De verpletterende koolstofrevolutie

Share Button

Eén enkel chemisch element kan een groot aantal ooit als strategische mineralen beschouwde materialen vervangen en zal de basis vormen voor de volgende industriële revolutie. Ideeën en energie worden belangrijker dan ooit, want dit wondermateriaal is letterlijk overal voor het grijpen.

Koolstof nanovezels breken alle sterkterecords en zullen voor de volgende industriële revolutie zorgen.

Koolstof nanovezels breken alle sterkterecords en zullen voor de volgende industriële revolutie zorgen.

Koolstof tot voor kort alleen ‘organisch’ materiaal
Koolstof vormt letterlijk de ruggengraat van het leven. Suikers en zetmeel bestaan uit koolhydraten – een ‘rups’ van koolstofatomen of van groepjes koolstofatomen. Ook eiwitten en vetten bestaan voor een groot deel uit koolstof. Opmerkelijk genoeg was dat in het dagelijks leven tot voor kort anders. Elektrische stroom loopt door koperdraden. Onze auto’s bestaan uit metaalplaat. Onze huizen zijn gebouwd van baksteen en beton.

Enkele ontdekkingen aan het einde van de twintigste eeuw en vlak daarna hebben dat laatste ingrijpend veranderd. Verschillende typen koolstofverbindingen hebben namelijk bepaalde materiaaleigenschappen die die van alle andere materialen voorzover bekend overtreffen. Een overzicht in het kader.

Buckey balls
De allereerste (in 1985) ontdekte bijzondere vorm van koolstof. Het molecuul buckminsterfullereen heeft alles weg van een moleculaire voetbal, waarbij de ruimtes tussen de koolstofatomen de vlakken van de voetbal vormen. De kogeltjes bleken keihard en zijn in staat bijvoorbeeld radioactieve atomen of andere moleculen te transporteren.

Koolstofnanobuisjes
Bij nader onderzoek in 1991 bleken zich nog veel interessantere structuren te vormen als met een vlamboog buckyballetjes werden geproduceerd: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van langgerekte buckyballs.

Deze nanobuisjes kennen de grootste treksterkte van alle bekende materialen: in theorie 150 GPa, in de praktijk 60 GPa. Dit laatste getal betekent dat een draadje van een vierkante millimeter doorsnede zes ton aan gewicht kan dragen. Dat is een complete mannelijke Indiase olifant. Een draadje zo dik als een gemiddelde mensenhaar kan ongeveer een mens dragen. Hiermee worden staal en kevlar met twee ordes van grootte geklopt. Er bestaan ook dubbelwandige koolstofnanobuisjes, die deze eigenschappen nog iets overtreffen.

Mede wanneer ‘gedoopt’ met andere materialen, kunnen koolstofnanovezels ook goed stroom geleiden– waarbij ze koper zelfs overtreffen.

Grafeen
In feite vormen koolstofnanobuisjes opgerolde stukken grafeen. Grafeen heeft het meeste weg van zeshoekig kippengaas, waarbij de koolstofatomen zeshoeken vormen. We produceren bijna iedere dag grafeen, als we schrijven met een grafiet potlood en de laagjes grafeen afschilferen. De unieke eigenschappen van grafeen werden ontdekt door de naar Nederland geïmmigreerde Andrej Geim, waarvoor hij met twee anderen de Nobelprijs natuurkunde kreeg.

Geen wonder. Ook dit materiaal is ongeveer even sterk en licht als koolstofnanovezel, dus ook weer honderd keer zo sterk als staal. Een laagje grafeen is één atoom dik. Ook grafeen is een extreem goede elektrische geleider – bij kamertemperatuur in theorie zelfs beter dan zilver. Als dit materiaal op grote schaal in vliegtuigen of op de weg wordt gebruikt, zou dat de helft of meer van het brandstofverbruik schelen. Ook zou het vliegtuig beschermd zijn tegen bliksem door de kooi van Faraday die het materiaal vormt. Bijna iedere dag worden nieuwe toepassingen bedacht voor dit wondermateriaal.

Bulkallotropen
De bekendste bulkallotroop van koolstof is uiteraard diamant. De laatste jaren zijn er steeds meer methodes ontdekt om op grote schaal kunstdiamant te maken. Worden deze methodes fors opgeschaald zonder dat er energievretende productiemethoden nodig zijn, dan betekent dat onder meer onbreekbare ruiten, krasvaste brillenglazen en nog veel meer.
Daar blijft het niet bij. Koolstofkristallen die afwijken van diamant blijken bijzondere eigenschappen te hebben die ze voor andere toepassingen interessant maakt.

