Dansk design kan spare fly for mange ton brændstof
Nyt værktøj kan gøre flyrejser mere miljøvenlige indenfor en overskuelig fremtid.
Fly topologioptimering supercomputer

Vægten på et fly er afgørende for, hvor meget brændstof det bruger. Hvis flyet kan blive lettere, vil det bruge langt mindre brændstof. (Foto: Shutterstock)

Fly er tunge. Meget tungere, end de behøver at være. Som det er nu, optimerer ingeniørerne enkeltdele af konstruktionen og sætter dem sammen efterfølgende. Det giver ikke nødvendigvis den optimale opbygning.

Men flyene kan snart bygges meget lettere og dermed spare op til 200 ton brændstof per fly om året – og det er et lavt sat.

Forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet et værktøj, et stykke software, som ved hjælp af supercomputere kan finde den optimale struktur af store konstruktioner, langt bedre end hidtil.

Med det nye værktøj kan man nemlig se på helheden, i stedet for enkeltdelene i konstruktionen.

»Det, vi viser, er, at vi kan løse det hele på én gang,« siger Niels Aage, lektor ved DTU Mekanik og førsteforfatter på studiet.

Og de viser, at den optimale konstruktion i virkeligheden er meget anderledes end i de nuværende fly.

Historien kort
  • Ved at beregne på hele fly-vingen på en gang, kan ingeniører bygge den, så den er meget lettere, end fly-vinger er nu.
  • Designet er opnået gennem en lang række virtuelle tests, og det endelige design ligner strukture, som ses i naturen.
  • Forskerne har brugt en supercomputer til at lave beregningerne.

Studiet er blevet publiceret i Nature, et af de vigtigste videnskabelige tidsskrifter. Det vækker begejstring hos andre forskere på området.

»Det er et supergodt stykke arbejde. Og det er så fedt, at det er blevet optaget i Nature. Det er meget svært for ingeniører at få artikler i Nature. Og det er meget velfortjent,« siger Erik Lund, professor ved Institut for Materialer og Produktion på Aalborg Universitet, som ikke har andel i studiet.

Helheden ændrer billedet

Helhedsbilledet har åbnet for helt nye måder at tænke strukturen. For eksempel har man hidtil brugt ribber til at afstive fly-vingen. Men med det nye analyseværktøj kan ingeniørerne se, at der er brug for en helt anden afstiver.

»Det helt vigtige er, at vi kan få noget andet ud af det, end vi kan ved at se på det elementvis. Før har man forsøgt at optimere ribben. Hvor skal ribben sidde? Hvordan skal hullerne i ribben placeres? Men med det her: Skal der overhovedet være en ribbe? Hvis det ikke nødvendigvis skal ligne en ribbe, så kan der komme noget helt andet,« siger Niels Aage.

Topologioptimering flyvinge struktur design

Illustration af flyvinge med optimeret design. Den blå viser konventionelle ribber til afstivning. Den røde viser optimerede buede ribber, som er et resultat af forskernes nye topologioptimering. (Illustration: Niels Aage et al./Nature)

I fly-vingens tilfælde viste buer sig at være langt bedre, og i artiklen argumenterer forskerne fra DTU for, at fly-vingen dermed kan blive op til fem procent lettere, og at det kan spare hvert fly op imod 200 ton brændstof om året. Til sammenligning bruger et fly - afhængigt af størrelsen - omkring 40 ton brændstof på en tur fra København til New York.

Men ifølge Niels Aage selv er det et meget konservativt og forsigtigt bud. Han tror på, at man på sigt kan opnå en reducering i vægt på helt op til 20 procent ud fra erfaringer med blandt andet bilindustrien.

Det burde dermed kunne blive langt mere miljøvenligt at rejse med fly i fremtiden.

Organisk struktur

»Det, som artiklen også dokumenterer, er, at man har fået meget større indsigt i det optimale design for sådan en fly-vinge. Det er en meget organisk struktur, de er nået frem til,« siger Erik Lund med henvisning til, at artiklen viser, hvordan strukturen af fly-vingen har ligheder med et fuglenæb:

Næsehornsfuglen har et enormt stærkt næb, der skal kunne knække hårde nødder og frugter. Men det må ikke være så tungt, at fuglen bliver tynget af næbbet, når den skal flyve. Gennem millioner af års evolution har næbbet fået en konstruktion, der opfylder netop de krav.

Inde i næbbet er et fint net af små afstivere, og forskernes optimeringsværktøj er selv nået frem til en helt lignende struktur i fly-vingen.

