Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) aan de Universiteit van Sydney.

Soms aangeduid als het ‘materialen-genoom’, is SRO een uitdaging om te meten en te kwantificeren. Dit komt doordat atomaire rangschikkingen zich op zo’n kleine schaal voordoen dat ze niet met conventionele microscopietechnieken zichtbaar zijn.

Daarom ontwikkelde het onderzoeksteam een nieuwe methode met behulp van APT die deze uitdagingen overwint, waardoor het “een belangrijke doorbraak in de materiaalkunde” is, zei Ringer, materiaalingenieur bij AMME. 

De studie richtte zich op high-entropy legeringen (HEA’s), een intens onderzocht gebied vanwege hun potentieel voor toepassingen die hoge temperatuursterkte vereisen, zoals straalmotoren en energiecentrales.

Met behulp van geavanceerde datawetenschapstechnieken en data uit APT observeerden en maten de onderzoekers SRO. Ze konden vervolgens vergelijken hoe SRO verandert in een high-entropy legering van kobalt, chroom en nikkel onder verschillende warmtebehandelingen.

Volgens Dr. Andrew Breen, senior postdoctoraal onderzoeker:

“(De studie heeft een) gevoeligheidsanalyse geproduceerd die het precieze bereik van omstandigheden begrenst waarbij dergelijke metingen geldig zijn en waar ze niet geldig zijn.”

Door SRO te meten en te begrijpen, kan deze studie ook helpen de benaderingen van materiaalkunde te transformeren en aantonen hoe “kleine veranderingen in de atomaire architectuur kunnen leiden tot enorme sprongen in materiaalkwaliteit,” zei Dr. Mengwei He, postdoc-onderzoeker aan de School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering.

Bovendien, door een blauwdruk op microscopisch niveau te bieden, vergroot de studie de mogelijkheden van onderzoekers om materiaalgedrag computationeel te simuleren, modelleren en vervolgens te voorspellen. Het kan bovendien dienen als sjabloon voor toekomstige studies waarin SRO kritieke materiaaleigenschappen regelt. 

Een nieuw materiaal om hypersonisch vliegen mogelijk te maken

Er is veel belangstelling voor het bereiken van duurzame vlucht op hypersonische snelheden, maar technische uitdagingen blijven bestaan. Deze omvatten het beheersen van extreme hitte, het ontwikkelen van materialen die stress, extreme temperaturen en oxidatie kunnen weerstaan zonder de prestaties te compromitteren, en het creëren van voortstuwingssystemen die efficiënt kunnen werken op hoge snelheden en hoogten. 

Terwijl onderzoekers oplossingen voor deze problemen zoeken, meldden wetenschappers van de School of Materials Science and Engineering van de Guangzhou University een doorbraak in hypersonische hitteschilden eerder dit jaar.

Wat een keerpunt kan betekenen voor hypersonisch vliegen, ontwikkelden de wetenschappers een nieuw materiaal, poreus keramiek, dat “uitzonderlijke thermische stabiliteit” en “ultra-hoge compressieve sterkte” biedt. 

Dit is bereikt door een multi-schaal structuurontwerp te gebruiken, wat de wetenschappers zeggen dat voor de eerste keer is gedaan. Bovendien opent de snelle fabricage van dit high-entropy keramiek de deur naar bredere verkenning in de sectoren lucht- en ruimtevaart, chemische engineering en energieproductie en -overdracht.

De onderzoekers zeiden dat het keramiek werd vervaardigd via “een ultrasnelle hoogtemperatuursynthesetechniek die kan leiden tot uitzonderlijke mechanische draagcapaciteit en hoge thermische isolatieprestaties.”

Om de uitdaging van sterke, lichtgewicht materialen met lage thermische geleidbaarheid aan te pakken, gebruikten wetenschappers keramische materialen die niet brandbaar en corrosiebestendig zijn, hoge smeltpunten hebben en een lage thermische geleidbaarheid vertonen. Natuurlijk zijn conventionele keramische materialen nog steeds onvoldoende om extreem hoge temperaturen en druk te weerstaan.

Hoewel lichtgewicht, poreuze materialen een lage thermische overdracht hebben, gaan ze ten koste van een grotere broosheid.

Dus begonnen de onderzoekers simultaan de “mechanische sterkte en thermische isolatiecapaciteit van poreus keramiek” te verbeteren. Dit bracht hen bij het high-entropy concept, dat zich richt op meerdere elementen in gelijke verhoudingen om sterkere, stabielere en hittebestendigere componenten te creëren.