Koolstof ideaal voor 3D-printers
Fabrikanten van 3D-apparatuur zagen deze ontwikkeling al aankomen en zijn nu in hoog tempo bezit om koolstofmaterialen in hun apparatuur in te bouwen. Het vergt weinig betoog waarom. Grafeen kan je in feite atoomlaagje voor atoomlaagje op elkaar leggen. Koolstofnanovezels zijn een goed alternatief voor metalen geleiders. De kans is dus zeker aanwezig dat je nieuwe televisie wordt geprint in de winkel terwijl je wacht.

Koolstof overal voor het grijpen
We zeiden het al: koolstof is letterlijk overal om ons heen. letterlijk voor het grijpen. In de lucht bijvoorbeeld, in de vorm van kooldioxide, waar er volgens broeikaspessimisten veel te veel van is. In de vorm van steenkool zijn er onafzienbare voorraden onder de grond. Biomassa, kalksteen, carbonaten opgelost in zeewater – noem maar op.

Kortom: de angsten van de Club van Rome en onze gewaardeerde collega’s van Cassandra Club over het uitgeput raken van metalen blijken vermoedelijk onterecht. In feite zijn onze problemen te herleiden tot een energieprobleem. Dus laten we daar snel wat aan gaan doen in plaats van ons druk te maken over onbelangrijke bijzaken.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

13 reacties

  1. Archibald schreef:

    Nanovezeltjes in de lucht is nog erger dan asbest.
    Maar goed, daar zoeken we ook een oplossing voor.

  2. Douwe schreef:

    Dat scheelt weer een boel stress. Lang leve onze kennisontwikkeling!

  3. Julie schreef:

    Horava bestudeerde grafeen dat gekoeld werd tot 0 Kelvin (absolute nulpunt). Hij ontdekt dat de electronen met bijna de snelheid van het licht bewegen en relativistische effecten zich voordoen(Lorentz-symmetrie). Broeikaspessimisten mogen optimistisch zijn dat het geen 0 Kelvin is :). Voor het grafeen is het niet erg.
    http://reload1.noorderlicht.vpro.nl/artikelen/33438068/

  4. Hans schreef:

    Ik bewonder je optimisme, Germen. De meeste mensen op Aarde willen gewoon eten en een dak boven hun hoofd: de 99%. Slechts een heel klein groepje, de 1% , zal profiteren van deze koolstofrevolutie.

    • Julie schreef:

      Geleidelijk zal iedereen er van profiteren :).

      • Germen schreef:

        Precies. De techniek wordt zo goedkoop dat hij ook voor “de 99%” binnen bereik komt en heel interessant wordt. We zullen dat gaan merken aan goedkopere en zuiniger materialen en voorwerpen.
        We moeten uiteraard wel voorkomen dat dezelfde fouten als met plastics gemaakt worden.

    • Germen schreef:

      Ik denk het niet, Hans.
      Deze technologie is namelijk veel kleinschaliger (dezelfde reden die een zonnepaneel egalitairder werkt dan een olieraffinaderij of kerncentrale). Dat brengt hem binnen bereik van de 99% en maakt ze ook onafhankelijk. Immers: koolstof is overal om ons heen. Dat is anders met schaarse zeldzame aarden en dergelijke, die veel minder makkelijk te winnen zijn.

  5. Hans schreef:

    Deze techniek is zeer energie-intensief.
    Om deze structuren te maken moet je de entropie sterk verlagen… en dat kost veel energie. Aangezien energie nog altijd duurder wordt, zal deze techniek niet massaal worden toegepast.
    Sorry, maar de natuurwetten kun je niet veranderen.

    • Bemoeier schreef:

      Energie wordt steeds duurder maar hoelang nog ?
      Bovendien is het produceren van metaal ook aardig energie intensief.

    • Germen schreef:

      Hans, een van de energie-intensiefste stappen is zoals Bemoeier terecht ook zegt nou net de mijnbouw en raffinage.
      Je hebt inderdaad gelijk dat de energetische productiekosten voor koolstofnanobuisjes op dit moment hoog zijn, rond de 130 000-190 000 kWh per kg: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5156719
      Het productieproces, dat berust op toeval, is echter verre van optimaal en kan vermoedelijk veel slimmer dan nu.
      Grafeen komt van nature voor (als grafiet). Grafiet is onder hoge druk in grote hoeveelheden uit steenkool of amorfe kool te produceren.

  6. 1pitter schreef:

    De beloften kunnen nog zo mooi zijn maar als het economisch niet interessant is gaat er niet mee gebeuren. De energie oplossingen, die er al zijn en een groot deel van de wereld kunnen verbeteren, komen er ook niet om deze reden. We hebben het geld en de technologie maar toch gebeurt het niet. Pas als er grof geld te verdienen is of als men ‘met de rug tegen de muur staat’ zal het zijn weg vinden.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger