Op 18 januari onthulde Team Forze, het studenten raceteam van TU Delft, de nieuwe Forze 9. Kort samengevat is dat een racewagen van ruim vijf meter lang en nog geen twee meter breed. Hij sprint in minder dan drie tellen van stilstand naar de 100 km/h en heeft een top van ruim 300 kilometer per uur. Twee brandstofcellen leveren een vermogen van 240 kW (meer dan driehonderdtwintig ouderwetse paardenkrachten). Maar om dit staaltje high tech te kunnen ontwerpen had het team een aantal uitdagingen te overwinnen…
Techniek – the basics
Met elektrolyse splits je water in waterstof en zuurstof. Als je de waterstof opslaat en daar zuurstof aan toevoegt, genereer je elektrische stroom. Waar het al uitdagend genoeg is voor het ontwerpen van een personenauto om alle componenten in het voertuig te integreren, zijn er voor het ontwerpen van een raceauto nog wat extra tegenstrijdige eisen en wensen. Zij komen neer op:
- Zo licht mogelijk
- Zo sterk mogelijk
- Zo klein mogelijk
- Zo laag mogelijk zwaartepunt
- Zo wendbaar mogelijk
Voor het ontwerpen van een waterstofauto komen daar nog een aantal zaken bij. De uitdaging van Forze: de grenzen van de technische mogelijkheden opzoeken en waar mogelijk deze verleggen. Wat het ontwikkelen van een eerste racewagen op waterstof extreem lastig maakt is de noodzaak om zelf componenten te (laten) ontwikkelen. Tegelijkertijd maakt het dat voor technologiebedrijven heel interessant om bij de ontwikkeling betrokken te raken.
Vermogen
Om te kunnen racen wil je vermogen, en liefst een beetje veel. De Forze IX moet competitief zijn in de GT-klasse. Daarvoor moest het vermogen twee keer zo hoog zijn als dat van de Forze VIII.
De Forze IX wordt naar voren geschoten door 240 kW uit de onafhanklijke brandstofcelsystemen plus een monstrueuze 600 kW boost power via regeneratie. Dat wordt via vier motoren die elk één wiel aandrijven op de weg gebracht.
De Forze VIII had één brandstofcelsysteem. Door er twee te gebruiken is het vermogen verdubbeld. Maar het biedt ook de mogelijkheid om elk systeem met een eigen strategie te benutten.
Zuurstof
Om al dat vermogen te voeden is zuurstof nodig, véél zuurstof. Via een inlaat in het dak wordt elke minuut tot 16 kg lucht ingeademd. Dat is evenveel als een normaal mens gedurende 24 uur verbruikt. Die lucht moet worden gereinigd, daarna wordt de lucht gecomprimeerd met een elektrische turbo compressor. Die maakt weer gebruik van energie uit de uitgaande stroom om zo efficiënt mogelijk te werken. Samengedrukte lucht wordt warm. Daarom wordt deze lucht gekoeld met een intercooler. Als laatste stap gaat de lucht bevochtigd zodat de brandstofcel niet uitdroogt.
Opslag waterstof
De waterstof wordt onder druk van 700 bar opgeslagen in vier tanks die gezamenlijk 8,5 kg waterstof bevatten. Via hogedrukleidingen wordt die op de juiste manier en in de juiste hoeveelheid naar de brandstofcel geleid. Eigenlijk wordt er meer waterstof dan nodig is aangeboden om een meer vermogen en een langere levensduur te bereiken. Het teveel aan waterstof wordt weer teruggeleid, zodat er niets verspild wordt.
Aandrijflijn
Om acuut vermogen te kunnen leveren, wordt er energie opgeslagen in een accumulator. Die bestaat uit een set supercapacitorcellen. Die kan én heel snel laden én heel snel ontladen. Bij het afremmen wordt een flink deel van de energie geregenereerd door de accumulator te laden. Dat gaat zo snel dat bij het uitkomen van de bocht, waar je maximaal wilt accelereren, er naast de 240 kW van de brandstofcellen een ongelooflijke boost van 600 kW bij komt.
Het regenereren gaat zo goed, dat er bij het remmen voor één bocht evenveel energie wordt terug gewonnen als bij een Formule 1 auto tijdens één rondje.
