energieopslag

Op te laden in enkele seconden en nauwelijks verliezen. Geen wonder dat de interesse in supercondensatoren snel groeit. Bron: Samwha Electronics

Nieuw materiaal belooft vervanging batterij

13 reacties / Wetenschap / Door / 15 december 2021

De doorbraak van alternatieve energiebronnen en elektrisch rijden wordt op dit moment nog gehinderd door een hardnekkige bottleneck: energieopslag. Er is nog geen materiaal dat evenveel nuttige energie op kan slaan als een volle tank benzine. Dat lijkt nu te veranderen met de ontdekking van een supermateriaal door onderzoekers van de Australian National University.

Supercondensatoren als alternatief voor de accu
Er zijn, ruwweg gesproken, drie manieren om elektrische energie op te slaan. De eerste manier is de welbekende oplaadbare batterij of accu. Er vindt een chemische reactie plaats aan twee polen, die een overschot aan elektronen aan een pool versus een tekort aan elektronen aan de andere pool oplevert. Dit zorgt voor een elektrische stroom. Voordeel is dat er relatief veel energie opgeslagen kan worden per kilogram: de reden dat er accu’s in elektrische auto’s zitten. Nadeel is dat het opladen tergend lang duurt en er de nodige verliezen optreden, omdat de geladen ionen zich door de stroperige vloeistof moeten worstelen.

De tweede manier is om de energie in een magneetveld van een enorme elektrische spoel op te slaan. Hiervoor is een gigantische stroomsterkte nodig door een geleider die geen verliezen oplevert, met andere woorden een supergeleider. De resultaten van deze SMES, super conducting electric storage, zijn nog niet denderend, omdat de koeling van een supergeleider tot enkele tientallen kelvin energie vreet, de energiedichtheid maar klein is en supergeleidende materialen duur zijn.  Voordeel is echter dat het vermogen enorm snel, in fracties van seconden, opgenomen en afgegeven kan worden met weinig verliezen.

De derde methode is het opslaan van elektrische lading. Dit gebeurt door twee geleidende platen dicht bij elkaar te brengen en onder spanning te zetten. Er hopen zich nu elektronen op in de negatief geladen plaat en positief geladen ‘gaten’ (ontbrekende elektronen) aan de positief geladen platen. Hoe groter de oppervlakte van de platen, hoe dichter de platen op elkaar staan en hoe hoger de spanning, hoe meer energie ze opslaan. Condensatoren, zoals deze apparaatjes met ingebouwde geladen platen heten, zijn een onmisbaar onderdeel van de meeste elektrische schakelingen. De hierin opgeslagen elektrische energie is miniem, maar met de ontwikkeling van supercondensatoren ontwikkelen ze zich als een serieus alternatief voor batterijen: de beste supercondensatoren presteren op circa 10% van de energiedichtheid van batterijen. Net als SMES laden en ontladen condensatoren snel (fracties van seconden) met weinig verliezen. Wel hebben sommige typen condensatoren moeite hun lading vast te houden, omdat dicht bij elkaar gelegen platen makkelijk kortsluiten.

Op te laden in enkele seconden en nauwelijks verliezen. Geen wonder dat de interesse in supercondensatoren snel groeit. Bron: Samwha Electronics
Op te laden in enkele seconden en nauwelijks verliezen. Geen wonder dat de interesse in supercondensatoren snel groeit. Bron: Samwha Electronics

Hoe werkt de ideale condensator?
Om zo veel mogelijk energie op te slaan moet de condensator aan drie eisen voldoen.
– De platen moeten zo dicht mogelijk bij elkaar liggen; de capaciteit is namelijk omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen. In de praktijk wordt kwantumtunneling en doorslag (kortsluiting) een probleem bij te kleine afstanden. Mede daarom is de minimale afstand tussen platen enkele atoomdiktes.
– De platen moeten een zo groot mogelijke oppervlakte hebben per gram. De gedachten gaan dan als vanzelf naar grafeen, het revolutionaire materiaal van een atoomlaag dikte. Een alternatief bestaat uit “platen” die in feite in elkaar vervlochten boomachtige netwerken zijn.
– De platen moeten lekvrij zijn: er moet geen lekken of kortsluiting plaatsvinden.
– De dielektrische constante moet hoog zijn. Dit betekent dat er voor een gegeven plaatafstand, plaatgrootte en spanning veel lading opgeslagen wordt. De dielectrische constante voor lucht is bijvoorbeeld 1.
– De condensator moet tolerant zijn binnen een groot temperatuurbereik.

Hoe krijgt dit nieuwe materiaal zo een grote capaciteit?
Het ontdekte materiaal, op basis van het overvloedig beschikbare titaniumoxide, werkt op basis van moleculaire defecte dipolen, m.a.w. structuren op atoomschaal. Een dipool is een combinatie van een positieve en negatieve lading tegenover elkaar. Hierdoor krijgt het materiaal een extreem grote dielektrische constante die vier ordes van grootte (10^4, rond de factor tienduizend)  of meer boven normale waarden ligt. Dit betekent dat het materiaal meer dan tienduizend keer zoveel energie kan opslaan als een ‘normale’ condensator. Helaas zijn er uit het artikel of begeleidende documenten geen schattingen bekend van en energiedichtheden, maar als we uit gaan van enkele elektronvolts per atoomgroep lijkt 1-10 MJ per kg een redelijke schatting. Dit ligt in de buurt van de energiedichtheid van de allerbeste batterijen, wat het een interessant materiaal maakt voor energieopslag. Omdat het metaal titanium een van de meest voorkomende atoomelementen op aarde is, (0,63% van alle materie is titanium) zou dit wel eens de doorbraak kunnen zijn waar we allen op wachten.

Vervolg 2021

Het materiaal lijkt een aantal onderzoeksgroepen geïnspireerd te hebben. Op dit moment hoor je wat minder van super capacitors, wat jammer is. Hun potentieel, de auto in een paar seconden opladen, is immers enorm. Waarschijnlijk is de nog steeds lage capaciteit hier de boosdoener.

De batterijen zijn erg flexibel en kunnen dus in bijvoorbeeld dekens worden verwerkt. Bron: 24M

Nieuwe techniek maakt lithium-ionbatterijen twee maal zo goedkoop

6 reacties / Techniek / Door / 30 juni 2015

Lithium-ionbatterijen, nu erg prijzig, kunnen voor de helft van de kosten worden gemaakt. Daarmee zouden elektrische auto’s rond 2020 definitief kunnen doorbreken. Dat melden ontwikkelaars van 24M, een spinoff van de Amerikaanse technische universiteit MIT.

