De nieuwste lucht- en ruimtevaartinnovaties maken de weg vrij voor de volgende generatie vluchten

De snel evoluerende lucht- en ruimtevaartindustrie onderzoekt voortdurend manieren om de efficiëntie, prestaties en veiligheid te verbeteren en tegelijkertijd de CO2-uitstoot te verminderen en de duurzaamheid te behouden. 

De afgelopen jaren hebben verschillende technologische ontwikkelingen de mogelijkheden van vliegreizen zowel binnen als buiten de atmosfeer van de aarde vergroot. Deze omvat geavanceerde satelliettechnologie voor communicatie, additieve productie voor lichtgewicht componenten, elektrische voortstuwing voor minder uitstoot en lagere kosten, supersonische vluchten voor sneller reizen, en kunstmatige intelligentie en machine learning voor verbeterde operationele efficiëntie.

Aerospace richt zich op geavanceerde materialen met zeer specifieke eigenschappen. Bij systemen zijn meestal verschillende soorten materialen betrokken, variërend van thermisch keramiek tot koolstofvezel en titanium, die voor talloze doeleinden worden gebruikt om de prestaties te optimaliseren.

Het onderzoek op dit gebied heeft tot doel multifunctionele materialen te ontwikkelen, dat wil zeggen materialen die 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. 

Terwijl de lucht- en ruimtevaartindustrie vooruitgang blijft boeken, laten we eens kijken naar de nieuwste baanbrekende innovaties die deze nog verder zullen brengen.

Ontgrendelen van 'Materials Genome' om het ontwerp te bevorderen

Vorige maand ontdekten onderzoekers van de School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering van de Universiteit van Sydney ontdekte een microscopiemethode voor het ontrafelen van atomaire relaties binnen kristallijne materialen zoals geavanceerde staalsoorten en op maat gemaakt silicium.

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

Hiervoor gebruikten onderzoekers atom probe tomography (APT), een techniek die atomen in drie dimensies (3D) visualiseert, om de complexiteit van korteafstandsorde (SRO) te ontrafelen. SRO is een kwantitatieve maatstaf voor de relatieve neiging van de samenstellende elementen 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 buurtrelaties op atomaire schaal binnen het kristal in detail te kwantificeren, opent SRO “enorme mogelijkheden voor materialen die op maat worden ontworpen, atoom voor atoom, met specifieke buurtarrangementen om gewenste eigenschappen zoals sterkte te bereiken, ' zei de onderzoeksleider, professor Simon Ringer, pro-vice-kanselier (onderzoeksinfrastructuur) aan de Universiteit van Sydney.

SRO, ook wel het 'materiaalgenoom' genoemd, was een uitdaging om te meten en te kwantificeren. Deze komt doordat atomaire arrangementen op zo’n kleine schaal voorkomen dat je ze niet kunt zien met conventionele microscopietechnieken.

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

De focus van het onderzoek lag op legeringen met een hoge entropie (HEA), een gebied waar veel onderzoek naar is gedaan vanwege hun potentieel voor gebruik in situaties die sterkte bij hoge temperaturen vereisen, waaronder straalmotoren en energiecentrales.

Met behulp van geavanceerde datawetenschapstechnieken en op basis van gegevens van APT hebben de onderzoekers SRO waargenomen en gemeten. Vervolgens konden ze vergelijken hoe SRO verandert in een legering met hoge entropie van kobalt, chroom en nikkel onder verschillende warmtebehandelingen.

Volgens dr. Andrew Breen, een senior postdoctoraal onderzoeker:

“(De studie heeft een) gevoeligheidsanalyse opgeleverd 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, zou deze studie ook kunnen helpen de benaderingen van materiaalontwerp te transformeren en te laten zien hoe “kleine veranderingen op atomair niveau in de architectuur kunnen leiden tot grote sprongen in de materiaalprestaties”, zegt Dr. Mengwei He, een postdoc-onderzoeker in de School voor lucht- en ruimtevaart, mechanische en mechatronische techniek.

Bovendien verbetert het onderzoek, door een blauwdruk op microscopisch niveau te bieden, de mogelijkheden van een onderzoeker om het materiaalgedrag computationeel te simuleren, te modelleren en vervolgens te voorspellen. Het kan verder dienen als sjabloon voor toekomstige onderzoeken waarin SRO kritische materiaaleigenschappen controleert. 

Een nieuw materiaal dat hypersonische vluchten mogelijk maakt

Er is veel belangstelling voor het realiseren van duurzame vluchten met hypersonische snelheden, maar er blijven technische uitdagingen bestaan. Deze omvatten het beheersen van extreme hitte, het ontwikkelen van materialen die bestand zijn tegen stress, extreme temperaturen en oxidatie zonder de prestaties in gevaar te brengen, en het creëren van voortstuwingssystemen die efficiënt kunnen werken bij hoge snelheden en hoogten. 

