energie

‘Tekort aan grondstoffen is onzin’

Volgens veel doempredikers zullen we veel grondstoffen nodig hebben om over te gaan op duurzame energiebronnen. Zij stellen dat er op aarde niet genoeg grondstoffen zijn om dit te verwezenlijken. Maar kloppen deze beweringen wel? Op het uitstekende YouTubekanaal Just Have a Think wordt de vloer aangeveegd met deze stelling.

Geen armoede na invoeren van energieconstante!

Energie is de valuta van de natuur. Dus een op zonne-energie gebaseerde valuta ligt voor de hand. Bron: Micha Jost/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Het kapitalisme is gebaseerd op geld dat eigenlijk  geen waarde heeft. Dit betekent dat al ons geld eigenlijk waardeloos papier is.  Wie kijkt op een bankbiljet,  zal zien dat er geen enkele verwijzing naar waarde opstaat.  De waarde van geld wordt puur bepaald door de hoeveelheid die er van in de omloop is.  Met behulp van dit mechanisme bepaalt de Europese Centrale Bank  (ECB), wat jouw inkomen is en jouw koopkracht.

Problemen

Dit economische systeem zorgt voor veel problemen. Ze heeft als nadeel dat prestaties niet worden beloond naar dat ze werkelijk waard zijn. Een bouwvakker verdient veel minder dan een autoverkoper, terwijl het beroep bouwvakker veel meer lichamelijke inspanning vergt dan het beroep verkoper. Daarbij komt nog kijken dat als de autoverkoper meer tevreden klanten gemaakt heeft deze nog een extra bonus krijgt bovenop zijn al goede salaris omdat hij zijn baas hier erg blij mee maakt. Als de bouwvakker zijn baas blij maakt door ipv. in 2 uur een muurtje te metselen dit in 1 uur te doen dan zal hij hooguit een tientje extra krijgen, maar hij zal hierom niet gouw 2 keer zoveel gaan verdienen.  De onderste laag van een kapitalistische maatschappij zijn de mensen die het minst verdienen, maar wel de meeste arbeid (W) per euro/dollar verichten.

Natuurkunde

Iemand met enig verstand van natuurkunde zal hieruit moeten concluderen dat iets hier niet klopt! Hij concludeert dat het geld zoals we het nu kennen niet gerelateerd is aan energie. Dit aan de hand van een paar formules om de energetische waarde van een gebeurtenis uit te rekenen.

Deze luidt: W= F x S (Arbeid is kracht keer afstand).

in dit geval moet de factor, tijd (T) ook worden meegerekend:

W= F x S /T (T in kwadraat) (arbeid= kracht keer afstand gedeeld door tijd in het kwadraat.

Daarnaast nog de formule voor de bewegingsenergie, Alhoewel deze formule geldt voor een beweging met een bepaalde versnelling, staat deze dus gelijk aan de werkdruk in een bedrijf.

E bew= 1/2 x M x V (V in het kwadraat rekenen) (energie is 1/2 van de massa keer versnelling in het kwadraat. De uitkomsten van de formules worden opgeschreven in de eenheid van energie, de joule.

Bij de laatste 2 formules komt er dus een afwijking in de benodigde energie voor een prestatie. Zodra de werkdruk 2x zo hoog wordt kost dit dus 4x meer energie. Hierbij kan het huidige geld dus geen SI-eenheid zijn.

Economie op basis van energie.

Als we de waarde van ons geld relateren aan energie/arbeid dan zal het verschil in rijk en arm snel kleiner worden.  De rijkdom van ons zal dan worden beslist door de hoeveelheid energie die voor handen is. Dit zal er dus voor zorgen dat niet slechts enkelen rijker worden en de meesten armer, maar juist zorgen dat we met zijn alle rijker worden. De ene misschien iets meer dan de ander alhoewel en dat is ook niet verkeerd zolang iedereen een beter welzijn heeft. Het zal de maatschappij stimuleren en motiveren duurzamere en betere energie bronnen te gaan benutten. We zullen dan met zijn alle van de Aarde en het zonnestelsel een optimale plek maken voor de mens maatschappij en natuur.

Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons

Natrium uit zout vervangt lithium – lithiumschaarste voorbij?

Lithium, dat geheel gevormd werd tijdens de eerste paar seconden dat het heelal bestond, wordt steeds schaarser. Maar we zwemmen letterlijk in natrium, uit keukenzout. Is dit de oplossing voor het steeds grotere tekort?

Licht en schaars metaal

Lithium is het lichtste metaal dat in dit universum bestaat. Een blokje van het metaal blijft op water drijven, terwijl het borrelend en fel sissend reageert met het water. Ook met de zuurstof in de lucht reageert het snel. Daarom moet je dit metaal onder olie bewaren.

