Schoner, kleiner, sterker

/strong>

Hij stond pas in ‘Nature’, en dus belde de krant hem op. En, en, en? wilde de journalist weten. Hadden dr. Fokko Mulder en zijn collega’s een nieuw soort batterij uitgevonden? Zo eentje die nóg langer mee gaat? Mulder grinnikt. ,,Mijn eerlijke antwoord luidde dat het meer een modelsysteem was dat we hadden bestudeerd. We maken zelf geen materialen, we kijken alleen hoe het allemaal werkt. Dat is belangrijk genoeg, denk ik. Maar het was geloof ik niet helemaal wat de krant wilde horen.”

Enigszins buiten de spotlights van de journalisten doen Mulder en zijn collega’s onderzoek naar batterijen, zonnecellen en naar opslagplekken voor wat alom wordt gezien als de brandstof van de toekomst: waterstof. De onderzoekers, sinds vorig jaar opererend onder het interfacultaire Delftse instituut voor duurzame energie (Dise), zijn zich stilletjes aan het opwerken tot spelers van wereldformaat. Geregeld duikt het Delftse onderzoek op in topbladen als ‘Nature’ en ‘Physical Review Letters’. En vorig jaar nog mocht wetenschapsdirecteur prof.dr. Joop Schoonman van het instituut de prestigieuze Shellprijs voor vernieuwend energieonderzoek in ontvangst nemen. Toch niet slecht voor een instituut dat welbeschouwd nog maar kort aan de weg timmert. Deze week is het batterij- en zonnecelonderzoek van het Dise een van de onderwerpen die aan de orde komen op het tiende jaarsymposium van het Interfacultair Reactor Instituut.

Schoner, sneller, zuiniger, goedkoper, krachtiger % dat zijn zo’n beetje de woorden waarom het allemaal draait. De laatste tien jaar is het energieonderzoek in een stroomversnelling beland. De oplaadbare, lichtgewicht ‘lithium-ion’ batterij brak door: sommigen gaan zo ver om te stellen dat we zonder het energieleveranciertje geen mobiele telefoons, laptops en videocamera’s zouden hebben.

Tjokvol

De zonnecelwereld verwelkomde intussen de ‘Grätzelcel’: een vernieuwende zonnecel die een opmerkelijk rendement heeft en zeer goedkoop en hanteerbaar is. Ook op onderzoeksgebied nummer drie was er opwinding: er werd een heel scala aan manieren ontdekt om energie uit waterstof te putten. En dat is goed nieuws. Niet alleen zitten waterstofatomen tjokvol energie; negentig procent van alle materie in het universum bestaat eruit, en als je waterstof gebruikt als brandstof, is een plasje water het enige afval dat je overhoudt.

Maar obstakels zijn er ook. Bij waterstof is de opslag het grote probleem. Natuurlijk, je kunt een auto een tank met vloeibare waterstof meegeven. Maar het kost veel energie om waterstof af te koelen tot de min 253 graden Celsius waarop het element eindelijk eens vloeibaar wordt % los nog van het feit dat waterstoftanks bij verhitting of beschadiging kunnen exploderen.

Rond de eeuwwisseling dachten onderzoekers dat ze de oplossing voor het opslagprobleem hadden gevonden. Waarom zou je de waterstofatomen niet chemisch vastplakken aan minuscule buisjes van koolstof, de zogeheten ‘nanotubes’? De ene na de andere publicatie suggereerde dat zoiets prima kon. Totdat de Delftse onderzoekers de feestvreugde verstoorden met de ontnuchterende onthulling dat de truc niet werkte. Nanotubes zitten immers als potloden in bundeltjes aan elkaar geplakt, en tussen de buisjes is helemaal geen ruimte om waterstofmoleculen te parkeren. ,,Het bleek helemaal niet zo te zijn dat je er waterstof in kunt opslaan. Het was te wijten aan meetfouten”, zegt Mulder. ,,Met name onze promovendus Gijs Schimmel heeft aangetoond dat er geen verschil is tussen de opslag van waterstof in nanotubes en in andere vormen van koolstof, zoals Norit. Norit doet het zelfs iets beter. Waarbij je moet bedenken dat een gram nanotubes al snel duizend dollar kost. Wat zou een gram Norit kosten? Een cent, misschien?”