Topologioptimering flyvinge struktur design næsehornsfugl

Næsehornsfuglens næb (nederst) er bygget op af et fint net af afstivere. Et lignende design kom frem i fly-vingen (øverst) gennem optimeringsprocessen. (Illustration: Niels Aage et al./Nature. Foto: Jessica Miller-Camp)

Samme koncept som evolutionen

Niels Aage og hans Kolleger er da også kommet frem til netop det strukturdesign ved at lade fly-vingen gennemgå en form for evolution.

De tog designet af en fly-vinge og tømte den for indhold, så de kun havde skallen. Herefter udsatte de vingen for en simulering af vindtryk. Alt sammen i computeren.

»Fysikken kan så fortælle, hvilke områder, der er hårdt belastede. Der indfører vi materiale. Og områder, der ikke er belastede, der fjerner vi materiale,« fortæller Niels Aage.

Denne proces med gradvise ændringer har forskerne kørt 400 gange og er på den måde nået frem til et strukturdesign, der ikke kan blive bedre.

»Man kan godt sige, at vi har brugt samme koncept som evolutionen. Men vi laver ikke fejl. Evolutionen laver tilfældige mutationer, og de, der virker, får lov at overleve. Men vi analyserer hvert enkelt skridt og går derfor altid i retning af bedre,« siger Niels Aage

Topologioptimering...

... er en metode til at fastlægge en konstruktions sammenhæng og opbygning og gøre den bedst mulig.

Topologi kommer af græsk 'topo', som betyder 'sted' og logos, som betyder 'lære'. Det handler om fysisk opbygning og sammensætning.

Enorm computerkraft

Den helt store udfordring ved forskernes topologioptimering (at forbedre struktur i konstruktioner - se faktaboks) i denne skala er at få tilstrækkelig opløsning.

Ligesom en TV-skærms pixels, arbejdes der i disse modeller med såkaldte voxels, en slags tredimensionelle pixels. De kræver computerkraft at beregne. Og at beregne så detaljerede data på så stort et objekt som en fly-vinge kræver enorm computerkraft. Forskerne havde brug for en såkaldt supercomputer.

Forskerne fik lov at bruge den franske supercomputer CURIE gennem PRACE (Partnership for Advanced Computing Europe), hvor 8.000 computere, der normalt bruges til at regne på molekyler og stjerner, stod og regnede i op til fem dage – omkring en million beregningstimer. Det er første gang, dette anlæg er brugt til denne form for strukturberegninger.

Bare vilde med fly

PRACE og supercomputere

Partnership for Advanced Computing Europe er et EU-organ, som stiller supercomputere til rådighed for forskere.

Supercomputere er enormt kraftige computere, ofte bestående af en masse computere, der arbejder sammen, og derfor kan behandle datamængder, der er alt for store til almindelige computere.

Kilde: PRACE

At det lige er fly-vinger, Niels Aage har brugt som model for optimering, er egentlig lidt tilfældigt. Niels Aage og hans medforfattere er bare rigtig vilde med fly.

»Jeg kom ind i optimalt design, fordi jeg godt kunne lide fly. Og da vi skulle i gang med det her, sad vi og kiggede på en vingekonstruktion og tænkte: 'Det er en flot fætter'.«

Værktøjet kan i princippet bruges på alle mulige store konstruktioner, såsom biler, bygninger og skibe.

Ifølge Erik Lund fra Aalborg Universitet er det da heller ikke oplagt, at fly-vinger er det første, der reelt vil blive optimeret med denne metode. Teknikken til rent faktisk at fremstille konstruktioner i denne skala findes ikke endnu, og særligt flyindustrien er forsigtig med nye fremstillingsmetoder.

Men de opdagelser, der er gjort ved hjælp af den nye software, kan i princippet bruges med det samme.

Og selvom der kommer til at gå nogle år, før metoden kan implementeres fuldt ud i industrien, er dette studie meget vigtigt og banebrydende, mener Erik Lund.

»Det her kommer til at give endnu mere opmærksomhed på forskningsområdet,« siger han.

Danmark er førende i topologioptimering

Danske forskere har længe været førende i verden indenfor topologioptimering.

Det blev første gang udviklet af to matematikere i slutningen af 1980'erne. Den ene var nu tidligere dekan ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) Martin P. Bendsøe.

Det var til at starte med udviklet som et matematisk redskab. Men professor Ole Sigmund, også fra DTU og medforfatter til ovenfor omtalte studie, udviklede metoder, som gjorde det brugbart for ingeniører.

Ifølge Niels Aage er en stor del af topudviklerne indenfor topologioptimering danskere.

Erik Lund fra Aalborg Universitet er en af dem, og han har medvirket til at bringe det ind i vindmølleindustrien.