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

In wat een game changer zou kunnen zijn voor hypersonische vluchten, ontwikkelden de wetenschappers een nieuw materiaal, poreus keramiek, dat ‘uitzonderlijke thermische stabiliteit’ en ‘ultrahoge druksterkte’ biedt. 

Deze heeft bereikt met behulp van een structuurontwerp op meerdere schaal, waarvan de wetenschappers zeggen dat dit voor de allereerste keer is gedaan. Bovendien opent de snelle fabricage van dit keramiek met een hoog entropiegehalte de deur voor breder onderzoek in de sectoren lucht- en ruimtevaart, chemische technologie en energieproductie en -overdracht.

De onderzoekers zeiden dat het keramiek was waren gefabriceerd door “een ultrasnelle synthesetechniek bij hoge temperaturen die kan leiden tot uitzonderlijk mechanisch draagvermogen en hoge thermische isolatieprestaties.”

Om de uitdaging van sterke, lichtgewicht materialen met een 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. Uiteraard zijn conventionele keramische materialen nog steeds onvoldoende in het omgaan met extreem hoge temperaturen en druk.

Hoewel lichtgewicht, poreuze materialen een laag thermisch overdrachtsvermogen hebben, gaan ze ook ten koste van een grotere kwetsbaarheid.

Dus begonnen de onderzoekers te werken aan het gelijktijdig verbeteren van “de mechanische sterkte en het thermische isolatievermogen van poreuze keramiek.” Deze leidde hen tot het concept met hoge entropie, dat zich richt op meerdere elementen in gelijke mate om sterkere, stabielere en hittebestendigere componenten te creëren.

De wetenschappers ontdekten dat het nieuw gecreëerde keramische materiaal – 9-kation poreuze high-entropy diboride (9PHEB) genoemd – succesvol is in het vinden van een goed evenwicht tussen hittebestendigheid en sterkte zonder de gebruikelijke beperkingen. Dit nieuwe materiaal voldeed ook aan de vereiste gewichts- en isolatienormen voor lucht- en ruimtevaartvluchten.

Volgens onderzoekers:

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

Uit het onderzoek bleek ook dat het nieuwe materiaal 9PHEB uitzonderlijk is in termen van zowel sterkte als thermische stabiliteit. 

Zelfherstellende materialen voor lucht- en ruimtevaartstructuren

Zelfherstellende polymeren en nanocomposieten zijn innovatieve materialen die de lucht- en ruimtevaartindustrie aanzienlijk vooruit hebben geholpen. Ze zijn ook het onderwerp geweest van veel onderzoek naar hun toepassingen in de elektronica, batterijen, biomedische en andere technische gebieden. 

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

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

Afhankelijk van hun mogelijkheden, deze materialen worden vaak verwezen tot intrinsieke zelfherstellende materialen, die afhankelijk zijn van chemische bindingen of moleculaire mobiliteit binnen het materiaal zelf, of tot extrinsieke zelfherstellende materialen, waarbij externe genezende middelen worden geactiveerd bij schade.

Polymeren worden als bijzonder belangrijk beschouwd bij het gebruik van structuren vanwege hun verbazingwekkende vermogen om structurele schade te herstellen. Deze is bereikt door mobilisatie van polymeerketens en verknoping.

In de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn zelfherstellende nanocomposieten bijzonder nuttig voor technische constructies, lijmen, motoren, rompen en coatings. Zelfherstellende nanocomposieten zijn verzonnen door nanodeeltjes in polymeren op te nemen. Vanwege hun vermogen om schade omkeerbaar te genezen, thermoharders en thermoplastische polymeren zijn versterkt met nanokoolstofnanodeeltjes.

Nanovulstoffen versterken het zelfherstellende effect van nanocomposieten verder. Het type en de inhoud van de nanofiller zijn essentiële factoren bij het initiëren van het zelfherstellende effect.

traditioneel, Er werden keramische en metalen materialen gebruikt om de motoren te ontwikkelen. Recentelijk worden polymere materialen en composieten echter steeds vaker gebruikt in straalmotoren die bestand zijn tegen hoge temperaturen. Deze verschuiving is niet voor niets, omdat composietmaterialen beter bestand zijn tegen structurele schade door stoten of falen.

Met keramische vezels die zeer hoge temperaturen kunnen weerstaan, hebben zelfherstellende nanocomposieten dat wel gebruikt om vaste en mobiele straalmotoronderdelen te produceren. Deze nanomaterialen hebben dat ook is gevonden bestand zijn tegen druk, schade en corrosie, wat bijdraagt ​​aan een verbeterde motorefficiëntie.