Scheuren

Tegenwoordig richt het onderzoek zich op andere chemische manieren om waterstof op te slaan. Veelgenoemd kanshebber is de stof magnesiumhydride (MgH2), dat tot zeven gewichtsprocent waterstof kan vasthouden. De Delftenaren bekijken momenteel of dat niet nog beter kan door het magnesiumhydraat te verpulveren en er een reactieversneller, een katalysator, aan toe te voegen. Toch valt te bezien of de auto van de toekomst inderdaad rijdt op een tankje magnesiumhydride. Ook magnesiumhydride heeft een nadeel: als je het waterstof eruit haalt, blijf je zitten met het licht ontvlambare magnesium. Maar je moet toch wát, vindt Mulder. ,,Benzine is ook licht ontvlambaar, en misschien gevaarlijker. Een tank met benzine kan bij een ongeluk scheuren en leeglopen.”

Bij de zonnecellen en de batterijen staat een andere stof centraal: titaniumdioxide, TiO2. Titaniumdioxide is een van die verbindingen die we zonder dat we het weten letterlijk overal om ons heen zien: het is de witte kleurstof waarmee de mensheid haar muren saust, haar tandpasta wit maakt, en haar papier en keukenapparaten glanzend wit maakt. Sinds een jaar of dertig zorgt titaniumdioxide echter ook voor opwinding in het energieonderzoek. In kristalvorm blijk je het spul prima te kunnen gebruiken voor zonnecellen en batterijen.

In de zonnecelindustrie is het de Zwitserse Grätzelcel waar de ogen op zijn gericht. Zetten traditionele zonnecellen licht in één klapom in energie, de naar de Zwitserse onderzoeker Michael Grätzel vernoemde zonnecel doet het in stapjes. Daarmee heeft de Grätzelcel wel wat weg van een boomblad, dat ook stapsgewijs energie aan het zonlicht onttrekt. De voorhoede van de Grätzelcel bestaat uit organische moleculen, die energie aan licht onttrekken. Die energie wordt doorgeven aan een plaatje titaniumdioxide, waarop de titaniumdioxidemoleculen elektronen beginnen af te vuren. Een van de grote voordelen van zo’n zonnecel in ‘plakjes’ is dat je de afzonderlijke onderdelen nog eens kunt bekijken en, wellicht, kunt verbeteren. Dat is dan ook waarop het duurzame energie-instituut sinds kort studeert, aanhakend bij het al langer vruchtbare onderzoek van de groep van IRI-onderzoeker dr. John Warman. Grätzelcellen zijn, zeker op termijn, goedkoop en handzaam, zegt Mulder. ,,Er zijn mensen die zeggen: in de toekomst neem je een verfroller, en strijk je een zonnecel in verschillende lagen op je huis. Paar elektroden erin, klaar.”

Ook in de batterijwereld lijkt een carrière weggelegd voor tandpastawit. Want hoewel er inmiddels jaarlijks zo’n drie miljoen herlaadbare lithium-ionbatterijen over de toonbank gaan, verloopt ook de opmars van de lithium-ionbatterij niet helemaal vlekkeloos. Zo bevat de positieve pool van de batterij, de kathode, meestal de dure en milieuonvriendelijke stof kobalt. Een ander probleem zit hem in de veiligheid. Een batterij bestaat uit twee elektrodes die chemisch met elkaar reageren als je ze met een draad verbindt. Tussen de elektrodes zit een gebied dat de reactie in goede banen leidt, het elektrolyt. En dat elektrolyt is doorgaans vloeibaar – zie het accuzuur uit de auto. Elektrolyten zijn daarom de beruchte achilleshielen van de batterij-industrie. Ze kunnen uit de batterij sijpelen, of zelfs zorgen voor ontploffingsgevaar. Zo zag een fabriek zich eens genoodzaakt een partij mobieltjes terug te trekken uit Japan, nadat een nietsvermoedende beller brandwonden in zijn gezicht had gekregen van een lekkende lithiumbatterij.