Tot einde van vorige eeuw was lithium vooral bekend (in de vorm van lithium carbonaat) als geneesmiddel bij patiënten met een bipolaire stoornis. Tot de lithium-ion batterij uitgevonden werd. Het gevolg: de vraag naar het vrij zeldzame alkalimetaal explodeerde. En daarmee de prijs.

Nu is er een probleem. Makkelijk winbare lithium begint schaars te worden. Dat geldt ook voor kobalt, een onmisbaar onderdeel van lithium-ion batterijen. Dus als we elke aardbewoner van een oplaadbare stekkerauto willen voorzien, moeten we een nieuwe bron van deze metalen zien te vinden. Of… een vervanger.

Natrium vervangt lithium

In een batterij of accu springen elektronen over naar een atoom, waaraan ze sterker binden. Als bijvoorbeeld een elektron overspringt van een lithiumatoom naar een chlooratoom, levert dit ongeveer twee volt op. 3,15 volt (chloor) min 0,98 volt (lithium) geeft 2,17 volt spanning. We kunnen die elektronen weer terug geven aan lithium, door er 2,17 of meer volt spanning op te zetten. Zo laad je de accu weer op. Chloor is niet zo praktisch. Het is immers een gas. Daarom werken de meeste lithium ion accu’s met vaste stoffen, zoals kobaltoxide.

– Werkingsprincipe lithium-ion batterij

Als we een stapje omlaag gaan in het periodiek systeem, staat direct onder lithium, het metaal natrium. Weliswaar is natrium veel zwaarder dan lithium, maar chemisch gezien lijken de twee metalen erg op elkaar. Het goede nieuws is: we zwemmen in dit metaal. Letterlijk. Want elke liter zeewater bevat twaalf gram puur natrium. Het zout in onze keuken zelfs 2/5 deel.

Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons
Natrium reageert erg heftig met water. Bron: Wikimedia Commons

Grotere massa niet zo erg

Nadeel is, dat een kilo natrium meer dan drie keer zo weinig atomen bevat als een kilo lithium. Dus, in theorie, kan er veel minder energie uitgehaald kan worden. Gelukkig blijkt dit in de praktijk mee te vallen. De anionen, dat wil zeggen: de negatieve ionen waarmee lithium en natrium zijn verbonden, zijn dezelfde. En deze anionen zijn zwaarder dan het lithium, of natrium. In totaal maakt het natrium maar hooguit 20 procent uit van de totale massa van het ontwerp. De elektrolyt (dat is het medium waar de ionen door heen reizen van de ene pool naar de andere pool), het materiaal van de polen en de negatieve ionen (anionen), zijn qua gewicht samen belangrijker.

Ook is natrium nog actiever dan lithium, waardoor 0,93 volt al genoeg is om een elektron los te wrikken. Bij lithium is veel meer nodig: 0,98 volt[1]. Dit maakt veel goed. Dit verhoogt namelijk de energie van de reactie. Natrium batterijen zijn ook veiliger dan die van lithium, kunnen tegen veel lagere en hogere temperaturen en geven hun vermogen veel sneller af. Waarom dan nog lithium, en geen natrium, in onze smartphones en laptops?

Voornaamste technische bottleneck nu opgelost

Een probleem is dat natriumatomen (en dus natriumionen) veel groter, en dus logger, zijn dan lithiumatomen. En dus moeilijker door de accu kunnen reizen. Het materiaal van de elektrode moet dus een soort “snelwegen” voor natriumionen bevatten. Twee ontdekkingen, in 2014 door een groep Japanners en in 2020 door een Zwitsers team, maken dit nu mogelijk. Beide teams hielden zich bezig met natrium-hydroboraten als elektrolyt. De Japanners slaagden er in 2014 in, dit goedje zo te verbeteren dat het Na+-ionen soepel door laat. [2] Helaas werkte dit mengsel alleen bij een zeer hete 250 graden C (523 K). Wat minder handig op je schoot, natuurlijk. Tenzij je Chuck Norris heet.

Gelukkig slaagde het Zwitserse team er in om het bereik op te rekken tot 100-700 kelvin. Dat wil zeggen, deze accu werkt zowel op de ijskoude grootste maan van Jupiter, Ganymedes, als op Mercurius. Dag en nacht. De temperatuur in huis is hiermee zeker geen probleem [3]. Nog meer goed nieuws is dat zowel boor, waterstof als natrium op aarde niet schaars zijn. Dus hebben we eenmaal een goede manier , dan kunnen we deze accu’s voor bijna niets maken.

Op dit moment werken twee Zwitserse instituten samen om een prototype van deze accu te ontwikkelen. Gaat dit lukken? En vinden zij en hun collega-onderzoekers een goedkoop productieproces uit? Dan betekent dit een grote doorbraak voor de goedkope opslag van zonne- en windenergie.