Lithium is het lichtste metaal, lichter dan water zelfs en ook erg energiedicht. Ideaal voor batterijen dus, en daar wordt het ook veel voor gebruikt. Helaas is lithium vrij zeldzaam, omdat vrijwel alle lithium in het heelal tijdens de oerknal is ontstaan, en sindsdien het metaal even snel wordt geproduceerd als afgebroken in sterren. De totale winbare lithiumvoorraad wordt geschat op 13,5 miljard kg (bij een lithiumprijs van 5 dollar per kilo) op land. Dit is 2 kg per mens. Verder zijn er 200 miljard kg opgelost in zeewater (bijna 30 kg per mens), die zonder goedkope energie veel duurder zijn om te winnen. Ruim voldoende om elke wereldbewoner aan een elektrische auto te helpen. In principe heb je aan 80 gram lithium nodig om een kilowattuur energie op te slaan. Wat lithiumbatterijen zo zwaar maakt, is de ombouw van andere, logge atomen.

De batterijen zijn erg flexibel en kunnen dus in bijvoorbeeld dekens worden verwerkt. Bron: 24M
De batterijen zijn erg flexibel en kunnen dus in bijvoorbeeld dekens worden verwerkt. Bron: 24M

Op dit moment zijn lithiumbatterijen relatief duur. Een kilowattuur opslaan kost je al gauw 200 euro. Een kilowattuur is voldoende om ongeveer 3-4 kilometer mee te kunnen rijden. Wil je 300 km kunnen rijden voor je bij moet laden, dan moet je dus 200 x 300/3 = 20.000 euro besteden aan batterijen. De reden dat elektrische auto’s zo duur zijn.

Lukt het om deze prijs te halveren tot 100 euro, dan worden elektrische auto’s ongeveer even duur als benzineauto’s en zullen automobilisten massaal overstappen op de elektrische auto. Elektriciteit is per km namelijk voordeliger dan benzine, vooral als je veel moet remmen. Dan kan de elektrische auto namelijk de energie terugwinnen. Vooral natuurlijk, als je ’s zomers je autootje met je eigen zonnepaneel op kan laden….

De nieuwe lithium-ion batterij van 24M Technologies is veel compacter dan traditionele batterijen en kost daarom maar de helft per kWh.
De nieuwe lithium-ion batterij van 24M Technologies is veel compacter dan traditionele batterijen en kost daarom maar de helft per kWh.

Grote man achter het nieuwe ontwerp is Yet-Min Chiang, oprichter van de batterij-startup A123. De nieuwe productietechniek elimineert onnodige productiestappen en maakt het ontwerp van de lithium-ion batterijen veel simpeler dan nu. In plaats van een groot aantal platen, bevat het nieuwe type maar twee blokken. De batterijen vormen een soort mengvorm van vaste-stof en vloeibare opslagbatterijen. Hierdoor hoeven de ionen maar een korte afstand te reizen en kan tachtig procent van het bulkmateriaal, dat de eigenlijke batterij ondersteunt, worden weggelaten. Het gevolg: de batterij wordt compacter, lichter en zuiniger. Ook kan de batterij  in één stap worden gefabriceerd: er vormen zich poreuze elektroden doordat de suspensie met deeltjes neerslaat.

De batterijen zijn ook veel flexibeler en veiliger dan traditionele batterijen.

Er zijn al tienduizend exemplaren van het nieuwe model uitgeleverd aan grote elektriciteitsmaatschappijen in Zuid-Oost Azië, die de batterijen nu op grote schaal uittesten. Chiang verwacht daarom dat rond 2020 de productiekosten onder de honderd dollar per kWh opslag komen te liggen. Waarmee hij zowel de grote industriële afnemers, als de consumenten in de vorm van goedkope elektrische autoaccu’s zou kunnen bedienen.

Chiangs plannetje zou wel eens kunnen slagen, wat uitermate goed nieuws voor het klimaat en de mensheid zou betekenen.

Bron
Brandon J. Hopkins, Kyle C. Smith, Alexander H. Slocum, Yet-Ming Chiang. Component-cost and performance based comparison of flow and static batteries. Journal of Power Sources, 2015; 293: 1032 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.06.023
MIT Newsoffice, 2015

De supercondensator, ontwikkeld door UCLA. Bron: UCLA.

Accu die in enkele seconden oplaadt, ontwikkeld

7 reacties / Techniek / Door / 3 april 2015

Opladen kost veel tijd. Een nieuwe supercondensator slaat even veel energie op als een loodaccu, maar kan in enkele seconden geladen worden. Supercondensatoren laden in enkele seconden, maar slaan doorgaans maar weinig energie op.

Grafeen en condensatoren
De aan de Californische universiteit UCLA ontwikkelde condensator werkt op basis van grafeen. Condensatoren werken niet met chemische energie, maar slaan energie op als lading op zeer dunne platen. Hoe groter de oppervlakte van de platen, en hoe dichter de platen op elkaar staan, hoe meer energie de condensator op kan slaan. Grafeen bestaan uit één atoom dikke laagjes koolstof en is hiermee dus het ideale condensatormateriaal. Condensatoren hebben twee grote voordelen boven batterijen. Ze laden in seconden op, immers er is alleen elektrische stroom nodig en geen chemische reactie om ze op te laden, en ze kunnen tienduizenden malen op worden geladen zonder dat ze achteruit gaan.

De supercondensator, ontwikkeld door UCLA. Bron: UCLA.
De supercondensator, ontwikkeld door UCLA. Bron: UCLA.

‘Accu’, maar dan in enkele seconden opgeladen
Nadeel van supercondensatoren is dat ze maar weinig energie opslaan per kilogram. Je moet bij wijze van spreken een aanhanger met supercondensatoren achter je auto hangen om een benzinetank te vervangen. Met dit nieuwe type komt hier sterk verbetering in. Per kilogram slaat dit type ongeveer evenveel energie op als een loodaccu. Dat is ongeveer een derde van lithium-ion batterijen.