Visnet

Wat de wereld nodig heeft is een elektrolyt dat stabiel is, goedkoop, milieuvriendelijk en lekvast % en dat uiteraard in staat is om positief geladen lithiumionen door te laten, anders werkt de batterij niet. De laatste jaren kijkt de industrie daarvoor onder meer naar de langgerekte wonderjongens onder de moleculen: polymeren. Maar de draderige polymeermoleculen hebben weer de neiging langskomende lithiumionen vast te pakken, ongeveer zoals een haring verstrikt raakt in een visnet. ,,Liefst zou je een andere polymeer hebben, eentje die goed geleidt”, zegt Mulder. ,,Maar eerlijk gezegd denk ik dat de rek er op dat gebied een beetje uit is.”

Misschien is het een kwestie van: de polymeren op een iets andere manier in de batterij stoppen. En daar kwam het tandpastawit te hulp. Door zeer kleine gebiedjes titaandioxide tussen de polymeermoleculen de stoppen, verbetert de geleiding opeens enorm. ,,Waarom dat zo is weten we eigenlijk nog niet. Het lijkt of sommige bindingen wegvallen, waardoor de doorlatende eigenschappen van het elektrolyt toenemen.”

Intussen studeert postdoc Adam Best op het elektrolytenprobleem, terwijl Mulder en collega’s proberen te begrijpen hoe geladen deeltjes precies door de Grätzelcel bewegen. Ook de Nature-publicatie waarvoor Mulder onlangs werd opgebeld is iets voor fijnproevers. Wagemaker en Mulder hadden bestudeerd hoe lithiumionen heen en weer bewegen tussen lithiumarme en lithiumrijke gebiedjes titaandioxide. De anode van de meeste lithium-ionbatterijen bestaat uit titaandioxide; als je er lithiumionen in stopt, ontstaan er spontaan twee kristalfasen. Die twee fasen blijken een thermodynamisch evenwicht te houden door ionen uit te wisselen % ongeveer zoals water en damp voortdurend deeltjes uitwisselen. Iedere seconde blijken er per vierkante centimeter oppervlak meer dan liefst een triljoen deeltjes heen en weer te schieten. Een belangrijke vondst, alleen al omdat Mulder en promovendus Marnix Wagemaker de eerste aardbewoners zijn die ionen tussen twee vaste stoffen heen en weer hebben zien gaan.

En de energie van de toekomst? De optimisten weten het zeker: nog even, en we rijden in auto’s op waterstof, terwijl de verf op ons huis de elektriciteit opwekt en we onze mobieltjes nauwelijks meer hoeven op te laden. Of komt toch de tijd in zicht aan dat onze auto op een oplaadbare batterij rijdt, zoals de meer vooruitstrevende technologiezieners beweren? Mulder ziet dat nog niet gebeuren. ,,Al denk ik dat die zware, traditionele loodaccu zijn langste tijd wel heeft gehad. En behalve de startmotor van je auto zullen er waarschijnlijk meer krachtige power tools komen die op lithium-ionbatterijen lopen.”

Zeg het met ionen

Het is klein en het houdt zowel het lichaam als uw laptop op gang. Ziedaar de ionen, moleculen die wegens een verstoorde elektronenhuishouding een elektrische lading dragen. ‘Ladingtransport’ in de breedste zin van het woord is woensdag het verbindende thema op het tiende jaarsymposium van het Interfacultair Reactor Instituut (IRI). Een bijna modieuze keuze: stond eeuwenlang het elektron in de belangstelling, de laatste decennia is duidelijk geworden dat ionen een veel grotere rol spelen in de natuur dan vaak werd gedacht % niet in de laatste plaats vanwege de rol die kalium-, chloride- en natriumionen spelen in de levende natuur. Omdat alles wat lading heeft kan bewegen, zijn ionen de radertjes van Motor Natuur.

Enigszins verrassend heeft het IRI ook de vooraanstaande Deense aardwetenschapper dr. Andrew Murray uitgenodigd voor een lezing. Murray is expert op het gebied van een van de meer onverwachte toepassingen van de wetenschap van de geladen deeltjes, de zogeheten ‘luminescentiedatering’. Bij die dateringsmethode, die sinds twintig jaar sterk in opkomst is, wordt een bodemmonster verhit of verlicht om te bepalen in hoeverre het monster geïoniseerd is geraakt door bestraling met de overal aanwezige bodemradioactiviteit.Dat vertelt hoe lang het bodemmonster in kwestie onder de grond begraven heeft gezeten.