Bronnen
1. Elektronegativiteiten (tabel) – Wikipedia
2. Terrence A., Udovic et al., Sodium superionic conduction in Na2B12H12, Chemical Communications, 2014, DOI: 10.1039/c3cc49805k
3. Matteo Brighi et al., Closo-Hydroborate Sodium Salts as an Emerging Class of Room-Temperature Solid Electrolytes, Cell Reports Physical Science, 2020, DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Chip wekt energie op uit warmte

Een team natuurkundigen van de universiteit van Arkansas is er naar eigen zeggen in geslaagd om energie uit afvalwarmte op te wekken. Hun ontwerp maakt gebruik van de Brownse beweging: de willekeurige bewegingen op microscopische schaal door lokale oneffenheden. Hebben ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica gekraakt?

Wat is de Brownse beweging? 
Wat op macroschaal een oase van rust lijkt, is dat allesbehalve. De moleculen in lucht hebben alle verschillende snelheden en richtingen. Wat wij waarnemen is het gemiddelde van ontelbare miljarden moleculen die ons onophoudelijk treffen. Dit gemiddelde nemen we waar als luchtdruk. Op kleinere schaal, kleiner dan een micrometer, is er geen stabiel evenwicht meer. Geregeld treffen meer (of juist minder) moleculen het deeltje in de ene richting, dan in de tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan maakt het stofje een wanordelijke beweging. Deze Brownse beweging is met een microscoop waar te nemen aan bijvoorbeeld rookdeeltjes.

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020
Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Hoe kan je hier energie uit opwekken? 
Alles wat beweegt, kan je gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Stel,. je zou aan het rookdeeltje een minuscule dynamo of andere generator bevestigen, dan kan je er in theorie stroom mee opwekken. Op het eerste gezicht lijkt dit een perpetuüm mobile van de tweede categorie: een machine die warmte onttrekt aan de omgeving waarmee iets nuttigs is te doen. Een dergelijk apparaat is erg handig: je kan dan je stroomabonnement opzeggen en je smartphone hoeft nooit meer aan de lader. Kortom; het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het ook. Want de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica verbiedt dat er bij een energieomzetting vrije energie bij komt. Of is er toch hoop?

Ja, zo blijkt uit een experiment met grafeen aan de universiteit van Arkansas. In de proefopstelling wordt het eigenlijke werk verricht door twee blaadjes grafeen tegenover elkaar. Deze één atoomlaag dikke koolstofblaadjes ‘wapperen’ voortdurend onder invloed van de Brownse beweging. Omdat ze tegenover elkaar zijn geplaatst, werken ze als een condensator. Als ze elkaar naderen, neemt de lading op beide plaatjes toe, als ze van elkaar verwijderd raken, stroomt deze weg. In de opstelling zijn twee diodes opgenomen: elektronische componenten die alleen eenrichtingsverkeer toelaten. De “gevangen” elektronen kunnen alleen via de energie-oogster (bijvoorbeeld een accu) terugvloeien. Het netto resultaat: warmte wordt omgezet in elektriciteit.

En de Tweede Hoofdwet dan?
De specifieke versie van de Tweede Hoofdwet: er ontstaan niet uit zichzelf temperatuursverschillen, lijkt met deze proefopstelling niet gebroken volgens onderzoeksleider Thibado. Op grotere schaal lijkt op het eerste gezicht echter wel degelijk sprake van een schending. Immers, als de proefopstelling afkoelt omdat er energie aan onttrokken wordt, ontstaat er wel degelijk uit het niets een temperatuursverschil met de rest van het universum. Ook is het geleverde vermogen laag, in de orde van picowatts. Zeg voorlopig dus uw elektriciteitsleverancier niet op. Maar als proof of principe is deze ontdekking uiterst belangrijk.
Het artikel is gepubliceerd in Physics Review E, een vooraanstaand natuurkundeblad.

Bronnen
Physicists Build Circuit That Generates Clean, Limitless Power From Graphene, University of Arkansas, 2020
Fluctuation-induced current from freestanding graphene, P. M. Thibado, P. Kumar, Surendra Singh, M. Ruiz-Garcia, A. Lasanta, and L. L. Bonilla, Phys. Rev. E 102, 042101
(ArXiv preprint versie)

De RITM-200 reactor is één van de enige twee typen microkernreactoren in productie. Bron: Rosatom.ru

Lossen kleine kernreactoren onze energieproblemen op?

Stel je voor, een kernreactor zo groot als een elektriciteitshuisje. Ze bestaan al in bijvoorbeeld atoomonderzeeërs. Kan de massaproductie van dergelijke kleine kerncentrales onze energieproblemen oplossen?

Op dit moment is de kleinste werkende reactor de Russische EGP-6 licht water-grafietreactor met per eenheid een vermogen van 12 megawatt. Vier van deze eenheden, die in 1974 in gebruik werden genomen, waren voldoende voor een middelgroot dorp, zoals de Russische poolnederzetting Pevek (4000 inwoners). Het ontwerp van de EGP-6 voldoet niet meer aan de huidige, zeer strenge, veiligheidseisen, maar overal ter wereld wordt gewerkt aan alternatieve compacte kernreactoren. Deze zijn zowel nuttig hier op aarde, als in ruimtekolonies op grote afstand van de zon. De enige nieuwe operationele microkernreactoren zijn eveneens Russisch: de RITM-200 en de KLT-40 scheepsreactoren.

Kernenergie werkt altijd en is hiermee betrouwbaarder dan hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind. Alleen waterkracht en geothermische energie komen in de buurt. Is kleinschalige kernenergie de oplossing voor onze energieproblemen?

De RITM-200 reactor is één van de enige twee typen microkernreactoren in productie. Bron: Rosatom.ru
De RITM-200 reactor is (met de eveneens Russische KLT-40) één van de enige twee typen microkernreactoren in serieproductie. Bron: Rosatom.ru

Tritium sleutelhangers geven tientallen jaren zwak licht. Bron: Bilious - Eigen werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10843869

Nucleaire diamantbatterij maakt accu’s overbodig

Stel je voor: nooit meer je smartphone aan de lader, alleen om de paar jaar de accu verwisselen. Dit ook met je laptop, je auto en andere oplaadbare apparaten. Science fiction? Niet lang meer, als het aan de startup NDB uit Californië ligt.

Wat is koolstof-14?
Niet alle atomen zijn gelijk. Ze verschillen onderling niet alleen in het aantal protonen (wat bepaalt hoe ze zich chemisch gedragen), maar ook in het aantal neutronen in de kern. Zo is elk atoom met 6 protonen in de kern een koolstofatoom, maar verschilt het aantal neutronen per variant. Deze varianten noemen we isotopen. Koolstof kent naast de twee stabiele isotopen, koolstof-12 en koolstof-13, met 6 protonen en 6 resp. 7 neutronen, ook meer dan tien radioactieve isotopen die na verloop van tijd uiteenvallen. Een daarvan is koolstof-14. Deze radioactieve isotoop heeft twee neutronen extra, waardoor deze atoomkern instabiel is geworden en in gemiddeld 5.730 jaar uiteenvalt in een elektron (bètastraling) en stabiel stikstof-14. Koolstof-14 is vooral bekend als erg nuttig hulpmiddel om te bepalen hoe oud bepaalde organische archeologische resten zijn. Als er nog maar de helft van het koolstof-14 over is, weten we dat de resten 5.730 jaar oud zijn.

Bètavoltaïsche batterij
De manier waarop koolstof-14 uiteenvalt maakt deze isotoop ook voor energieopslag erg interessant. Elektronen onder een spanningsverschil zijn namelijk de bron van elektriciteit. Als we in staat zijn om deze elektronen op te vangen en hun spanning af te tappen, hebben we een batterij. Een bètavoltaïsche batterij die letterlijk duizenden jaren meegaat. Een kilogram puur koolstof-14 levert, als deze in zijn geheel uiteenvalt in stikstof-14, 337 gigajoule. met andere woorden: evenveel als een inslag van een grote meteoriet zoals die in Chelyabinsk, of vergelijkbaar met het verbranden van 10 kuub benzine. Kortom: behoorlijk veel voor een batterij van een kilo. Het goede (of slechte) nieuws is dat deze energie langzaam vrijkomt. Dit blok levert iets minder dan 2 watt vermogen, waarvan slechts een klein deel kan worden afgetapt. Maar dit onophoudelijk, gedurende duizenden jaren. Het lage vermogen dat deze isotoop levert maakt het vooral interessant voor zeer langdurige toepassingen.
Bijzonder aan deze nieuwe techniek is de laag rond de isotoop zelf, die de elektronen invangt en in elektriciteit omzet. Deze bestaat uit kunstmatige diamant. Diamant is het hardste materiaal wat we kennen en ook een halfgeleider. Dit maakt diamant erg geschikt als beschermmateriaal. Omdat het hier om een bètastraler gaat, kan de diamant niet radioactief worden.

En korterlevende isotopen? Zoals tritium?
In principe kan iedere handelbare betastraling afgevende isotoop als “vulling” voor de diamantcapsule worden benut.Tritium, de enige radioactieve waterstofisotoop, met 2 extra neutronen, heeft bijvoorbeeld een veel kortere halfwaardetijd: rond de 12 jaar. Ook tritium is een bètastraler en valt onder uitzending van een elektron uiteen tot helium-3. Hierbij komt alleen veel minder energie vrij: een kilogram tritium levert bij uiteenvallen ongeveer 165 gigajoule aan bewegingsenergie van elektronen op (de rest verdwijnt in het heelal als antineutrino). Pluspunt is wel weer dat deze energie in een veel kortere tijd vrijkomt, waardoor het vermogen vele malen hoger is dan dat van koolstof-14: 450 watt per kilogram, in 12 jaar teruglopend tot de helft. Dit zou tritiumbatterijen erg interessant maken voor elektrische auto’s en smartphones. Gesteld dat we een goedkope methode ontwikkelen om aan tritium te komen. Op dit moment is het goedje peperduur.

Ook andere isotopen van koolstof en andere elementen zijn bruikbaar. Ze moeten slechts aan enkele eisen voldoen: louter en alleen uiteenvallen in elektronen en eventueel neutrino’s (pure bètastralers), voldoende energie afgeven voor de beoogde toepassing, voldoende lang meegaan en veilig opgeborgen kunnen worden in een diamanten omhulsel. In de eerste prototypes van Russische onderzoeksgroepen is bijvoorbeeld gewerkt met nikkel-63, een isotoop met een halfwaardetijd van een kleine eeuw [2].

Tritium sleutelhangers geven tientallen jaren zwak licht. Bron: Bilious - Eigen werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10843869
Tritium sleutelhangers geven tientallen jaren zwak licht.
Bron: Bilious – Eigen werk, CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10843869

Welke isotopen gebruikt NDB?
De startup NDB doet op haar voorpagina boude claims over batterijen die in staat zouden zijn smartphones, auto’s en andere energieslurpende apparaten te voorzien van permanente energie. Claims die je, althans vermogen, alleen waar kan maken met tritium of een andere kortlevende bèta-isotoop, maar niet met koolstof-14 dat de radioactiviteit uitsmeert over duizenden jaren.
Op de “technology” pagina [1] doet het bedrijf erg geheimzinnig over de gebruikte radioactieve isotopen. Enkele citaten lichten echter een tipje van de sluier op. Zo komen er neutronen vrij: “Boron-doped SCD” moet neutronen invangen en omzetten in alfadeeltjes (heliumkernen). Dus duidelijk zijn dit niet alleen bètastralers. Elders spreekt men over “fissionable isotopes”, zoals Pu-238 en U-232. Dit is geen relatief onschuldige koolstof-14 uit grafietblokken meer en doet vermoeden dat men zijn heil zoekt in het verwerken van hoogradioactief kernafval in batterijen. Als dit op een veilige manier kan: waarom niet? Met alfa- en bètastralers kan dit, maar helaas niet met neutronenstraling. Neutronen zijn qua gezondheid uitermate vervelende deeltjes – ze veranderen stabiele atoomkernen in radioactieve kernen als ze ingevangen worden in de atoomkern. Neutronen houd je alleen tegen met een meter beschermend water of soortgelijk materiaal, wat uiteraard alleen praktisch is voor een atoomonderzeeër. Of in een reactor, om tritium te produceren uit deuterium. Die je dan in je batterij stopt. Wat uiteraard een stuk slimmer is.

Bronnen
1. NDB: Technology
2. V.S. Bormashov et al, High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes, Diamond and Related Materials (2018). DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Patent aangevraagd op kernfusiereactor

De Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin, hier in de lage landen vooral bekend wegens de gelijknamige affaire, heeft patent aangevraagd op een kernfusiecentrale. Is dit een manier om investeerders te lokken, of staat er echt wat groots op stapel?

Kernfusie, het samenvoegen van twee kleine atoomkernen tot een grotere atoomkern, heeft veel in zich om de belangrijkste energiebron te worden. De energiedichtheid is iets hoger dan die van kernsplijting, er komt nauwelijks radioactief afval bij vrij en de uitgangsstoffen, de waterstofisotopen deuterium en tritium, komen op aarde veel voor. Ongeveer één op de tienduizend waterstofatomen is een deuteriumatoom. Anders dan bijvoorbeeld  zonne-energie werkt kernfusie dag en nacht, ongeacht de weersomstandigheden. Er is alleen één probleem. Het is weliswaar gelukt om kernfusie te bereiken, maar nog nooit om meer energie uit kernfusie te halen dan er in wordt gestoken: het break-even punt (uitgezonderd, uiteraard, waterstofbommen). Het wereldrecord staat op dit moment op naam van de Z-pinch van de National Ignition Facility in de VS, die er in slaagde om meer energie uit de fusieatomen te produceren, dan er door de lasers in werd gepompt. Dit klinkt indrukwekkender dan het is: lasers zetten maar enkele procenten van de toegevoerde energie om in laserstraling. Voor echte ‘ignition’ moet de efficiëntie zeker factor tien omhoog.

De kernfusiegroep van Lockheed Martin zegt, met hun ontwerp een levensvatbare kernfusiereactor te kunnen bouwen. Bijzonder aan hun ontwerp is dat het erg compact is voor de hoeveelheid vermogen die de centrale wil gaan opwekken. In sterren zoals de zon vindt kernfusie plaats door de zeer hoge temperaturen, boven de tien miljoen graden, in de kern. Ook in traditionele ontwerpen zoals de tokamak is de temperatuur van het plasma tientallen miljoenen graden. Dit is tienduizenden malen hoger dan zelfs de meest geavanceerde materialen aankunnen, dus technici maken gebruik van zeer sterke magneetvelden om het plasma opgesloten te houden. Bij kleine volumes lekt er veel energie weg. De reden dat experimentele reactoren zoals ITER meer dan tien meter in omvang zijn. Lockheed kiest voor een ontwerp dat in principe op een vrachtwagen past. Naar opgave van de fabrikant moet het uiteindelijke model een stad van 100.000 mensen van energie kunnen voorzien.

Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin
Technicus bij een prototype. Bron: Lockheed Martin

Lockheed heeft nu een patent ingediend[2]. Drie andere patenten staan op de rol.

Overigens bestaat er behoorlijk wat scepsis over de claims van Lockheed. Ook lijkt de nieuwste incarnatie van hun reactor nu een factor 100 groter volume te hebben, en hiermee aardig in de buurt te komen van low-beta concurrenten zoals ITER. To be continued.

Bronnen
Lockheed Compact Fusion Research Group
Lockheed Martin Corporation, Encapsulating magnetic fields for plasma confinement, patent

 

Vrijwel alle benzineauto's kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.

Uit kooldioxide autobrandstof ethanol maken nu mogelijk

De groep onderzoekers was  op zoek naar een methode om met behulp van een nanomembraan kooldioxide in methanol om te zetten. Ze ontdekten iets dat veel  interessanter is. Hebben we de missing link gevonden om alternatieve energiebronnen definitief door te laten breken?

Energie  goedkoop, batterijen niet
Op dit moment bevinden in het grootste deel van de wereld de kosten voor zonne-energie zich al onder de kostprijs van fossiele brandstoffen. Het bewijs zie je  in China. Het autocratische regime in Beijing staat niet bepaald bekend om het onnodig geld weggooien, idealisme of milieubewustzijn, maar de hoeveelheid geïnstalleerde zonnepanelen in China overtreft de rest van de wereld nu met stukken. De reden hierachter is simpel. Duurzame energiebronnen zijn goedkoper.

Er is nog één belangrijk probleem met de alternatieve energiebronnen zon en wind. Ze zijn niet op te slaan en kunnen geen energie on demand leveren. Onze batterijen en andere opslagmethoden zijn gebrekkig – de beste, pumped hydro (opslaan in stuwmeren), neemt 99% van alle opslagcapaciteit in de VS voor zijn rekening. Hier in Nederland en België proberen we ons te redden met gascentrales die bij piekvraag aangeschakeld worden. Daarom kunnen we voorlopig nog niet om fossiele brandstoffen heen.

Daar lijkt nu verandering in te komen.

Alcohol uit kooldioxide
Ethanol is de scheikundige term voor de harddrug die wij als alcohol kennen. Er zijn meer alkanolen (het verzamelbegrip voor alle koolwaterstoffen met een extra -OH-groep) dan alleen ethanol. De eenvoudigste alkanol is de stof methanol: H3C-OH. Ethanol is langer: H3C-CH2-OH. Chemisch gezien is het makkelijker om uit CO2 methanol te maken. Je voegt waterstof toe. Eén zuurstofatoom wordt van dekooldioxide afgetrokken en verbindt zich met een waterstofmolecuul tot water. Het andere zuurstofatoom blijft aan de koolstof vastzitten; beide atomen verbinden zich met twee waterstofmoleculen zodat zich naast water, het methanolmolecuul vormt. Ethanol is veel lastiger te vormen en wordt dan ook meestal  uit biomassa geproduceerd. Er zijn minimaal twee stappen nodig voor de productie van ethanol.

Vrijwel alle benzineauto's kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.
Vrijwel alle benzineauto’s kunnen op E85 (mengsel van 85% ethanol en 15% benzine) rijden. Met dit nieuwe procédé is er nu echt een alternatief voor benzine.

De scheikundig onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory onderzochten de omzetting van kooldioxide en water (géén waterstof) in methanol, met behulp van elektriciteit. Als katalysator gebruikten ze koperen nanodeeltjes en grafeen nanodraadjes. Er gebeurde vervolgens iets geheel onverwachts. Er vormde zich geen methanol, maar ethanol. De verklaring, volgens de onderzoekers: op de spits toelopende toppen van de koolstof nanodraadjes, de ‘spikes’,  vormt zich een extreem sterk lokaal elektrisch veld. Klaarblijkelijk wrikt dit de C=O bindingen los, waardoor zich in twee stappen ethanol vormt. In de eerste stap, denken ze, het instabiele dimeer van koolmonoxide, O=C=C=O. In de tweede stap verandert dit in ethanol. De brutoreactie is display math.  m.a.w. kooldioxide en water worden verbruikt en er vormt zich ethanol en loog.

Na enig prutswerk bleek de opbrengst erg hoog.  Maar liefst 60-70% van de toegevoerde elektrische energie wordt omgezet in ethanol. Ter vergelijking: lithium-ion batterijen, op dit moment de standaard, halen 80-90%. Loodaccu’s nog minder.

Olie niet meer nodig
Als dit systeem massaal geproduceerd kan worden (en volgens de onderzoekers is dat in principe vrij eenvoudig, al hebben ze nog niet door hoe het precies werkt), kan dit wel eens de doorbraak betekenen van zonne- en windenergie. Het complete wagenpark kan met een minimale aanpassing overschakelen op ethanol in plaats van benzine. Ook particulieren zouden met  hun eigen zonnepanelen alcohol kunnen produceren voor eigen gebruik. Piekvermogens door windmolens en zonnepanelen kunnen direct worden omgezet in de chemische energie van ethanol.

Is dit alleen maar goed nieuws? Er is een klein minpuntje. Zolang de alcohol maar niet gedronken wordt. Er zitten namelijk de nodige giftige stoffen in. Die zullen er eerst uit moeten worden gedestilleerd voor het goedje gedronken kan worden. Gelukkig zijn daar al wél goede alternatieven voor…

Bron
Dr.Yang Song et al., High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode, ChemSubPop Europe, 2016

De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.

Stellarator blijkt te werken

De Duitse stellarator Wendelstein-7x heeft meer weg van een buitenaards relict dan van een nieuwe energiebron. Toch is er een goede kans dat de negentien jaar en miljoen gewerkte uren leiden tot een overvloedige energiebron: kernfusie.

Kernfusie: schone kernenergie
Kernfusie berust op het principe, dat het energie oplevert om lichte atoomkernen samen te smelten tot iets zwaardere atoomkernen. Dit proces laat de zon, en de overige zichtbare sterren in de Hoofdreeks, schijnen. Anders dan kernsplijting, levert kernfusie weinig tot geen gevaarlijke neutronen of radioactieve afvalproducten. Meer informatie over methoden voor kernfusie in ons overzichtsartikel.

De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.
De stellarator Wendelstein 7-X, opengewerkt. Bron: Science.org ex. RD.

Wat is een stellarator?
De stellarator houdt net zoals de bekendere tokamak het plasma gevangen in een soort ring. Alleen is de ring van de stellarator zo geconstrueerd, dat het plasma alleen al door de magnetische velden op zijn plaats wordt gehouden. Bij een tokamak, waar de ring een simpele donutvorm heeft, wordt het magnetische veld zwakker aan de randen (waardoor het plasma weglekt en de elektrische stroom nodig is), bij een stellarator zijn de spoelen onderling zo opgesteld, dat de magneetvelden aan de rand van de plasmabundel sterker zijn en de plasmadeeltjes minder  snel weglekken. Er loopt geen elektrische stroom door het plasma. Dit maakt dat de stellarator compacter kan blijven dan een traditionele tokamak en, heel belangrijk, tot een half uur achter elkaar kan blijven werken. Erg handig als je stroom opwekt. De stellarator heeft ook enkele nadelen, zoals het veel sneller weglekken van plasma en het kronkelige pad, waardoor veel ‘Bremsstrahlung’ ontstaat: elk geladen deeltje dat van richting of snelheid verandert, geeft energie af in de vorm van elektromagnetische straling. Energie die je eerst moet toevoeren en de reden dat in het verleden de stellarator werd ingeruild voor de tokamak.

Wendelstein 7-X
De Duitse stellarator Wendelstein 7-x had eigenlijk al in 2006 operationeel moeten zijn, maar problemen met de spoelen stelden dit moment uit tot oktober 2015. De zeer complexe configuratie van stellarators – in dit ontwerp zijn er maar liefst vijftig magnetische spoelen – maken het lastig om problemen op te lossen, maar de sterk toegenomen rekenkracht van computers helpt. Na negentien jaar intensief ploeteren slaagde de eerste test: er ontstond heliumplasma, dat een half uur binnen de ring bleef. Begin 2016 starten de proeven met waterstof. Dan beginnen de eigenlijke fusie-experimenten pas.

Komt er nu overvloedige energie?
Ja, dat in ieder geval. De meest veelbelovende ontwikkeling, waar we ook zeker op kunnen rekenen is zonne-energie. In de tropen en subtropen is de zon nu al voordeliger dan fossiel. In de gematigde breedtegraden, zoals Noord-West Europa en het noordelijke deel van Noord-Amerika ligt de zaak complexer, maar ook hier wordt de zon steeds interessanter. Een werkende fusiereactor zou in het noordelijk deel van de wereld de energieproblemen overtuigend oplossen en onze afhankelijkheid van dictaturen als Saoedi-Arabië en Qatar drastisch verminderen. Immers, een fusiereactor werkt dag en nacht. Reden om ontwikkelingen als de stellarator goed in de gaten te houden. Wat hier op Visionair ook zal gebeuren.

Meer informatie
Feature: Germany fires up bizarre new fusion reactor – Science.org
Wendelstein 7-x – Max Planck Institut für Plasmaphysik

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Welke methoden voor kernfusie zijn er?