Hoe werkt het systeem?
De supercondensator bestaat uit gestapelde laagjes LSG, laser-geschreven grafeen, en mangaandioxide. De onderzoekers gebruikten een consumenten-CD brander en een oplossing van grafietoxide in water om LSG te fabriceren. Mangaandioxide geleidt slecht stroom, maar slaat wel goed lading op, de positieve mangaanionen en negatieve zuurstofionen helpen hierbij. Grafeen transporteert de lading naar de mangaandioxide, die nanostructuren vormt. De productietechniek die is toegepast vraagt niet de extreme temperaturen of de dure “dry rooms” die nu noodzakelijk zijn voor de productie van supercondensatoren. Omdat de condensator uit dunne laagjes bestaat, kan deze ook in zeer dunne plakken worden gefabriceerd, als krachtbron voor micro-elektronica en zeer dunne elektronica. Kortom: deze techniek heeft alles in zich om een disruptieve, exponentiële technologie te worden.

Nou leuk, maar wat zijn de voordelen?
Het opladen met deze dingen gaat zo snel, dat auto’s die voor een stoplicht staan, via de weg kunnen worden opgeladen. Gefrustreerde smartphone- en laptopbezitters zullen het voordeel snel snappen. Een tweede voordeel is dat er duizenden laadcycli mogelijk zijn. Nu zijn de grootste kosten aan een elektrische auto de batterijen. Hiermee gaan de energieopslagmodules letterlijk jaren mee, ongeveer even lang als de rest van de auto. Grafeen is nog peperduur, maar  het basismateriaal, koolstof, is spotgoedkoop. Het tweede bestanddeel, mangaandioxide, wordt nu al massaal gebruikt in wegwerpbatterijen en is goedkoop. Kortom: zodra het lukt deze goedkoop en in grote oplages te produceren, is het einde oefening voor fossiele brandstoffen in het wegtransport en kunnen we een explosie aan micro-gadgets verwachten.

Bronnen
1. M. F. el-Kadi et al.,Engineering three-dimensional hybrid supercapacitors and microsupercapacitors for high-performance integrated energy storage, PNAS 2015 ; published ahead of print March 23, 2015, DOI: 10.1073/pnas.1420398112
2.UCLA scientists create quick-charging hybrid supercapacitors, UCLA News, 2015

Wind waait vooral als er weinig zon is, dus kan zonne-energie aanvullen. Door windmolens op zee te plaatsen kan het landgebruik nog verder omlaag.

Plan Lievense

7 reacties / Analyses, Ideeën en techniek, Nederland, Techniek, Visionair leven, Visionaire projecten / Door / 19 juni 2013

In 1981 presenteerde ingenieur Lievense een alternatief plan voor de Markerwaard. Het was de bedoeling om een groot deel van het huidige Markermeer droog te leggen en er een polder van te maken: de Markerwaard. In 2003 is definitief door de Rijksoverheid besloten om niet tot drooglegging van het Markermeer over te gaan.

Stuwmeer
In het plan van Lievense zou er in plaats van een drooglegging sprake zijn van een tegenovergesteld idee: het creëren een stuwmeer door het inmalen van water. Een stuwmeer die zou worden gebruikt voor energieopslag. De Markerwaard zou moeten gaan dienen als een waterenergiebuffer door over een lengte van 100 kilometer 15 meter hoge dijken rondom het gebied aan te brengen.  Op de dijken zouden 400 windmolens worden geplaatst. Hierdoor ontstaat een bassin waarin water zou worden ingemalen met behulp van de windmolens. Zo zou er een stuwmeer ontstaan van 12 meter diep waarvan de bovenste laag van 60 centimeter kon worden afgevloeid via waterturbines om schone energie op te wekken. Verder zou het mogelijk zijn om dagelijks een laag van  20 tot 30 centimeter water met behulp van windmolens in het bassin te pompen.

Windmolens hebben een belangrijke rol gespeeld in de Nederlandse geschiedenis.
Windmolens hebben een belangrijke rol gespeeld in de Nederlandse geschiedenis.

Bovendien zou een gedeelte van dezelfde waterturbines kunnen worden gebruikt om weer water terug te pompen in het bassin om het waterpeil te verhogen. In tijden van weinig energievraag en veel aanbod van energie (en daarmee lagere energieprijzen) zou het waterpeil moeten stijgen door er water in te pompen. Het op dat moment bestaande energieoverschot zou hiervoor worden gebruikt.  Op het moment dat de energievraag weer stijgt (en daarmee ook de energieprijs) zou het waterpeil weer dalen en energie worden opgewekt met behulp van de waterturbines. Op die manier zouden pieken in de vraag naar energie worden opgevangen.

Wind- en kernenergie
In eerste instantie was het de bedoeling om het plan toe te passen op windenergie. Windenergie zou worden gebruikt om water in het stuwmeer te pompen en dagelijks aan te vullen.  Een nadeel van windenergie is het sterk wisselende aanbod door de afhankelijkheid van bepaalde windcondities die benodigd zijn om windmolens te kunnen laten draaien. Dit betekent dat de productie niet altijd goed aansluit bij de vraag die ook sterk wisselend is. Dit plan biedt een oplossing voor dit probleem door een energieopslagsysteem aan te bieden.

Het plan ging uiteindelijk niet door. Een belangrijk aspect waren de kosten. Het was maar de vraag of het economisch haalbaar was. Verder zou het verhaal richting de media niet helemaal kloppen. Het zou vooral gaan om de opslag van goedkope kernenergie. Kernenergie zou worden gebruikt om ’s nachts het stuwmeer vol te pompen. Door de kernramp van Tsjernobyl in 1986 is het plan op de achtergrond geraakt.

Energie-eiland
Rond 2007 dook het plan in een vernieuwde vorm echter weer op in de vorm van een energie-eiland. Het plan is opgesteld door ingenieursbureau Lievense en adviesbureau KEMA waarin een eiland wordt aangelegd in de Noordzee. Het eiland is geen stuwmeer, maar een valmeer waarin het waterpeil lager ligt dan de omringende zee. Energie wordt opgewekt door water in het meer te laten stromen. In plaats van de hoogte wordt de diepte van de zee opgezocht. Op de ringdijk van het eiland staan tientallen windmolens die een omgekeerde functie hebben dan in het plan van Lievense: het water eruit pompen om het waterpeil in het valmeer zo omlaag te krijgen. Het valmeer kan worden gezien als een omgekeerd stuwmeer.

Bronnen

 

De stoommachines in stoomgemalen hebben vaak een enorm vliegwiel.

Vliegwiel maakt loodaccu overbodig, een comeback

12 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek / Door / 22 januari 2021

Een vliegwiel is op te laden en af te tappen, bijna zonder verlies. Is deze mechanische batterij de oplossing om lokaal opgewekte alternatieve energie eindelijk door te laten breken?

The Mechanical Battery Explained - A Flywheel Comeback?