De wetenschappers vonden het nieuw gecreëerde keramische materiaal — genaamd 9-cation poreus high-entropy diboride (9PHEB) — succesvol in het vinden van een goede balans tussen hittebestendigheid en sterkte zonder de gebruikelijke beperkingen. Dit nieuwe materiaal voldeed ook aan de vereiste gewicht- en isolatiestandaarden voor lucht- en ruimtevaartvluchten.

Volgens de onderzoekers:

“Hoge‑kwaliteit interfaces, gekenmerkt door sterke bindingen zonder defecten of amorfe fasen, kunnen de snelle krachtoverdracht langs het bouwblok en naar vele andere via verbindingen bij belasting bevorderen, wat leidt tot een aanzienlijke verbetering van de mechanische sterkte.”

De studie merkte ook op dat het nieuwe materiaal 9PHEB uitzonderlijk is zowel qua sterkte als thermische stabiliteit. 

Zelfherstellende materialen voor lucht- en ruimtevaartstructuren

Zelfherstellende polymeren en nanocomposieten zijn innovatieve materialen die de lucht- en ruimtevaartindustrie aanzienlijk hebben vooruitgestuwd. Ze zijn ook het onderwerp van uitgebreid onderzoek voor hun toepassingen in elektronica, batterijen, biomedisch en andere technische gebieden. 

Hoewel zelfherstellende materialen al eeuwen bestaan, is er de afgelopen decennia een aanzienlijke toename in innovatie op dit gebied geweest, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van synthetische zelfherstellende materialen.

Deze materialen kunnen in verschillende vormen worden aangetroffen, afhankelijk van hun unieke chemie, waaronder thermoplastische polymeren, thermohardende polymeren, elastomeren, vormgeheugenpolymeren, polymeercomposieten en nanocomposieten. 

Afhankelijk van hun vermogen worden deze materialen vaak aangeduid als intrinsieke zelfherstellende materialen, die vertrouwen op chemische bindingen of moleculaire mobiliteit binnen het materiaal zelf, of extrinsieke zelfherstellende materialen, waarbij externe genezingsmiddelen activeren bij schade.

Polymeren worden als bijzonder belangrijk beschouwd voor structureel gebruik vanwege hun verbazingwekkende vermogen om structurele schade te repareren. Dit wordt bereikt door polymerenketenmobilisatie en crosslinking.

In de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn zelfherstellende nanocomposieten bijzonder nuttig voor ontworpen structuren, lijmen, motoren, romp en coatings. Zelfherstellende nanocomposieten worden vervaardigd door nanodeeltjes in polymeren te incorporeren. Voor hun vermogen om schade omkeerbaar te herstellen, worden thermohardende en thermoplastische polymeren versterkt met nano‑koolstofnanodeeltjes.

Nanovullers versterken het zelfherstellende effect van nanocomposieten verder. Het type en de hoeveelheid nanovuller zijn essentiële factoren bij het initiëren van het zelfherstellende effect.

Traditioneel werden keramische en metalen materialen gebruikt om motoren te ontwikkelen. Recentelijk worden echter steeds vaker polymeer- en composietmaterialen ingezet in hoogtemperatuurbestendige straalmotoren. Deze verschuiving heeft een goede reden, aangezien composietmaterialen beter bestand zijn tegen structurele schade door impact of falen.

Met keramische vezels die zeer hoge temperaturen kunnen weerstaan, zijn zelfherstellende nanocomposieten gebruikt om vaste en mobiele componenten van straalmotoren te produceren. Deze nanomaterialen blijken ook bestand te zijn tegen druk, schade en corrosie, wat bijdraagt aan een verbeterde motorrendement.

Het lopende onderzoek naar zelfherstellende polymeren toont potentieel voor materialen die hoge druk, temperatuur en impactsituaties kunnen weerstaan om de duurzaamheid van ruimte‑structuren aanzienlijk te verbeteren. We zouden in de toekomst zelfs de ontwikkeling van nanokoolstof‑nanocomposieten kunnen zien die schade in lucht‑ en ruimtevaartstructuren detecteren, maar dat zou nieuwe genezingsmiddelen met superieure zelfherstellende efficiëntie vereisen.

Interessant is dat in de wereld van zelfherstellende materialen Dr. Kunal Masania, universitair hoofddocent lucht‑ en ruimtevaartstructuren en materialen aan de Technische Universiteit Delft in Nederland, ontwikkelde “levende materialen” voor gebruik in de lucht‑ en ruimtevaartsector. Deze levende materialen bevatten micro‑organismen zoals bacteriën en schimmels, waardoor ze zelfherstellend zijn.