Het lopende onderzoek naar zelfherstellende polymeren toont potentieel aan voor materialen die bestand zijn tegen hoge druk, temperatuur en impactsituaties om de duurzaamheid van ruimtestructuren aanzienlijk te verbeteren. Mogelijk zien we in de toekomst zelfs de ontwikkeling van nanokoolstof-nanocomposieten die schade in lucht- en ruimtevaartstructuren waarnemen, maar daarvoor zouden nieuwe genezende middelen nodig zijn met een superieure zelfherstellende efficiëntie.

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 het vermogen hebben om zichzelf te genezen. 

Het team koos schimmels vanwege hun vermogen om zware omstandigheden te verdragen en hun relatieve kweekgemak. Schimmelcellen kunnen ook verbinding maken, wat betekent dat ze, door slechts een paar cellen door het materiaal te verspreiden, opnieuw verbinding kunnen maken en een detectienetwerk kunnen vormen. Deze levende materialen daadwerkelijk worden geproduceerd door een speciale 3D-printmethode en een nieuwe 3D-printinkt.  

Deze ontwikkeling is gemaakt als onderdeel van een vijfjarig project, AM-IMATE, dat Werd beloond een subsidie ​​van de Europese Unie. Volgens Masania:

“(Het doel van het project is) om technische structuren te maken die zich kunnen gedragen als levende organismen, die mechanische spanningen kunnen waarnemen en zich eraan kunnen aanpassen.”  

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

“Onze materialen zijn zeer licht van gewicht en duurzamer dan de momenteel gebruikte materialen”, zegt Masania, eraan toevoegend dat het vervangen van plastic en metaal betekent dat we niet afhankelijk zullen zijn van fossiele brandstoffen. Ook “kunnen de vliegtuigonderdelen worden ontmanteld en teruggegeven aan de natuur”, zei hij.

Maar dit is niet alles. Het team ziet zelfs dat hun levende materialen de basis vormen van nieuwe habitats ‘op andere planeten’ door lokale materialen te gebruiken en deze samen te binden met schimmels.

Bedrijven die toonaangevend zijn in lucht- en ruimtevaarttechnologie

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

Lockheed Martin Corporation (LMT), een van de grootste defensieaannemers ter wereld, is ook populair op dit gebied. Lockheed Martin staat bekend om zijn straaljagers, raketsystemen en ruimteverkenningstechnologieën en heeft in samenwerking met Amazon en Cisco een op AI gebaseerde telecommunicatiesoftware ontwikkeld, genaamd Callisto, om de efficiëntie en het situationeel bewustzijn aan boord van ruimtevaartuigen te verbeteren. Meest recentelijk heeft het bedrijf Terran Orbital, een leverancier van satellietgebaseerde oplossingen, overgenomen voor een deal van $450 miljoen.

Boeing is een andere grote speler in de commerciële en militaire ruimtevaart. Het bedrijf wordt momenteel nauwlettend in de gaten gehouden vanwege problemen met de kwaliteitscontrole, aanhoudende problemen met zijn 737 Max-vliegtuigen, de afhandeling van veiligheidsproblemen en de concurrentie van Airbus.

Airbus houdt zich voornamelijk bezig met het ontwerp en de productie van commerciële vliegtuigen. Om de CO2-uitstoot van zijn producten te verminderen, doet het bedrijf dat ontwikkelt bio-afgeleide materialen voor de vliegtuigproductie. Hiervoor onderzoekt het bedrijf alternatieven voor koolstofvezels afkomstig van fossiele brandstoffen worden gebruikt bij het bouwen van componenten zoals vleugels of rompschalen.

Laten we nu eens dieper ingaan op een aantal prominente namen:

#1. Raytheon-technologieën

Gericht op luchtvaartelektronica, defensie-elektronica en raketsystemen, in 2020, Raytheon voltooide de fusie met United Technologies om 's werelds meest geavanceerde leverancier van lucht- en ruimtevaart- en defensiesystemen te vormen.

Terwijl het bedrijf zijn producten en expertise wereldwijd blijft leveren, zijn enkele opmerkelijke ontwikkelingen dit jaar onder meer:

• Wordt door DARPA gekozen voor kwantumoptische sensoren die worden gebruikt in beeldvormingstoepassingen.
• Onthulling van MAYA als de toekomst van premium vliegreizen.
• Investering van $200 mln in Spokane om de productiegroei te stimuleren.
• Voltooiing van de Crew Capability Assessment-test van zijn next-gen ruimtepak voor het Internationale Ruimtestation.
• Er is een contract ter waarde van $344 mln toegekend voor de modernisering van de elektronica-eenheid voor het raketontwikkelingsprogramma.