Elke motor wordt via een eigen versnellingsbak met het aangedreven wiel verbonden. Daarmee kan elk wiel met een eigen snelheid en kracht worden aangedreven. Dat staat bekend als torque vectoring en daarmee kan het weggedrag in gunstige zin worden beïnvloed.
Warmtehuishouding
Als er zoveel vermogen wordt geregenereerd, dan ontstaat er altijd warmte. Om de temperatuurhuishouding te beheersen moet er gekoeld worden. Dat gaat met luchtkoeling. En dat is een uitdaging. De temperatuur van de uitgaande luchtstroom is veel lager dan die van een conventionele krachtbron. Daardoor is het temperatuurverschil tussen ingaande en uitgaande lucht veel lager. En dat maakt het lastiger om te koelen. De twee brandstofcelsystemen moeten beide worden gekoeld, terwijl het luchtvolume gelijk blijft aan dat van de Forze VIII (met één brandstofcelsysteem).
Dit probleem wordt getackeld door vijf radiateurs te gebruiken. Daar stroomt elke minuut 460 liter koelvloeistof doorheen. Om een gevoel voor cijfers te geven: dat komt overeen met 60 douches die tegelijkertijd in gebruik zijn.
Aerodynamica
Naast het naar binnenzuigen van voldoende zuurstof voor de brandstofcellen en de radiateurs is er ook nog de uitdaging om downforce te genereren. Daarvoor gaat er elke minuut 190 kilogram lucht door het voertuig heen. Om een optimale vorm van de koets te vinden, zijn meer dan 500 iteraties van het ontwerp doorgevoerd. Bij topsnelheid weet de koets ook nog eens 1.200 kilogram downforce te genereren.
Chassis
Het voertuig moet wel bestand zijn tegen die enorme aandrijf-, rem- en downforcekrachten. En je wilt ook nog dat de coureur én de componenten zo goed mogelijk beschermd zijn. En ook voor een goede wegligging is een stijf chassis nodig.
Het chassis bestaat uit een monococque die dient als overlevingscel voor de coureur. Daar zijn twee subframes aan bevestigd: één voor de waterstoftanks en brandstofcelsystemen en één voor de achteras en achtervleugel.
De monococque moet de vooras dragen en naast de chauffeur ook de accumulator huisvesten. Ook hier gold: er is geen standaard monococque op de markt, dus moest het zelf worden ontwikkeld. Het ontwikkelde carbon fiber component weegt minder dan 100 kg.
Wielophanging
Alsof dat allemaal nog niet genoeg is, werden er ook nog eisen aan het weggedrag gesteld. Je wilt per slot van rekening goed kunnen sturen met het apparaat. De uitdaging voor de ingenieurs: ontwerp een double wishbone systeem, terwijl er eigenlijk nauwelijks ruimte meer voor is. O ja, het moet ook nog sterk genoeg zijn om die eerder genoemde krachten van auto naar weg en vice versa over te brengen.
Informatiesysteem
Om het geheel van alle bovengenoemde componenten met elkaar te laten samenwerken is er een IT-component ontwikkeld. Deze wordt gevoed door meer dan 400 sensoren. Forze noemt het ‘de hersens en het zenuwstelsel’ van de auto. Net als het menselijk zenuwstelsel is de centrale computer in staat om elke afzonderlijke component razendsnel aan te sturen indien nodig. Uiteraard is de software geheel maatwerk.
Behalve dat er in de auto intern wordt gecommuniceerd, wordt alle informatie ook via een VHF 4G en Wifi-systemen beschikbaar gesteld aan de race engineers. Daarmee kunnen ze problemen ontdekken of beslissingen nemen over de te volgen race strategie.
Alle data komt ook in de cloud terecht zodat in de toekomst meerdere races kunnen worden geanalyseerd.
Tot besluit
De totale Forze IX weegt minder dan 1.500 kg. Ik kan niet wachten om te zien hoe deze hightech racewagen het er in de GT-klasse vanaf gaat brengen. En ik kan me goed voorstellen dat een middelbare scholier nog maar één droom heeft: snel dat VWO-diploma halen en inschrijven aan de TU Delft!
