koper

Vervanger van koper gevonden

Koperdiefstallen zijn een steeds hardnekkiger plaag. Daar zou wel eens verandering in kunnen komen. Met deze revolutionaire ontdekking zijn onderzoekers er in geslaagd, een vervanger van koper te vinden: koolstof.

Natuurlijk voorkomend koper. Wordt koper vervangen door koolstofnanobuisjes in stroomdraad? Bron

Kopervervanger dringend nodig

Koper is een erg goede elektrische geleider. Van alle metalen geleidt alleen het nog schaarsere zilver, stroom nog beter. Geen wonder dat koper heel veel gebruikt wordt voor elektronica en stroomkabels. Vooral de sterke vraag uit China maakt nu dat een kilo koper al gauw meer dan zes euro kost en geen koperhoudend voorwerp meer veilig is voor het dievengilde.

Onderzoekers zijn er nu voor het eerst in geslaagd een vervanger voor koper te vinden.[1] Een materiaal dat stroom beter geleidt dan dit steeds schaarser wordende metaal dus. Het materiaal in kwestie is koolstof, dat in de vorm van steenkool, kooldioxide en carbonaten zeer veel op aarde voorkomt. Het wordt een stroomgeleider in de vorm van een oude bekende: koolstofnanobuisjes, die veel weg hebben van een opgerold stukje grafeen. Koolstofnanobuisjes houden ook al een andere record: het materiaal met de hoogste treksterkte ter wereld.

Jarenlang moeizaam onderzoek levert vervanger

Na jarenlang moeizaam werk zijn onderzoekers zo ver dat de stroomdichtheid van koolstofnanobuisjes even groot is als die van koper. Dat wil zeggen: per volume-eenheid. Per kilo scoort het materiaal zelfs zes keer beter omdat het veel lichter is. Individuele buisjes geleiden zelfs tien keer zo goed stroom als koper, maar technisch was het tot nu toe niet mogelijk uit koolstofnanobuisjes een dikke stroomkabel te maken. De experimenten zijn uitgevoerd met dubbelwandige buisjes, die makkelijker te maken en te bewerken zijn. De onderzoekers willen nu een stroomkabel ontwikkelen die veel beter stroom geleidt dan koper. Daarvoor moeten ze enkelwandige koolstofnanobuisjes tot een stroomkabel ziet samen te vlechten. Een lastige uitdaging.

Voordelen

Naast een einde aan het kopertekort, besparen de nieuwe, lichte kopervervangers ook veel gewicht. Goed nieuws dus voor vliegtuig- en ruimteschip bouwers. Koolstof is zeer resistent tegen corrosie, dus de koolstof stroomkabels kunnen ook in chemisch zeer vijandige omgevingen gebruikt worden. Als de onderzoekers de belofte van een veel beter geleidend alternatief voor koper waar kunnen maken, wat ze gaan proberen,  betekent dit dat de zeven procent energie die nu als transportverliezen verloren gaat in het hoogspanningnet, wordt gehalveerd of nog beter. Dit geldt des te sterker nog voor de stroomkabels in huis. De kans is dus aanwezig dat deze kabels overal in huis zullen opduiken en dat het koper weer wordt omgesmolten tot mooie standbeelden of munten. Wat moet je er anders mee?

Langzame opmars koper vervangers

De opmars van koolstofnanobuisjes als geleider bleek in de praktijk minder soepel te lopen dan eerst gedacht. Het is nog steeds erg duur om koolstofnanobuisjes in grote hoeveelheden te produceren, al dalen de prijzen. Begin 2021 liggen deze rond de 200 euro per kilogram. Dit is nog steeds vele malen meer dan koper. Wel is de dichtheid van koper veel hoger is dan die van koolstofnanobuisjes. En nog niet alle problemen zijn opgelost. Onderzoekers worstelen nog steeds met het aan elkaar aan laten sluiten van de buisjes. Zolang dat niet lukt, blijft er veel interne weerstand in de kabels zitten. Waarschijnlijk worden de eerste toepassingen die in ruimtevaart en vliegtuigen. Hier is gewichtbesparing erg belangrijk.

In 2019 was de “technical readiness level” bijna 3. Dat betekent, dat is aangetoond dat het principe werkt, maar er nog geen in het lab gevalideerd prototype is. [3] Ga dus voorlopig geen kopermijnen shortsellen. Maar op iets langere termijn zal koper waarschijnlijk de weg van het bakeliet gaan. Zeker, nu een grote fabrikant, Yazaki, al koolstofnanovezels in aluminium kabels verwerkt om deze even goed stroom te laten geleiden als koper [4].

Bron:
1. Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan en Enrique V. Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals, Nature Scientific Reports (2011)
2. Can Carbon Nanotubes Replace Copper?, Assembly magazine, 2016
3. George Slenski, Replacement of copper wiring with carbon nanotubes in aerospace applications, 2019
4. Danielle Szatkovski, How do you replace all that copper wiring, Automotive News, 2019

Het periodiek systeem Koper (Cu)

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag nummer 29 van de 118 elementen, Koper (Cu).