Wat is een vliegwiel?

TLDR: een vliegwiel is een mechanische accu. Een draaiend wiel, waar je energie in opslaat en weer uithaalt. Bijna zonder verlies.

In bewegende voorwerpen zit energie opgesloten. Deze hoeveelheid energie is voor een in een rechte lijn bewegend voorwerp de bekende formule van de middelbare school, 1/2 mv2. Uiteraard is het niet erg handig om de energie van je zonnepaneel bijvoorbeeld in een op en neer bonkende stalen sloopkogel op te slaan. Tenzij je doof bent, en de pest hebt aan de buren. Wel jammer van de muur, dan.

Een goede manier om dit probleem op te lossen is het voorwerp in kwestie rond te laten tollen. Ook rotatie-energie is energie die je af kan tappen en toe kan voeren. De hoeveelheid rotatie-energie hangt af van het zogeheten draaimoment (I). Hoe verder massa van het rotatiemiddelpunt af zit, hoe zwaarder deze meetelt voor I. Drie keer zo ver van het middelpunt (dus r drie keer zo groot) betekent het kwadraat, dus negen maal zoveel draaimoment (I=Σmr2). Meestal wordt daarom een wielvormige structuur gebruikt, een zogeheten vliegwiel. Van een wiel zit alle massa aan de rand. Deze massa telt dus maximaal mee voor het draaimoment. Dit is dus het slimste ontwerp.

Sterk materiaal is meer opslag van energie

De energiedichtheid van vliegwielen is in verhouding vrij laag. Voer je te veel energie toe, dan knalt het wiel uit elkaar door de centrifugale pseudokracht. Je wilt daarom voor je vliegwiel een zo sterk mogelijk materiaal. De massa is niet belangrijk voor de energiedichtheid. Weliswaar slaat twee keer zoveel massa twee keer zoveel energie op, maar de centrifugale ‘kracht’ trekt die massa ook twee keer zo hard uit elkaar.[1]

In theorie kan een vliegwiel van 1 kg van het sterkste materiaal dat we kennen, koolstofnanovezels, 48 MN·m·kg−1 aan. Newton meter staat gelijk aan joule. Dit komt dus neer op 48 megajoule per kilogram. De energieinhoud van een liter diesel, of rond de 13 kilowattuur. Dit is het natuurkundig gezien, theoretische maximum. Ter vergelijking: de beste lithium-ion batterijen van nu halen rond de 1% van deze waarde. Echter, je zit ook vast aan de vormfactor, die weer dwingt tot een lager draaimoment per kilo. Dat maakt het werkelijke theoretische maximum lager, rond de vier kilowattuur per kg.

In de praktijk ligt de haalbare opslag veel lager. Ook zijn koolstofnanovezels duur. In 2021 rond de 200 euro per kilo voor de goedkoopste. Op dit moment is de recordhouder energieopslag, een supervliegwiel met rond de 0,5 kWh per kg. [2]

De stoommachines in stoomgemalen hebben vaak een enorm vliegwiel.
Stoomgemalen hebben vaak een enorm vliegwiel. Mill Meece museum, Staffordshire, VK.

Voordelen van vliegwiel boven accu

Vliegwielen hebben een aantal grote voordelen vergeleken met loodaccu’s, en zelfs lithium-ion accu’s, de standaard op dit moment. Om te beginnen gaan ze veel langer mee. Een loodaccu geeft na enkele honderden laadcycli de geest, waarna je opgescheept zit met een uiterst giftig metaal. Een vliegwiel daarentegen, honderdduizenden malen. Verder kunnen vliegwielen hun energie heel erg snel afgeven. Omdat ze “opgeladen” worden met een elektromotor, worden ze heel efficiënt be- en ontladen: over de 98%. Ter vergelijking: een loodaccu haalt 50% tot 92%. Zwak punt van het vliegwiel is dan weer het energieverlies, maar met magnetische ophanging in een vacuüm is dit binnen de perken te houden.

Voor de meeste toepassingen is de hoeveelheid energieopslag per euro belangrijker dan de energiedichtheid. Vooral voor korte duur. Wrijvingsverliezen maken het vliegwiel voor langere duur energieopslag, minder aantrekkelijk.

Bronnen
1. Hardi Hoimoja, Flywheel energy storage: principles and possibilities, 3rd International Symposium Actual Problems in Energy and Geotechnology Kuressaare, January 16 – 21, 2006
2. A. Conteh et al., Composite flywheel material design for high-speed energy storage, Journal of Applied Research and Technology, 2016

Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia

Lithium-luchtbatterij belooft tien keer zo grote opslagcapaciteit

21 reacties / Ideeën en techniek, Techniek / Door / 19 juni 2012

De doorbraak van elektrische  auto’s wordt geremd door slechts één barrière: het ontbreken van een lichte, compacte en betaalbare accu. De lithium-lucht accu, waar we al eerder over schreven, belooft minimaal een tien keer zo grote capaciteit voor hetzelfde gewicht. Wordt dit de doorbraak waar we al jaren op wachten?

Fata morgana
Lithium-lucht batterijen zijn, vergeleken met de nu in zwang zijnde lithium-ion batterijen, potentieel in staat de capaciteit enorm te verhogen. Dit, omdat lithium-luchtbatterijen gebruik maken van de zuurstof uit de lucht in plaats van een zwaar molecuul dat de elektronen van het lithium opneemt. Lithium wordt dan omgezet in lithiumperoxide, Li2O2. Tot zover de theorie. Het gewichtsrendement van een dergelijke batterij is enorm: lithium, het lichtste metaal dat onder aardse omstandigheden bestaat, heeft een atoommassa van 6, dus absorbeert hier per drie atomaire massa-eenheden een elektron. Ter vergelijking: de welbekende “loodzware” lood-sulfaataccu uit auto’s met een verbrandingsmotor heeft daar rond de 150 atomaire massa-eenheden voor nodig, met bovendien een lagere bronspanning. De praktijk is heel wat weerbarstiger. Weliswaar is er vooruitgang geboekt bij de instroom van lucht in de batterij en de zuurstof ook werkelijk laten reageren met het lithium, maar er is een vervelend probleem: zuurstof reageert ook met de onderdelen van de batterij waarbij dat niet de bedoeling is.

Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia
Lithium, het lichtste vaste element, is een veelbelovend materiaal voor energieopslag. Bron: Wikipedia

Eindelijk lithium-luchtbatterij met lange levensduur?
Het gevolg is dat de lithium-luchtbatterij maar enkele keren opgeladen kan worden voordat deze de geest geeft. Nu hebben onderzoekers een materiaal gevonden dat niet met zuurstof reageert, waardoor de batterij ook meerdere keren opladen blijft functioneren.  Nog meer goed nieuws is dat de batterij in theorie meer dan tien maal zoveel energie kan opslaan als een lithium-ion batterij met dezelfde massa.Hierbij slaagden ze erin te voorkomen dat in het proces van omzetting van lithium in lithium peroxide, er een zuurstofradicaal ontstaat. Een radicaal is een incompleet molecuul met een niet-gebonden elektron en hierdoor chemisch extreem agressief. Dit radicaal tast de elektrolyt aan dat geladen ionen van de ene elektrode naar de andere transporteert. De vorming van het zuurstofradicaal is  onvermijdelijk, maar de gevoeligheid van de elektrolyt voor zuurstofradicalen kan worden vermeden.

Nauwelijks capaciteitsverlies na honderd keer opladen
De auteurs ontdekten een mengsel van een koolwaterstof  (tetraetheen-glycol dimethyl ether) en het lithiumzout LiCF3SO3 dat bestand bleek tegen het radicaal. Dit werkte goed op kamertemperatuur en, nog prettiger, het bleek de zuurstofreacties zo snel te doorlopen dat er nauwelijks tussenproducten te meten waren. LiCO3+, dat wordt gevormd als zuurstof met lithium en de koolstofelektrode reageert (een teken dat de elektrode wordt aangetast), werd niet aangetroffen, aldus de auteurs. In de proefopstelling bleek dat ook: na de honderdste keer opladen vond er nauwelijks capaciteitsverlies plaats vergeleken met de twintigste keer opladen. Voor een auto betekent dat al gauw een levensduur van minstens twee jaar. Ook bij verschillende lading bleek het materiaal goed te presteren.

Extreem hoge energiedichtheid
Hoewel het elektrodemateriaal niet altijd het zwaarste deel van de accu vormt, wat vergelijken moeilijk maakt, biedt dit toch de nodige perspectieven. Bij een hoge ontladingssnelheid is de accu volgens de auteurs in staat 13,5 kWh per kg elektrode op te slaan. Dat is meer chemische energie dan er in een liter benzine of diesel zit en, aangezien elektromotoren bijna 100% efficiënt zijn, betekent dat het bereik van een dergelijke auto meer dan tien maal groter zal zijn dan dat van een benzineauto. De auteurs zijn voorzichtiger en gaan uit van een factor tien lager, maar zelfs dan zou deze techniek bestaande batterijen, met een capaciteit van rond de 0,15 kWh per kg, verre overtreffen. Kortom: laten we hopen dat deze techniek deze beweringen waarmaakt.
Hiermee zou het peak-oil probleem geheel opgelost zijn – zonnepanelen zijn nu al goedkoop genoeg om aardolie als energiebron weg te concurreren.

Lees ook
Elektrische auto met meer bereik dan een benzineauto

Doorbraak elektrische auto: hoge-capaciteit energieopslag opgeladen in enkele minuten

15 reacties / Wetenschap / Door / 22 augustus 2011

Onderzoekers hebben een apparaat ontwikkeld dat geen batterij of ultracondensator is, maar wel de voordelen van beide heeft. Dat wil zeggen: evenveel energieopslag als een batterij en even snel op te laden als een ultracondensator. Het nieuwe apparaat werkt door grote hoeveelheden lithiumionen snel tussen elektroden heen en weer te pompen. De snelle oplaadtijd neemt een belangrijke barrière weg voor de komst van goedkope elektrische auto’s. Ook kunnen hiermee de beruchte piekvermogens van windmolens en andere alternatieve energievormen worden opgevangen.

Nieuw energieopslagsysteem laadt auto's in minuten op
Nieuw energieopslagsysteem laadt auto's in minuten op

Revolutionaire uitvinding
De onderzoekers noemen hun uitvinding “lithium-ion uitwisselcellen met grafeen oppervlakte”, of kortweg surface-mediated cells (SMC’s). Hoewel de apparaten nog lang niet uitontwikkeld zijn – zo zijn de materialen nog niet optimaal – presteren ze nu al beter dan lithium ion-accu’s en supercondensatoren. De nieuwe energieopslag kan 100 000 W per kg cel leveren, wat honderd maal hoger is dan wat een lithium-ion batterij kan leveren en zelfs tien keer hoger dan supercondensators, tot nu toe de recordhouder. Om een indruk te geven: 100 000 watt is evenveel vermogen als 500 gemiddelde mensen kunnen leveren. Ook slaan de nieuwe cellen 0,16 kWh per kg op, vergelijkbaar met lithiumbatterijen en dertig maal zoveel als ultracondensatoren.

Volgens Bor Z. Jang, medeoprichter van Nanotek, kunnen met de huidige SMC en lithium ion-batterijen elektrisch voertuigen even ver rijden. Net als lithiumbatterijen kunnen de SMC’s nog verder worden verbeterd (waardoor ze meer energie op kunnen slaan dan nu). Hierbij houden ze echter hun beslissende voordeel: ze kunnen in minder dan een minuut worden opgeladen, waar een lithiumbatterij in elektrische voertuigen uren opladen vergt.

Tot nu toe: snel leeg versus traag opladen
Tot nu toe moesten autobouwers kiezen tussen twee kwaden. Ultracondensatoren slaan hun energie op als elektrische lading. Ze kunnen heel snel opgeladen worden, maar hun capaciteit is maar laag. Batterijen, aan de andere kant, kunnen veel energie per kilogram opslaan maar kunnen alleen in lange tijd opgeladen worden. Het gevolg is dat voor elektrische rijders even onderweg tanken er niet inzit. Doorgaans hangen de auto’s de hele nacht aan het stopcontact. Ook kunnen batterijen tien keer zo weinig piekvermogen leveren als condensatoren. Overigens is dit nog vergelijkbaar met motoren op fossiele brandstof. Met hun fundamenteel nieuwe concept maken Jang en zijn collega’s al deze problemen een non-issue.

