Voorbij elektriciteit en waterstof
De afvalstoffen die vrijkomen bij de verbranding van conventionele brandstoffen belasten ons milieu. Alternatieve energiebronnen en aandrijvingen winnen snel aan populariteit. Maar het lijkt alsof de zoektocht naar alternatieve energie zich voor een heel groot deel richt op elektriciteit. Dat is een perfecte energiebron, maar niet bepaald de heilige graal in de zoektocht naar antwoorden op de wereldwijde vraag naar energie.
Zeker niet als het gaat om het probleem dat het project in dit verhaal hoopt op te lossen: het aandrijven van grote machines en transportmiddelen.
Want aandrijving op basis van elektriciteit is een lastige uitdaging. En dat is een understatement. Naast elektriciteit duikt de term 'waterstof' soms op als een efficiënter en minder vervuilend alternatief. Maar waterstof produceren is nog steeds duur en lastig. Daarom komen verschillende specialisten binnen de TU/e de taak nu met een onconventioneel alternatief.
Brandstoffen van metaal
Voor wie niet bekend is met dit fenomeen zal deze kop klinken als de naam van een band die leunt op een stevige gitaarsectie en een zeer gemotiveerde drummer. Maar het gaat om een serieuze en veelbelovende vervanging voor conventionele brandstoffen: metaaldeeltjes, geladen met energie, die deze energie op een gecontroleerde manier vrijgeven. De vrijgekomen energie leent zich uitstekend voor het aandrijven van allerlei, vooral zwaardere motoren. De deeltjes worden opgevangen en na verbranding weer opgeladen, waardoor een volledig circulair proces ontstaat. We praten erover met Dr. Mohammadreza Baigmohammadi, postdoctoraal onderzoeker bij de Power&Flow groep, geleid door Professor Phillip de Goey. Deze groep richt zich op innovaties in 'verbranding'.
Explosies en smeltpunten
Metaalpoeder kan veel energie bevatten. Het is al eeuwenlang een geliefd ingrediënt in explosieven en vuurwerk. Maar een explosie is een korte, heftige ontlading en dit onderzoek richt zich op het vrijmaken van die energie over een langere periode. En dat brengt unieke uitdagingen met zich mee, zegt Mohammadreza: "Om te beginnen moeten we de temperatuur onder controle houden. We willen de metaaldeeltjes dicht bij het smeltpunt verhitten. Als het te heet wordt, verdampen de deeltjes. Dan worden het nanodeeltjes en die zijn veel moeilijker te vangen. We willen de deeltjes heel houden. Dat is onze focus."
Niet alles tegelijk
Zodra het poeder opwarmt, komt er energie vrij. En die ontlading kan er weer voor zorgen dat de temperatuur stijgt. Tot nu toe lijkt dat op een standaard brandstofverbranding. Maar er is een groot verschil, legt Mohammadreza uit: "Conventionele brandstof is voorspelbaar in zijn gedrag. Alles ontbrandt op hetzelfde moment. Bij metaalpoeder
brandt elk deeltje op zichzelf. Maar de deeltjes reageren onderling. Dat maakt het anders dan conventionele brandstoffen.
Schuiven en knoppen
Volgens Mohammadreza ligt de oplossing in het regelen van verschillende parameters. Hij noemt deze de schuiven en knoppen van het project. "Het zuurstofgehalte is er daar één van. Om de verbranding beheersbaar te houden, verlagen we dat gehalte. Maar minder zuurstof betekent weer minder verbranding. Dus zoeken we naar methoden om de brandstof voor te verwarmen. Op die manier is het al op een redelijke temperatuur als het de motor binnenkomt en hebben we minder zuurstof nodig om het proces op gang te houden."
De toekomst
Het team heeft nu de belangrijkste parameters geïdentificeerd voor een veilige en toch voldoende heftige ontsteking. "We boeken serieuze vooruitgang. Nu moeten we gaan uitzoeken hoe die parameters samenwerken en hoe we ze kunnen toepassen op deze vorm van verbranding." Aandrijving op basis van metaalpoeder is een methode die geschikt is voor bijvoorbeeld energiecentrales.
Voor gewone motoren in auto's is het lastiger, zegt Mohammadreza: "De grootte van de motor is niet zo belangrijk. Maar brandstofregeling is cruciaal. Daarom zien we toekomstige toepassingen vooral in externe motoren, omdat het gaat om externe warmteafvoer. Zodra er auto's komen met externe motoren, krijgen we meer mogelijkheden om onze methoden ook daarop toe te passen. "
Binnen twee jaar verwacht Mohammadreza een werkende demo te hebben; een lab-prototype. "Dan kunnen we bedrijven ook iets laten zien tijdens een demonstratie. Dat is een belangrijke stap om nieuwe investeringen te krijgen."
Alleen op de TU/e: ook kijken naar recycling
Volgens Mohammadreza richten veel andere universiteiten zich op het verbeteren van processen rondom de bekende pyrotechniek en explosies. "Wij doen het anders. De anderen richten zich alleen op verbranding. Wij op zowel verbranding als recycling. Daarin zijn we uniek aan de TU/e. We zijn echt een koploper op dit gebied. Op dit moment werken alleen de TU/e en de McCale University in Canada aan dit proces.
Het is een compleet nieuwe vorm van duurzame energie en dat zorgt ervoor dat je af en toe op scepsis stuit. Sommige mensen willen eerst bewijs zien dat het kan werken. Er zijn bedrijven die eraan werken en we praten wel met ze. Maar over het algemeen kijkt iedereen naar elkaar om te zien wat er gebeurt. En in die context zijn wij aan het pionieren."
Motivatie
Een heel nieuw speelveld, scepsis van de buitenwereld en weinig andere partijen om op te leunen. Er zijn genoeg onderzoekers die voor mindere uitdagingen zouden weglopen. Maar Mohammadreza haalt zijn energie en motivatie uit kleine, positieve signalen en het geloof dat technologie hoop biedt. "Dat, en je moet een beetje gek zijn, je moet anders kijken naar bestaande systemen en problemen. Als je dat niet doet, zul je nooit iets nieuws ontdekken.
Als onderzoeker moet je uitzoeken waar je moet beginnen met zoeken. Soms weten we niet wat de uitkomst zal zijn. En onderzoek zoals dit duurt vaak lang. Maar je zet door omdat je erin gelooft. En misschien stuit je na lang graven inderdaad op een schat.
Toen ik begon, wist ik dat we iets geks gingen doen, maar dat gevoel verdween na ongeveer drie maanden. Toen zagen we de eerste positieve signalen.”
Waarom is het Universiteitsfonds belangrijk?
"Als dit fonds niet had bestaan, zou dit onderzoek niet bestaan. Zo simpel is het. Het onderzoek van Phillip de Goey leunt erop. Het fonds steunt projecten die niet meteen prototypes of concrete resultaten opleveren. Die belangrijke projecten die soms echt de basis leggen voor grotere ontdekkingen. Grote bedrijven willen dat ook, maar wij hebben liever zelf alle technologie en sleutelrollen. Dat helpt om zoveel meer technische kennis te vergaren. Die we vervolgens weer kunnen delen met andere partijen."
Vooruitkijken
Ik probeer elke dag vooruit te kijken. We werken in het donker. Je weet niets, dus alles wat je ontdekt is vooruitgang. De kans is groot dat je het licht pas achteraf ziet.
We werken nu met ijzer, maar dat kan een startpunt zijn voor andere manieren om energie op te slaan in materialen. Wie weet waar deze weg ons heen zal leiden? Dat antwoord niet weten is een van de opwindende elementen van fundamenteel onderzoek.