De weg van de minste weerstand vinden: aerodynamica en elektrische auto's

Aerodynamica is van cruciaal belang voor elk voertuig — groot of klein. Hoe een object door de lucht beweegt, bepaalt zowel de snelheid als de energie die nodig is om het vooruit te krijgen. De auto's van Polestar zijn dan ook met aerodynamica in gedachten ontworpen. Dit zorgt niet alleen voor hun unieke uitstraling, maar draagt ook bij aan een hoge actieradius, indrukwekkende prestaties en nog een paar dingen waar je misschien niet meteen aan zou denken. 

Anders Gunnarsson kent het belang van aerodynamica maar al te goed. "Het beïnvloedt het bereik en de topsnelheid. Maar aerodynamica heeft ook invloed op de wegligging, het geluidsniveau, de trillingen en het rijcomfort. Goede aerodynamica draagt zelfs bij aan een schonere auto." Dat lees je goed. Aerodynamica kan ervoor zorgen dat de achteruitkijkcamera niet vies wordt. Maar hoe werkt dat precies? 

Laten we teruggaan naar de basis. Lucht is geen mysterie: om er makkelijk doorheen te bewegen, heb je een gestroomlijnde, gladde vorm nodig. We weten allemaal dat een frisbee met minder inspanning beweegt dan een baksteen met dezelfde massa. Dat komt omdat lucht gemakkelijker over een gladde schijf kan stromen dan over een ruwe kubus. Maar de meest efficiënte vorm om door de lucht te bewegen is misschien niet wat je zou verwachten. Anders legt uit: "De meest efficiënte vorm is die van een waterdruppel. Vallende druppels nemen namelijk altijd de meest optimale vorm aan. Een regendruppel verandert van vorm terwijl hij valt, zodat hij zo efficiënt mogelijk door de lucht snijdt."

Daarom is de traanvorm de ideale vorm voor aerodynamici — in tegenstelling tot bijvoorbeeld een scherp, naaldachtig object. Simpel gezegd: scherpe objecten doen het aerodynamisch slecht en gladde objecten juist goed. 

Maar daar zit 'm juist het probleem: auto's, in tegenstelling tot druppels, kunnen zich niet aanpassen aan hun omgeving. Ze hebben koplampen nodig, ruimte voor passagiers, een kofferbak, spiegels en een carrosserie die groot en sterk genoeg is om inzittenden te beschermen in het geval van een ongeluk.  

Terug naar de ‘digitale' tekentafel 

Voordat een auto in productie kan gaan, steken het ontwerp- en engineeringteam de hoofden bij elkaar om tot een vorm te komen die moeiteloos door de lucht snijdt, maar ook functioneel blijft — of het nu een sportwagen, coupé, sedan, SUV, of iets daartussenin is. 

Dit is waar de CFD (Computational Fluid Dynamics) om de hoek komt kijken. Zodra een auto klaar is om aerodynamisch geanalyseerd te worden, gebeurt dat niet meteen met fysieke modellen. In plaats daarvan worden digitale versies gecreëerd en getest in een virtuele omgeving. "Deze methode is voortgekomen uit testprocessen. Het is een belangrijk onderdeel in het ontwikkelingsproces en essentieel om te begrijpen hoe dynamiek en design samenwerken — anders zou het geheel nogal ad hoc zijn." 

In deze virtuele omgeving kunnen details worden aangepast en worden verfijnd, om de auto zo aerodynamisch mogelijk te maken. Het is een samenspel tussen techniek en design. "Voor ons als ontwerpers is het een groot voordeel dat luchtstroming en esthetiek meestal hand in hand gaan," legt Anders uit. Maar zijn er grote verrassingen zodra de auto in de windtunnel belandt? Blijken de zorgvuldig ontworpen vormen toch minder aerodynamisch dan gedacht? "Niet echt", vertelt Anders. "We weten wat werkt en wat niet; het gaat hier vooral om optimalisatie." 

De windtunnel in  

Nadat een vorm digitaal is verfijnd, is het tijd om een fysieke versie — vaak een kleimodel van de auto — in een windtunnel te plaatsen. Je hebt vast weleens een windtunnel gezien op TV, in films of in documentaires. In wezen is het een omgeving waarin lucht met hoge snelheid van de ene naar de andere kant wordt geblazen, om te simuleren hoe iets in de echte wereld beweegt. In deze gigantische tunnels kunnen de verschillende ontwerp- en engineeringteams zien hoe hun nieuwe modellen zich in de buitenlucht gedragen. 

Tegen de tijd dat een auto hier terechtkomt, is het ontwerp vrijwel definitief. Toch valt er nog veel te leren, zegt Anders. "Als er problemen zijn, komen die in de windtunnel aan het licht. En terwijl we testen, kunnen we kleine elementen van de auto aanpassen. Dit gaat vrijwel door tot vlak voor de definitieve goedkeuring. Een verschil van slechts één millimeter kan al invloed hebben op de luchtstroom. Neem bijvoorbeeld een spoiler: hoe groot moet de hoek zijn? Vrij simpel, voeg wat klei toe of verplaats de oppervlakken om te kijken of dat verbetering oplevert. We stemmen de aerodynamica van het voertuig tot in detail af. Het is een enorm belangrijke stap in de ontwikkeling van een Polestar." 

Innovaties een realiteit maken 

Dankzij de inzichten die Anders en zijn team in zowel de digitale als de fysieke wereld opdeden, ontdekten ze dat het weglaten van de achterruit in de Polestar 4 uitstekend zou functioneren in de praktijk. Zonder achterruit kon het team de daklijn van de auto namelijk verlagen om zo een coupévorm te creëren, waardoor de lucht gemakkelijker over de auto kan stromen. CFD-simulaties en windtunneltests bevestigden het resultaat en maakten de beslissing definitief: de Polestar 4 kreeg geen achterruit. Een mooie bijkomstigheid: omdat de lucht gemakkelijk over de auto kan stromen blijft de achteruitkijkcamera schoon, het vuil vliegt gewoon van de lens. 

Uitstekende aerodynamica kan ook op de minst voor de hand liggende manieren impact hebben. Anders legt enthousiast uit: "Op de voorruit ontstaat een drukpunt dat perfect in balans moet zijn, zodat er na het gebruik van de ruitenwissers geen spoor van water achterblijft dat je zicht belemmert. Vroeger had je in de auto altijd zo'n klein waterstroompje dat eerst omhoog en dan over de zijruit liep — en dat je zicht op de buitenspiegels nogal kon belemmeren. Als je de aerodynamica goed afstemt, is dat probleem verleden tijd." Maar het gaat er niet alleen om dat het water uit het zicht gehouden wordt, maar ook dat de accu's op de juiste temperatuur worden gehouden. "Koeling is belangrijk. Door de luchtdruk op de juiste plekken te houden, kan lucht worden gebruikt om de ideale temperatuur te behouden.” 

Veel mensen denken dat aerodynamica alleen wordt ingezet om prestaties van auto’s te verbeteren, maar het heeft dus veel meer toepassingen. Dankzij Anders en zijn collega’s kan Polestar blijven innoveren en auto’s ontwikkelen die niet alleen efficiënt en praktisch zijn, maar ook een plezier zijn om in te rijden. 

Artikel door Alex Goy