Het geheim van de SMC
Ook bij dit apparaat is (zoals bij wel meer technische doorbraken) grafeen verantwoordelijk. Beide elektroden bestaan uit atoomdikke laagjes grafeen. Daardoor kennen ze een werkelijk gigantische oppervlakte. Bij het maken van de cel plaatsen de onderzoekers vast lithiummetaal aan de anode (positieve elektrode; pluspool). Gedurende  de eerste ontlading wordt het lithium geioniseerd, waardoor er veel meer lithiumionen vrijkomen dan in een gewone lithiumbatterij. Dit verklaart het veel hogere vermogen en de snelle laadtijd. Als de batterij wordt gebruikt, migreren de ionen door een vloeibare elektrolyt naar de kathode (minpool), waar de ionen de poriën binnendringen en zich op het enorme grafeenoppervlak in de kathode hechten. Gedurende het weer opladen beweegt de zee van lithiumionen weer snel van kathode naar anode. Zie afbeelding rechts. Elk lithiumion hoeft maar heel kort te reizen, in de orde van duizendsten van millimeters, waardoor de SMC extreem snel wordt opgeladen.

Omdat de ionen worden uitgewisseld tussen de poreuze oppervlakten van de elektroden en niet diep in de elektrode moeten reizen, zoals in batterijen, is het tijdvretende proces waarbij de lithiumionen in de elektroden moeten worden afgezet, niet meer nodig. Dit proces maakt dat het opladen van batterijen zo lang duurt.

Nog meer goed nieuws is dat het apparaat nu al goed presteert terwijl het nog steeds niet is geoptimaliseerd. Verwacht dus een veel hogere capaciteit in de komende jaren. Ook kan deze energieopslag heel vaak achter elkaar worden opgeladen. Na duizend keer opladen, dat staat ongeveer gelijk aan twintig jaar autogebruik als mensen een keer per week tanken, is de capaciteit nog 95%. Zelfs na tweeduizend keer opladen was de capaciteit niet ernstig verminderd.

Alles klaar voor de elektrische revolutie
Jang verwacht geen grote hordes die nog genomen moeten worden om deze vorm van energieopslag op grote schaal uit te rollen. Weliswaar is grafeen nog steeds peperduur, maar de productie wordt nu steeds grootschaliger gemaakt. De productiekosten van grafeen zullen de komende drie jaren enorme dalen, aldus Jang. Wel zal er vermoedelijk een enorm lithiumtekort ontstaan. Gelukkig zit er in zeewater heel veel lithium, dat met voldoende energie hier uit te halen is. Zoals zo veel dingen komt ook dit dus neer op een energieprobleem. En dat is oplosbaar. Kortom: dumpen, die olieaandelen.

Bronnen
Bor Z. Jang, et al. “Graphene Surface-Enabled Lithium-Ion Exchanging Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices.” Nano Letters (2011)
New energy storage device could recharge electric vehicles in minutes, physorg (2011)

Thermofotovoltaïsche cel: zonnecel zonder zon

2 reacties / Wetenschap / Door / 7 november 2021

Een thermofotovoltaïsche cel werkt puur op warmte, waardoor elektriciteit wordt opgewekt zonder dat er zonlicht bij betrokken is. Hoewel het principe dat wordt gebruikt – het oppervlaktemateriaal zo aanpassen dat alleen bepaalde golflengtes straling worden uitgezonden – niet nieuw is, is dit systeem veel efficiënter dan vorige incarnaties. De opvolger voor de brandstofcel?

In het kort
Het geheim van het systeem: een materiaal met ontelbare gaatjes op nanoschaal (tientallen tot honderden atomen breed dus) op het oppervlak. Als het materiaal warmte absorbeert van welke bron dan ook – de zon, fossiele brandstof, radioisotoop of een andere energiebron – straalt het oppervlak vooral energie uit in de golflengtes die de kuiltjes toelaten.
Onderzoekers van het MIT zijn er op die manier in geslaagd om een krachtcel die werkt op butaan te bouwen. Deze krachtcel gaat drie keer langer mee dan een even zware lithium-ion batterij; het apparaatje kan direct worden “opgeladen” (door er een nieuw brandstoftankje in te doen). Een ander apparaat, waarbij de energie wordt geleverd door een radioactieve stof,  kan dertig jaar achter elkaar energie blijven leveren – een ideale krachtbron dus voor ruimtevaartuigen die onderweg zijn naar de donkere, koude buitenste regionen van het zonnestelsel.

thermofotovoltaïsche cel
Zo werkt een thermofotovoltaïsche cel. Warmte wordt omgezet in infraroodstraling, die wordt omgezet in elektriciteit. Bron: aangepast van origineel

Verliezen bij warmteomzetting kost heel veel energie
Ongeveer 92% van al ons energieverbruik houdt op de een of andere manier omzetting van warmte in elektriciteit of voortbeweging in. Kolen- en gascentrales, zelfs kerncentrales werken zo. Ook onze auto’s werken met een verbrandingsmotor waarbij het hete verbrandingsgas uitzet en de motor aandrijft.
Erg efficiënt gaat dat niet. Alleen de warmte die vrijkomt door temperatuursverschillen is af te tappen als vrije energie. Je bent dan namelijk gebonden aan de beperkingen van de thermodynamica, waardoor zelfs bij een volmaakte generator maar een beperkt deel van de energie in elektriciteit is om te zetten. Kortom: zouden we een andere manier hebben om warmte te oogsten, dan zou dit wel eens heel veel vrije energie kunnen opleveren. Vooral als het op klein schaal kan, want vooral kleine omzetters gaan erg spilzuchtig te werk.

Zonnepaneel op warmte
Thermofotovoltaïsche cellen, zonnecellen die werken bij op infrarood (warmtestraling) in plaats van licht, bestaan al een halve eeuw. Een brandend stuk hout, bijvoorbeeld, verhit een materiaal, de zogeheten thermische emitter. Dit roodgloeiende materiaal straalt warmte en licht op de zonnecel, die elektriciteit levert. Uiteraard bevat het roodgloeiende licht veel meer rood licht en warmtestraling dan zonlicht en er is dan ook een speciaal type zonnepaneel voor nodig (dat de zwakkere fotonen van infraroodstraling kan vangen) om dit om te zetten in elektriciteit. Desondanks wordt nog steeds veel warmtestraling niet omgezet waardoor de efficiëntie laag blijft.

zwarte straler spectrum
Dit vloeiende spectrum is van een zwarte straler. Door dit spectrum te veranderen in een paar pieken, worden zonnecellen veel efficiënter, want die hoeven alleen de pieken te kunnen vangen. Bron: User:Darth Kule op Wikimedia Commons, public domain

Het geheim: laat het voorwerp alleen bepaalde golflengtes uitzenden
Een volledig zwart voorwerp gedraagt zich qua straling precies volgens het boekje, dat wil zeggen: volgens de stralingswet van Wien en Planck. Hoe heter het voorwerp, hoe meer en hoe energierijker fotonen het uitzendt. De straling komt in een vloeiend spectrum vrij. Natuurlijke stralingsbronnen, van de zon tot de mens, gedragen zich doorgaans als deze zogeheten zwarte stralers.