Op het moment van schrijven worden de aandelen Raytheon (RTX:NYSE) verhandeld tegen $118.35, een stijging van 40.66% YTD. De marktkapitalisatie van het bedrijf bedraagt ​​$157.43 miljard, en het dividendrendement is dat ook 2.13%.

Voor het tweede kwartaal van 2 heeft het bedrijf gerapporteerd Een omzet van $19.7 miljard, een stijging van 8% ten opzichte van het voorgaande jaar, terwijl de operationele cashflow $2.7 miljard bedroeg. Raytheon noteerde een achterstand van $206 miljard, inclusief $129 miljard aan commerciële activiteiten en $77 miljard aan defensie. De aangepaste winst per aandeel bedroeg $1.41, een stijging van 9% ten opzichte van het voorgaande jaar.

“RTX leverde sterke operationele prestaties in het tweede kwartaal, met een organische omzetgroei van 10 procent, aangepaste marge-uitbreiding in alle drie de segmenten en een vrije kasstroom van $2.2 miljard.”

– RTX-president en CEO Chris Calio

Hij merkte ook op dat ze, gezien de achterstand en de “ongekende vraag in onze portefeuille”, zich richten op het investeren in innovatieve technologieën en mogelijkheden.

#2. Northrop Grumman

Northrop Grumman is gespecialiseerd in defensie en ruimtevaart en staat bekend om zijn werk op het gebied van onbemande systemen, cyberbeveiliging en geavanceerde ruimtevaartsystemen, waaronder de James Webb Space Telescope. Het bedrijf ontwikkelt ook de B-12 bommenwerper en het Sentinel-programma. Daarnaast werkt Northrop Grumman samen met SpaceX van Elon Musk aan een Amerikaans spionagesatellietsysteem, werkt samen met EpiSci aan geavanceerde autonomiemogelijkheden en ondersteunt het Noorse langetermijndefensieplan via zijn werk met Andøya Space.

Op het moment van schrijven worden de aandelen Northman verhandeld tegen $504.87, een stijging van 7.85% YTD, waardoor de marktkapitalisatie van het bedrijf $73.83 miljard bedraagt. Het betaalt een dividendrendement van 1.63%. Voor het tweede kwartaal van 2 rapporteerde het bedrijf een omzetstijging van 2024% tot $6.7 miljard. Het kwartaal kende een vrije kasstroom van ruim $10.22 miljard, terwijl de uitgaven ongeveer $1.11 miljard aan R&D en $3 miljard aan kapitaaluitgaven omvatten. De winst per aandeel van Northrop overtrof de verwachtingen met 1.8% en kwam uit op $7.6.

Het bedrijf verwacht een solide groei in al zijn divisies, vooral in de luchtvaart, wapensystemen en geavanceerde elektronica. Volgend jaar wordt in het ruimtevaartsegment een lichte daling verwacht als gevolg van een geannuleerd programma, maar wel groei wordt verwacht om daarna verder te gaan. Hoewel CEO Kathy Warden de beperkingen van de toeleveringsketen erkende, met name bij de inkoop van ammoniumperchloraat voor solide raketmotoren, zei ze dat ze samenwerken met de luchtmacht om de kosten te verlagen.

Klik hier voor een lijst met de top 10 aandelen in de lucht- en ruimtevaart- en defensiesector.

Conclusie

De lucht- en ruimtevaartmarkt bedraagt ​​momenteel ongeveer $300 miljard. Hoewel het tijdens de COVID-19-pandemie kortstondig daalde, is het wel gedaald is verwacht in 460 de 2028 miljard dollar zullen overschrijden. Ondertussen zullen de inkomsten van de markt voor de productie van lucht- en ruimtevaartonderdelen stijgen is geprojecteerde eind dit decennium de 1,230 miljard dollar zal overschrijden.

Gezien de groei die de sector doormaakt, vindt technologische innovatie in een snel tempo plaats. Van efficiëntere vliegtuigen via elektrische voortstuwingssystemen, de creatie van geavanceerde composietmaterialen en vooruitgang op het gebied van AI en sensortechnologie om volledig autonome vliegtuigen te realiseren, tot onderzoek en adoptie van duurzame vliegtuigbrandstoffen (SAF’s), die zijn afgeleid uit hernieuwbare bronnen gebeurt er veel en samen kunnen deze innovaties veel serieuze veranderingen teweegbrengen om de toekomst van de lucht- en ruimtevaart vorm te geven.

Klik hier voor een lijst met de vijf beste ETF's voor de lucht- en ruimtevaart waarin u kunt beleggen.