Nuna4 wint zonnecelrace op ‘automatische piloot’

Voor de vierde keer op rij won het Nuon Solar Team vorige week de World Solar Challenge. Met hun ingenieuze lichtgewicht zonnecelauto raceten ze als snelste vanuit Darwin, Australië dwars over het continent naar Adelaide, 3010 km verderop. Een van hun geheime wapens: de volautomatische cruise control op basis van ‘genetische algoritmen’.

Teamcaptain Stefan Roest van het Nuon Solar Team had vrijdag 25 oktober een goednieuwstelefoontje met Nuon-topman Ludo van Halderen. “En dat is vier! Dit is zonneracen op zijn best!”, was de blijde boodschap van de 23-jarige vijfdejaars student Maritieme Techniek. Binnen vier dagen had de zonnecelauto van Stefan en zijn team als eerste de finish in Adelaide bereikt.

Al vóór de start van de negende World Solar Challenge was het Nederlandse studententeam van de TU Delft de huizenhoge favoriet. Logisch: sinds 2001 wonnen opeenvolgende Delftse teams alle edities van deze tweejaarlijkse krachtmeting. Onder leiding van een aantal routiniers (en met prof. dr. Wubbo Ockels als adviseur) ontwikkelde een verse groep van elf studenten de Nuna4: een compleet nieuwe zonnecelracer, volledig volgens nieuwe reglementen. Belangrijke verschillen met eerdere generaties: de bestuurder zat bij de Nuna4 meer rechtop (niet liggend zoals voorheen) en werd beschermd door een rolbeugel. Daarnaast moesten de voertuigen voor de wedstrijd een beperkte veiligheidstest doorstaan. Maar wellicht de meest ingrijpende wijziging: het zonneceloppervlak was bij deze editie fors beperkt. In plaats van 9 m? bij de vorige editie was nu maximaal 6 m? toegestaan.

Alles gericht op rendement

Het Nuon Solar Team maakte de Nuna4 van lichtgewicht carbon, Twaron (aramidevezel) en lichtmetaal, en gaf hem de optimale aerodynamische vorm van een vliegtuigvleugel. Ook de wielkappen waren slim vormgegeven. Bij wind van opzij werkten die als een zeil, zodat ze de Nuna4 extra voortstuwden. De driewielige Nuna4 heeft twee gestuurde wielen voor en één aangedreven wiel middenachter. In dat achterwiel zit de 7,5 pk sterke in-wheel elektromotor. Zonder versnellingsbak, zodat daaraan geen energie verloren gaat. De gebruikte zonnecellen zijn ontwikkeld voor de ruimtevaart. Hetzelfde type gallium-arsenide triple junction zonnecellen wordt ook gebruikt in satellieten en heeft een rendement van meer dan 26%. Daarmee leverden ze bij zonnig weer niet alleen genoeg stroom om de auto flink snelheid te geven (hoogste gemeten snelheid tijdens de race was 142 km/u), maar ook om extra stroom te leveren aan de 30 kg zware high density lithium-polymeer accu’s – van een type vergelijkbaar met accu’s uit mobieltjes en laptops. Dankzij al die compacte en gewichtsbesparende techniek is het energieverbruik van de Nuna4 heel laag: bij 130 km/u verbruikte de Nuna4 niet meer energie dan een waterkoker of een stofzuiger.

Gewicht is de vijand van zuinigheid. Daarom was elk detail van de Nuna4 compromisloos gericht op energiebesparing. Zelfs de airco is weggesaneerd, zodat het in de Australische zomer onder de kap soms snikheet werd voor de vier studenten die om beuren het racestuur van elkaar overnamen. Temperaturen in de krappe carbon cockpit liepen soms op tot boven de 50 graden. En dat vrijwel zonder ventilatie, omdat zelfs de kleinste spleetjes en kieren in het bodywork omwille van de luchtweerstand waren afgeplakt met vliesdun aero-tape.

Cruise control via Wi-Fi

De teams startten in Darwin met volle accu’s. Vanaf dat moment was bijladen alleen nog mogelijk met de eigen zonnecellen. Dat kon niet alleen onder het rijden, van circa acht uur ’s ochtends tot vijf uur ’s middags, maar ook tijdens de verplichte ‘media stops’ tussendoor. Tijdens die stops was sleutelen verboden, maar vonden wel rijderswissels plaats en konden de teams uiteraard de zonnepanelen zo goed mogelijk op de zon gericht houden, om maximaal profijt te halen uit elke minuut zonlicht.

TU-student Vincent de Geus, binnen het team verantwoordelijk voor de telemetrie tussen de auto en de volgwagen (‘Mission Control’), legde uit wat dat betekende voor de strategie: “De kunst was om in Adelaide als eerste over de streep te rollen, volgas, op de energie uit de zonnecellen en de laatste beetjes stroom uit de accu.”

Door zijn ontwerp was de Nuna4 al extreem zuinig. Daarnaast was het zaak om ook de ‘gasvoet’ van de bestuurder zo spaarzaam mogelijk te maken. Om zelfs de minste verspilling door ‘menselijke onzuinigheid’ te vermijden koos Nuon Solar Team ervoor om ook het gasgeven aan de computer over te laten. Daarvoor gebruikte het team een volautomatische ‘lerende’ cruise control. De Geus: “Deze kreeg zijn input via WiFi vanuit de volgwagen. De optimale snelheid onder de gegeven omstandigheden werd daar continu berekend door een zelf in Matlab geschreven programma.”

Voor de verwerking van die data gebruikte De Geus twee Compaq MW 8440 dualcore laptops. De Geus: “Deze verwerkten de voortdurende stroom van gegevens, afkomstig uit diverse sensoren en bronnen; dat waren overigens maar kleine pakketjes data, van circa 1 kb. Daarin zaten gegevens over bijvoorbeeld de actuele rijsnelheid en batterijreserve, het hoogteprofiel van het parcours en meteorologische info over de bewolking en de windkracht en -richting op de komende kilometers. Op basis van al die input kreeg de Nuna4 elke drie seconden de optimale snelheid door.”

De Geus berekende de optimale rijsnelheid op enig moment op basis van ‘genetische algoritmen’. De hele raceafstand werd daarbij opgeknipt in stukjes van 1 kilometer. De feitelijke meetgegevens en data van de afgelegde kilometers werden gebruikt om het systeem te laten leren, en zo steeds betere prognoses te maken voor de nog volgende kilometers. De Geus: “Dankzij dit systeem konden we maximaal profijt trekken van het beschikbare zonlicht. Zo konden we de Nuna4 bij bewolkt weer bijvoorbeeld soms even extra laten versnellen, richting een langstrekkend gat in de bewolking, zodat we daar de accu’s onder het rijden weer konden bijladen voordat het wolkendek weer zou dichttrekken.” De bestuurder zelf hoefde aan die snelheid niets te doen; die moest gewoon netjes ‘tussen de lijntjes blijven’ en in noodgevallen tijdig remmen.

Dat het werkte, bleek overduidelijk toen Adelaide in zicht kwam. Ondanks technische tegenslag vlak voor de start (waarbij er last minute een motorcontroller moest worden gewisseld) en diverse bandenwissels onderweg, bereikte het Nuon Solar Team als eerste de tijdfinish aan de Australische zuidkust. Ruim 120 kilometer vóór de nummer twee, het Belgische Umicore Solar Team uit Leuven.