Het zou uiteraard handig zijn een stralingsbron te hebben die alleen golflengtes uitzendt die de zonnecel kan verwerken. Dat zou de zonnecel veel efficiënter maken.Dus bijvoorbeeld: een stuk gloeiend metaal dat alleen groen opgloeit. Een zonnecel die extreem gevoelig is voor groen licht zou dan een enorm hoog rendement kunnen behalen, zonder dat je je hoofd hoeft te breken over manieren om andere golflengtes te vangen, zoals zonnecelmakers nu moeten doen.

Het fundamentele probleem bij zonnecellen
In een zonnecel krijgt een elektron een oplawaai door een foton, maakt een sprong en vloeit dan weer terug terwijl het zijn energie afgeeft. Is het foton te zwak, dan kan het elektron niet over de barrière springen. Is het foton te sterk, dan springt het elektron wel, maar de extra energie van het foton gaat verloren. Beide effecten maken efficiënte zonnepanelen maken zo ingewikkeld.

Maar hoe vind je een dergelijk materiaal? Het antwoord: maak een foto-aktief kristal door het oppervlak zo te bewerken (bijvoorbeeld met zeer kleine putjes of richels)  dat licht op een heel andere manier door het voorwerp beweegt.

En dat is wat het team deed. Ze namen een stuk wolfraam – dat is een metaal met een extreem hoog smeltpunt (3410 graden), daarom gebruiken ze het voor gloeidraadjes in een gloeilamp – en bedekten het oppervlak met miljarden kleine putjes. Als het stuk bewerkte wolfraam heet wordt, geeft het helder licht dat sterk afwijkt van het emissiespectrum van een zwart lichaam. De reden: de putjes dwingen fotonen als het ware een bepaalde golflengte te krijgen. Andere golflengtes passen niet in de putjes.

Are Thermophotovoltaics (TPV) The Future Of Solar Power?

Elektriciteitscentrale zo groot als een knoop

De knoopvormige micro-energiecentrale gebruikt koolwaterstoffen als propaan en butaan (kampeerders welbekend als camping gas). Het ding staat ondertussen bekend als een micro-TPV power generator. De verbrandende koolwaterstoffen verhitten het wolfraam dat begint te gloeien in golflengtes, waar het zonnepaneel op berekend is. Per gewichtseenheid kan er drie keer zoveel elektriciteit uit worden geperst als uit een lithium-ion batterij. Ook gaat het opladen uiteraard erg makkelijk en snel: simpelweg een tankje verwisselen. Ideaal voor het leger. Zo kan de democratie in bijvoorbeeld het olierijke Libië weer worden ‘bevorderd’, want een zonnepaneeltje uitrollen schiet niet echt op als je met je radiozender snel wilt doorgeven waar bommenwerpers hun eitjes moeten leggen.

Ook voor burgers is het natuurlijk erg makkelijk je laptop of mobieltje maar een keer per week op te hoeven laden.
Of – het echte werk – bekleed je allesbrander met dit spul. Zo krijg je pas echt een hoge-rendementsketel. De grap is dat er geen speciale brandstof nodig is, alles wat maar kan branden en de brander niet verstopt kan er in.Volgens de bedenkers zijn er heel veel toepassingen van deze techniek mogelijk. Denk aan hybride auto’s. Wat zijn jullie ideeën?

Bron:
Sun free photovoltaics, Massachusetts Institute of Technology (2011)

Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.

Superbatterij van grafeen en water

4 reacties / Wetenschap / Door / 17 december 2021

Een combinatie van twee ‘gewone’ materialen – grafiet en water – kan energie-opslagsystemen opleveren die evenveel energie opslaan als lithium-ion batterijen, maar worden opgeladen in een aantal seconden en een bijna eeuwige levensduur hebben. Eindelijk de doorbraak waar we al jaren op wachten?

Grafeen: overvloedig voorkomend materiaal

Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.
Watermoleculen houden de laagjes grafeen-kippengaas uit elkaar zodat ze niet aan elkaar gaan kleven.

De komst van miljoenen goed opgeleide en begaafde Chinese wetenschappers geeft onderzoek en ontwikkeling een nog zelden eerder vertoonde boost. In hoog tempo krijgt de nieuwe fossielvrije economie vorm. Dr Dan Li van de vakgroep Materiaalkunde van Monash University en zijn onderzoeksgroep deden onderzoek naar grafeen, een materiaal dat al veel records heeft gebroken. Grafeen lijkt op zeshoekig kippengaas, waarbij de knooppunten uit koolstofatomen bestaan. Grafeen is extreem sterk, geleidt uitstekend elektriciteit, chemisch stabiel, heeft omdat het uit atoom-dikke laagjes bestaat uiteraard een enorm specifiek oppervlak en bestaat uit koolstof, dat op aarde overvloedig voorkomt.
“Zodra we het materiaal goed kunnen bewerken, kan elektronica, de iPhone bijvoorbeeld, in slechts enkele seconden of misschien zelfs sneller worden opgeladen,” aldus Dr. Li.

Grafeen is geen exotisch nanomateriaal. Grafiet, waar de punt van zeer zachte potloden volledig uit bestaat, bestaat volledig uit laagjes grafeen, die van elkaar af schilferen als je met het potlood schrijft. Grafiet is erg goedkoop: een kilo grafiet kost minder dan twee euro. Kwaliteiten die -met de bijzondere materiaaleigenschappen – grafiet zeer geschikt maken voor het opslaan van energie, aldus Li.

Water lost kleef-probleem op
De reden dat grafeen nog niet overal wordt toegepast is dat laagjes grafeen, zodra ze elkaar raken, de neiging hebben aan elkaar te gaan kleven zoals in grafiet gebeurt, aldus Li. Als de laagjes zich weer opnieuw stapelen, gaat alle oppervlakte verloren en gedraagt het zich niet meer als grafeen. Dr. Li en zijn team hebben nu het geheim ontdekt om de opmerkelijke eigenschappen van laagjes grafeen te behouden: water. Grafeen vochtig houden – in gelvorm – zorgt voor afstotende krachten tussen de grafeenlagen en voorkomt dat ze weer aan elkaar gaan kleven. Hiermee wordt grafeen gebruiksklaar om in de echte wereld toe te passen. De techniek is erg simpel en kan makkelijk worden opgeschaald, aldus Li. “Toen we het ontdekten, konden we onze ogen niet geloven. We nemen twee algemene, goedkope materialen – water en grafiet – en maken dit nieuwe nanomateriaal met verbazingwekkende eigenschappen,” aldus Li.