Kernfusie, het proces dat de zon haar energie geeft, is de overvloedigste energiebron die we kennen. Helaas is er nog steeds geen kernfusiereactor die meer nuttige energie levert dan er in gaat, maar het over-unity punt komt in zicht.

Wat is kernfusie?
De energiegunstigste atoomkernen zijn stabiele ijzer- en nikkelkernen met rond de 50-60 deeltjes in de kern. Recordhouder is de atoomkern ijzer-56 met 26 protonen en 30 neutronen. Hieromheen hangen dan weer 26 elektronen, die de positieve lading van de protonen neutraliseren.
Er zijn twee manieren om energie uit atoomkernen te halen: kernsplitsing en kernfusie. Het resultaat van beide is dat de nieuw ontstane atoomkernen qua grootte meer op die van ijzer en nikkel gaan lijken. Kernsplitsing, waarbij zware atoomkernen zoals die van uranium uiteenvallen in lichtere, levert in kerncentrales nu al veel energie. Nadeel van kernsplitsing is dat er meestal instabiele, radioactieve atoomkernen ontstaan.

Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT
Nieuwe, goedkopere ontwerpen voor tokamaks, zoals deze ARC-2 reactor, beloven betaalbare fusie-energie binnen bereik te brengen. Bron: MIT

Kernfusie, waarbij lichte atoomkernen (denk aan waterstof-2, helium-3 en lithium-6) samensmelten tot zwaardere, lukt op dit moment alleen op kleine schaal in fusors (waar het veel meer benutbare energie kost dan er vrijkomt) en natuurlijk in waterstofbommen. Omdat er veel meer lichte atomen zijn dan zware, en de opbrengst per kerndeeltje veel groter is (en er nauwelijks gevaarlijke instabiele isotopen ontstaan), is kernfusie een erg interessant proces om de steeds energiehongeriger wereld van voldoende energie te voorzien.

Hoe laat je atoomkernen op elkaar botsen?
Atoomkernen bestaan uit positief geladen deeltjes, de protonen, en neutrale neutronen. De neutronen vormen de lijm, die met hun sterke kernkracht-interactie de protonen bij elkaar houden. De protonen stabiliseren weer de neutronen, omdat ze het voor de neutronen erg energie-ongunstig maken om uiteen te vallen in een proton met elektron. HET technische probleem bij kernfusie is, de atoomkernen die je wil laten fuseren elkaar te laten raken. Immers, ze stoten elkaar af door hun positieve lading. Schiet je maar een fractie te hard, dan kaatsen de kernen weg voordat ze kunnen fuseren.

Samenpersen en koude kernfusie
Hier kan je verschillende strategieën voor volgen. In een waterstofbom en de Amerikaanse Z-pinch Z Machine worden de atoomkernen zeer sterk op elkaar geperst (door een splijtingsbom resp. lasers). Waterstofbommen werken, helaas. De Z Machine wekt fusie op, maar te weinig om te benutten voor stroomproductie.

In een fusor worden kernen afgeschoten op de doelwit-kernen, wat een (lage) hoeveelheid kernfusie oplevert. Met muonfusie worden elektronen vervangen door de zware muonen, waardoor de kernen veel dichter op elkaar komen te zitten, met een veel grotere kans op fusie, zelfs bij kamertemperatuur. Helaas zijn muonen zeer instabiel en kost het veel meer energie om de muonen te maken, dan de fusie oplevert. Muonfusie is de enige bekende werkende methode voor LENR, een verzamelterm voor lage-temperatuur kernfusie. LENR is in de wetenschappelijke wereld zeer omstreden. Op dit moment is er geen fusie aangetoond in een LENR-reactor. Althans: niet door publicatie in een peer-reviewed mainstream wetenschappelijk tijdschrift. Enkele honderden gedreven onderzoekers trotseren de banvloek van de mainstream wetenschap met hun LENR-onderzoek. Zij geloven wel kernfusie te stellarator hebben gerealiseerd, zij het nog te weinig om als energiebron te dienen.

De tokamak
Dan komen we bij de derde voornaamste techniek om kernfusie te realiseren. Schep een gas (bij deze temperaturen: een plasma) van vele miljoenen graden heet. Binnen dit plasma vinden zoveel botsingen plaats, dat er altijd enkele botsingen precies de juiste snelheid hebben voor kernfusie. Als je voorkomt dat het plasma te snel weglekt en energie verliest, heb je een reactor. De succesvolste reactor van dit type is de tokamak, uitgevonden in de toenmalige Sovjet-Unie. De tokamak is een donutvormige ring van plasma, die op zijn plaats wordt gehouden met enorme elektromagneten en een sterke ringvorminge elektrische stroom door het plasma. Dit plasma is namelijk zo heet, dat geen enkel bekend materiaal er tegen bestand is. ITER, de onderzoeksreactor in het Franse Cadarache, is van dit type. Een andere, na een lange tijd weer populairder wordend model is de stellarator.