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

 

Toepassingen

Omdat koper buigzaam is, eenvoudig te vervormen is en een zeer groot geleidingsvermogen heeft voor elektriciteit en warmte, wordt het op grote schaal in de industrie gebruikt. Enkele belangrijke toepassingen zijn:

Voor het zuiveren van water wordt koper in de vorm van koper(II)sulfaat gebruikt (CuSO4).

Aarde houdt kopervoorraad diep onder de grond

Koper is één van de elementen met de laagste bindingsenergie per nucleon, dus is energetisch erg voordelig. Er zou dus behoorlijk wat van moeten zijn. Toch wordt het metaal steeds schaarser. De reden: de aarde houdt koperafzettingen vast op tientallen kilometers diepte.

Koper zeer schaars
De continentale korst van de aarde is zeer koperarm. Al miljarden jaren. De gevolgen zijn erg vervelend. Volgens schattingen zal over zes jaar de wereldvraag naar koper het aanbod overtreffen. Door dit onderzoek weten we nu in ieder geval waar we nieuwe kopervoorraden kunnen vinden. Opmerkelijk genoeg was het team helemaal niet op zoek naar het gedrag van koper, maar wilde weten hoe zich de continentale platen vormden (waar zo ongeveer alle land, enkele vulkanische eilanden uitgezonderd, op ligt) en de oxidatiestaat van vulkanen. Een hypothese is namelijk dat de aarde in het begin van haar bestaan nauwelijks continenten had en dat de opmars van continenten begon toen de aarde miljarden jaren geleden een zuurstofatmosfeer kreeg.

Koper, een halfedelmetaal, komt heel af en toe als zuiver metaal voor, zoals hier.

Boogmagma
In hun zoektocht naar antwoorden stuitten ze op boogmagma’s, die een essentiële rol spelen in het recyclen van continentale platen en oceanische platen. Als de ene plaat onder de andere wordt gedrukt, gebeuren er twee dingen. De smeltende, zakkende plaat brengt zuurstofrijke korst en sedimenten in de mantel: de bron voor de boogmagma. Tegelijkertijd ontstaat een hete magmastroom omhoog die de zakkende plaat doet smelten en vaak boogvulkanen oplevert: de lichte, hete magma brandt zich dan een weg door de bovenliggende korst en vormen zo nieuwe continentale plaat. Deze plaat bevat veel vluchtige stoffen zoals water en kooldioxide.  Dit is ook een logische bron voor de zuurstof, meenden de onderzoekers. Ze stuitten echter op iets heel anders.

Xenolieten
Xenolieten zijn gesteenten die zich heel diep in de aarde vormen en tijdens vulkanische uitbarstingen naar boven komen. Als magma afkoelt vormen zich doorgaans als eerste, 50 km onder de aardoppervlakte, zwavelrijke pyroxeniet xenoliet. In plaats van zuurstof vonden ze echter sulfiden, zwavelatomen gebonden aan metalen als koper, nikkel en ijzer. Chemisch gezien is zwavel het zwaardere neefje van zuurstof en in een zuurstofrijke omgeving kunnen deze niet gevormd worden (er ontstaan dan sulfaten, waar ook zuurstof deel van uitmaakt).

Zinkend kopererts
Sulfides zijn zwaar en dicht en hebben daarom de neiging omlaag te zinken. Kortom: de aarde is rijk aan koper, maar dan wel op een onbereikbare plaats, tientallen kilometers in de diepte. We weten dat er in ieder geval op enkele plekken in de wereld koperafzettingen zijn. Klaarblijkelijk bestaan er bijzondere omstandigheden waardoor koper toch naar boven komt. De oorzaak is volgens het team dat als zich steeds meer koperrijk gesteente ophoopt, het verder de diepte inzakt, waar het wordt verhit en dan weer deel gaat uitmaken van de magmaboog. Metalen als koper en goud worden uit de gesteentematrix gedrukt en lossen op in de volatielen. Als deze vluchtige bestanddelen zich door breuken in het gesteente persen en uiteindelijk verdampen, blijven koper en goud achter.

Deze condities deden zich voor in de Andes en het westen van Noord-Amerika, inderdaad rijke bronnen van kopererts. Andere mogelijkebronnen van onontdekte koperafzettingen zijn volgens de studie Siberië, Noord-China, Mongolië en delen van Australië.

En natuurlijk in asteroïden met een hoog metaalgehalte.

Bron
C.-T. A. Lee, P. Luffi, E. J. Chin, R. Bouchet, R. Dasgupta, D. M. Morton, V. Le Roux, Q.-z. Yin, D. Jin. Copper Systematics in Arc Magmas and Implications for Crust-Mantle Differentiation. Science, 2012; 336 (6077): 64 DOI: 10.1126/science.1217313

Dutch