Grafeen-gel verslaat de huidige koolstof-gebaseerde technologie met stukken, zowel wat betreft de hoeveelheid lading die opgeslagen wordt als de snelheid waarmee de ladingen kunnen worden afgeleverd[2]. Energieopslag is het voornaamste technische probleem wat betreft duurzame energie. Volgens de weinig bescheiden Dr Li zou dit wel eens de doorbraak kunnen zijn die het massaal invoeren van elektrische voertuigen en alternatieve energiebronnen in het algemeen mogelijk maakt.

Grafeen-gel is ook zeer interessant om in waterzuiveringsmembranen te gebruiken, in biomedische apparatuur en sensoren. Het kippengaas laat namelijk alleen kleine moleculen door[3].

Record nu op 0,130 kWh per kg, benadert lithium ion

Onderzoek van het Gwangju Institute of Science and Technology in Zuid-Korea, bereikt ondertussen dichtheden van 0,130 kWh per kg materiaal. Dat komt redelijk in de buurt van een gemiddelde Li-ion of LiFePO4-accu die rond de 200-500 Wh per kg zit. Het gaat hier natuurlijk om een laboratoriumopstelling op zeer kleine schaal. De praktijk leert dat het vaak lastig is om dit op te schalen naar het niveau van een accu. Maar niet fysisch onmogelijk. Een of meerdere doorbraken die dit op de schaal van een EV-accu zouden brengen, zouden het mogelijk maken zeer snel te laden, zelfs sneller dan benzine tanken.

Bronnen
1. Graphite + water = the future of energy storage, Monash University (2011)
2. Yang, X. W., Zhu, J. W., Qiu, L. & Li, D*. Bio-inspired effective prevention of restacking in multilayered graphene films: Towards the next generation of high-performance supercapacitors. Advanced Materials (2011)
3. Qiu, L., Zhang, X. H., Yang, W. R., Wang, Y. F., Simon, G. P. & Li, D. Controllable corrugation of chemically converted graphene sheets in water and potential application for nanofiltration. Chemical Communications (2011)
4. Wu Lu et al., Nanoporous graphene materials by low-temperature vacuum-assisted thermal process for electrochemical energy storage, Journal of Power SourcesVolume 284, 2015

Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.

De nanotol als energieopslag

6 reacties / Ideeën en techniek / Door / 15 juli 2011

We kennen allemaal het vliegwiel. Geef er een ruk aan en het blijft maar rondtollen. Veel technici doen onderzoek naar het vliegwiel als manier om energie op te slaan. Maar zou je geen moleculair vliegwiel kunnen bouwen en daar energie in opslaan? Stel je voor, een jerrycan vol met als een razende rondtollende moleculen. Wat zijn de mogelijkheden?

Vliegwiel: hoe sterker, hoe meer energieopslag

Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.
Een moleculair vliegwiel vertoont geen haarscheurtjes.

Alles wat rondtolt bevat energie. Onze aarde, bijvoorbeeld, bevat 2,138×1029 J. Voldoende om de mensheid 500 miljoen jaar mee van energie te voorzien. Die energie is evenredig met het inertiaalmoment van het voorwerp maal de rotatiesnelheid in het kwadraat. Het is dus slim om een zwaar voorwerp zo snel mogelijk te laten draaien. Maar wacht. Hoe massiever een voorwerp is, hoe sterker de krachten waarmee het uiteen wordt gerukt. In de praktijk telt daarom voor ontwerpers van vliegwielen maar één criterium: hoe sterk is het materiaal waarvan het vliegwiel is gemaakt? Nauwkeuriger gezegd: welk materiaal heeft de grootste treksterkte, want daar gaat het in feite om. Vandaar dat de komst van koolstofnanovezels met spanning worden afgewacht in het vliegwielwereldje. Koolstofnanovezels zijn namelijk het sterkst bekende materiaal, sterker zelfs nog dan diamant. In theorie kan je in een vliegwiel van koolstofnanovezel tien tot vijftien keer zoveel energie opslaan als in de beste vliegwielen nu. Dit betekent: een tot twee kilowattuur per kilo. Een vliegwiel van dertig kilo is zo voldoende voor drie- tot zeshonderd kilometer bereik met een auto.

Molecuul sterkst denkbare voorwerp
Het probleem met grote vliegwielen is dat ze zo sterk zijn als de zwakste schakel. Eén haarscheurtje in het materiaal en het spat uiteen. Hoe kleiner het vliegwiel, des te kleiner de kans dat er een scheurtje in zit. Die kans is zelfs nul als een vliegwiel bestaat uit een enkel molecuul. Een molecuul is namelijk zo eenvoudig omdat het, net als Lego, uit identieke blokjes bestaat. Een molecuul bevat geen scheurtjes. Daar is domweg geen ruimte voor. Een molecuul kan dus zo snel rondtollen als de chemische verbindingen tussen de atomen toelaten. Als we dus een molecuul vinden, dat mooi symmetrisch rond is en op de een of andere manier een zeer sterke binding kent tussen de atomen, dan hebben we het ideale vliegwiel. Wel moeten we er op letten dat de atoomkernen van elk samenstellend atoom precies even zwaar zijn. Anders spat het nanowiel door het gewichtsverschil uit elkaar.

Suspensie in supervloeibaar helium?
Het molecuul kan met cirkelvormig gepolariseerd licht (“kurkentrekker-fotonen”)  in beweging worden gezet. Ook moeten de moleculen elkaar niet raken. De beste oplossing is daarom waarschijnlijk de moleculen op te lossen in supervloeibaar helium en er tegelijkertijd voor zorgen dat ze niet aan elkaar gaan kleven (wat een stevige technische uitdaging is, maar mogelijk te verwezenlijken door zogeheten rotons, gekwantiseerde wervelingen, in het helium los te laten). In supervloeibaar helium verliezen de heliumatomen hun identiteit en vormen één “condensaat”. Dus is er ook niets om tegen aan te botsen en energie aan te verliezen. Geladen rondtollende dingen wekken een magnetisch veld op en gaan zich aan elkaar gelijkrichten. Zou dit kunnen werken? In ieder geval is het het overdenken waard.