Het team koos voor schimmels vanwege hun vermogen om barre omstandigheden te tolereren en hun relatief gemakkelijke teelt. Schimmelcellen kunnen ook verbinden, wat betekent dat door slechts enkele cellen door het materiaal te verspreiden, ze zich kunnen herverbinden en een detectienetwerk vormen. Deze levende materialen worden daadwerkelijk geproduceerd via een speciale 3D‑printmethode en een nieuwe 3D‑printinkt.  

Deze ontwikkeling maakte deel uit van een vijfjarig project, AM-IMATE, dat een subsidie kreeg van de Europese Unie. Volgens Masania:

“(Het doel van het project is) om ontworpen structuren te maken die zich kunnen gedragen als levende organismen, in staat om mechanische spanningen te detecteren en zich daaraan aan te passen.” 

Door biologische zelfherstellende materialen te gebruiken, kan niet alleen de duurzaamheid en prestaties van kritieke structuren in de lucht‑ en ruimtevaart worden verbeterd, maar kan het ook duurzaam zijn. Het AM-IMATE‑team onderzoekt momenteel het gebruik van composieten als kernmateriaal voor vliegtuiginterieurs.

“Onze materialen zijn zeer lichtgewicht en duurzamer dan de momenteel gebruikte materialen,” zei Masania, toevoegend dat het vervangen van plastic en metaal betekent dat we niet afhankelijk hoeven te zijn van fossiele brandstoffen. Ook, “de vliegtuigonderdelen kunnen worden gedemonteerd en teruggegeven aan de natuur,” voegde hij toe.

Maar dat is nog niet alles. Het team ziet hun levende materialen zelfs als basis voor nieuwe habitats “op andere planeten” door lokale materialen te gebruiken en deze met schimmels te binden.

Bedrijven die vooroplopen in lucht‑ en ruimtevaarttechnologie

Als we kijken naar de bedrijven die actief zijn in de lucht‑ en ruimtevaartindustrie, zijn er verschillende belangrijke spelers die technologie vooruitstuwen, waaronder General Dynamics Corporation (GD ) (GD), SpaceX (SPCX ), Virgin Galactic (SPCE ) en Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT ) (LMT), een van de grootste defensiecontractanten ter wereld, is ook een prominente speler in dit domein. Bekend om zijn gevechtsvliegtuigen, raketsystemen en ruimteverkenningstechnologieën, heeft Lockheed Martin in samenwerking met Amazon (AMZN ) en Cisco een AI‑gebaseerde telecommunicatiesoftware genaamd Callisto ontwikkeld om de efficiëntie en situationele bewustzijn aan boord van ruimtevaartuigen te verbeteren. Recentelijk heeft het Terran Orbital , een leverancier van satellietoplossingen, overgenomen in een deal van $450 miljoen.

Boeing is een andere belangrijke speler in commerciële en militaire lucht‑ en ruimtevaart. Het bedrijf staat momenteel onder intensief toezicht vanwege kwaliteitscontrolevraagstukken, aanhoudende problemen met zijn 737 Max‑vliegtuigen, veiligheidszorgen en concurrentie van Airbus.

Airbus is voornamelijk betrokken bij het ontwerp en de productie van commerciële vliegtuigen. Om de CO2‑uitstoot van haar producten te verminderen, ontwikkelt bio‑afgeleide materialen voor vliegtuigproductie. Hiervoor onderzoekt het bedrijf alternatieven voor koolstofvezels die uit fossiele brandstoffen worden gewonnen en die worden gebruikt bij het bouwen van componenten zoals vleugels of romp‑schalen.

Laten we nu dieper ingaan op een paar prominente namen:

#1. Raytheon Technologies

Gefocust op avionica, defensie‑elektronica en raketsystemen, in 2020, voltooide Raytheon zijn fusie met United Technologies om ‘s werelds meest geavanceerde leverancier van lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensiesystemen te vormen.

Naarmate het bedrijf zijn producten en expertise wereldwijd blijft leveren, omvatten enkele opvallende ontwikkelingen dit jaar:

• Gekozen door DARPA voor kwantum‑optische sensoren die worden gebruikt in beeldtoepassingen.
• Introductie van MAYA als de toekomst van premium luchtreizen.
• Investering van $200 miljoen in Spokane om de productiegroei te stimuleren.
• Voltooiing van de Crew Capability Assessment‑test van zijn next‑gen ruimtepak voor het International Space Station.
• Toekenning van een contract van $344 miljoen om de elektronica‑eenheid voor het raketontwikkelingsprogramma te moderniseren.

Op het moment van schrijven worden Raytheon (RTX:NYSE) aandelen verhandeld tegen $118,35, een stijging van 40,66% YTD. De marktkapitalisatie van het bedrijf bedraagt $157,43 miljard, en het dividendrendement is 2,13%.

Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf $19,7 miljard aan omzet, een stijging van 8% ten opzichte van het voorgaande jaar, terwijl de operationele kasstroom $2,7 miljard bedroeg. Raytheon noteerde een achterstand van $206 miljard, inclusief $129 miljard commercieel en $77 miljard defensie. De aangepaste winst per aandeel (EPS) was $1,41, een stijging van 9% ten opzichte van het voorgaande jaar.

“RTX leverde een sterke operationele prestatie in het tweede kwartaal, met 10 procent organische omzetgroei, aangepaste margesverbreding over alle drie segmenten, en $2,2 miljard aan vrije kasstroom.”

– RTX President en CEO Chris Calio

Hij merkte ook op dat met de achterstand en “ongekende vraag over ons portfolio” ze zich richten op investeringen in innovatieve technologieën en capaciteiten.

#2. Northrop Grumman

Gespecialiseerd in defensie en lucht‑ en ruimtevaart, staat Northrop Grumman (NOC ) bekend om zijn werk op het gebied van onbemande systemen, cyberbeveiliging en geavanceerde ruimte‑systemen, waaronder de James Webb Space Telescope. Het bedrijf ontwikkelt ook de B‑12 bommenwerper en het Sentinel‑programma. Daarnaast werkt Northrop Grumman samen met Elon Musk’s SpaceX aan een Amerikaans spionagesatellietsysteem, werkt het samen met EpiSci aan geavanceerde autonomie‑mogelijkheden, en ondersteunt het de langetermijn‑defensie‑strategie van Noorwegen via zijn samenwerking met Andøya Space.

Op het moment van schrijven worden Northrop‑aandelen verhandeld tegen $504,87, een stijging van 7,85% YTD, wat de marktkapitalisatie van het bedrijf op $73,83 miljard brengt. Het betaalt een dividendrendement van 1,63%. Voor Q2 2024 rapporteerde het bedrijf een omzetstijging van 6,7% tot $10,22 miljard. Het kwartaal zag meer dan $1,11 miljard aan vrije kasstroom, terwijl de uitgaven ongeveer $3 miljard aan R&D en $1,8 miljard aan kapitaalinvesteringen omvatten. Northrop’s EPS overtrof de schattingen met 7,6% en kwam uit op $6,36.

Het bedrijf heeft een solide groei over zijn divisies voorspeld, met name in de luchtvaart, wapensystemen en geavanceerde elektronica. Een lichte daling wordt verwacht in het ruimte‑segment volgend jaar vanwege een geannuleerd programma, maar groei wordt verwacht daarna weer op te pakken. Terwijl het de beperkingen in de toeleveringsketen erkent, specifiek bij de inkoop van ammoniumperchloraat voor vaste raketmotoren, gaf CEO Kathy Warden aan dat ze samenwerken met de luchtmacht om de kosten te verlagen.

Klik hier voor een lijst van de top 10 lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensie‑aandelen.

Conclusie

De lucht‑ en ruimtevaartmarkt bedraagt momenteel ongeveer $300 miljard. Terwijl deze kortelijk daalde tijdens de COVID‑19‑pandemie, wordt verwacht dat deze $460 miljard zal overschrijden tegen 2028. Ondertussen wordt de omzet van de markt voor lucht‑ en ruimtevaartonderdelen verwacht te stijgen tot meer dan $1.230 miljard aan het einde van dit decennium.

Gezien de groei die de industrie doormaakt, gebeurt technologische innovatie in een rap tempo. Van efficiëntere vliegtuigen via elektrische voortstuwingssystemen, de creatie van geavanceerde composietmaterialen, en vooruitgang in AI‑ en sensortechnologie om volledig autonome vliegtuigen te realiseren, tot onderzoek en adoptie van duurzame vliegtuigbrandstoffen (SAF’s), die afgeleid zijn van hernieuwbare bronnen, gebeurt er veel en samen kunnen deze innovaties aanzienlijke veranderingen teweegbrengen die de toekomst van de lucht‑ en ruimtevaart vormgeven.

Klik hier voor een lijst van de vijf beste lucht‑ en ruimtevaart‑ETF’s om in te investeren.