Auto’s die op waterstof rijden, zonnecellen die je met een kwast op je huis kunt aanbrengen, batterijen die onwaarschijnlijk lang meegaan. De mens zoekt zich een rotje naar de ultieme energiebron, en de TU speelt steeds opvallender mee.

Hij stond pas in ‘Nature’, en dus belde de krant hem op. En, en, en? wilde de journalist weten. Hadden dr. Fokko Mulder en zijn collega’s een nieuw soort batterij uitgevonden? Zo eentje die nóg langer mee gaat? Mulder grinnikt. ,,Mijn eerlijke antwoord luidde dat het meer een modelsysteem was dat we hadden bestudeerd. We maken zelf geen materialen, we kijken alleen hoe het allemaal werkt. Dat is belangrijk genoeg, denk ik. Maar het was geloof ik niet helemaal wat de krant wilde horen.”

Enigszins buiten de spotlights van de journalisten doen Mulder en zijn collega’s onderzoek naar batterijen, zonnecellen en naar opslagplekken voor wat alom wordt gezien als de brandstof van de toekomst: waterstof. De onderzoekers, sinds vorig jaar opererend onder het interfacultaire Delftse instituut voor duurzame energie (Dise), zijn zich stilletjes aan het opwerken tot spelers van wereldformaat. Geregeld duikt het Delftse onderzoek op in topbladen als ‘Nature’ en ‘Physical Review Letters’. En vorig jaar nog mocht wetenschapsdirecteur prof.dr. Joop Schoonman van het instituut de prestigieuze Shellprijs voor vernieuwend energieonderzoek in ontvangst nemen. Toch niet slecht voor een instituut dat welbeschouwd nog maar kort aan de weg timmert. Deze week is het batterij- en zonnecelonderzoek van het Dise een van de onderwerpen die aan de orde komen op het tiende jaarsymposium van het Interfacultair Reactor Instituut.

Schoner, sneller, zuiniger, goedkoper, krachtiger % dat zijn zo’n beetje de woorden waarom het allemaal draait. De laatste tien jaar is het energieonderzoek in een stroomversnelling beland. De oplaadbare, lichtgewicht ‘lithium-ion’ batterij brak door: sommigen gaan zo ver om te stellen dat we zonder het energieleveranciertje geen mobiele telefoons, laptops en videocamera’s zouden hebben.

Tjokvol

De zonnecelwereld verwelkomde intussen de ‘Grätzelcel’: een vernieuwende zonnecel die een opmerkelijk rendement heeft en zeer goedkoop en hanteerbaar is. Ook op onderzoeksgebied nummer drie was er opwinding: er werd een heel scala aan manieren ontdekt om energie uit waterstof te putten. En dat is goed nieuws. Niet alleen zitten waterstofatomen tjokvol energie; negentig procent van alle materie in het universum bestaat eruit, en als je waterstof gebruikt als brandstof, is een plasje water het enige afval dat je overhoudt.

Maar obstakels zijn er ook. Bij waterstof is de opslag het grote probleem. Natuurlijk, je kunt een auto een tank met vloeibare waterstof meegeven. Maar het kost veel energie om waterstof af te koelen tot de min 253 graden Celsius waarop het element eindelijk eens vloeibaar wordt % los nog van het feit dat waterstoftanks bij verhitting of beschadiging kunnen exploderen.

Rond de eeuwwisseling dachten onderzoekers dat ze de oplossing voor het opslagprobleem hadden gevonden. Waarom zou je de waterstofatomen niet chemisch vastplakken aan minuscule buisjes van koolstof, de zogeheten ‘nanotubes’? De ene na de andere publicatie suggereerde dat zoiets prima kon. Totdat de Delftse onderzoekers de feestvreugde verstoorden met de ontnuchterende onthulling dat de truc niet werkte. Nanotubes zitten immers als potloden in bundeltjes aan elkaar geplakt, en tussen de buisjes is helemaal geen ruimte om waterstofmoleculen te parkeren. ,,Het bleek helemaal niet zo te zijn dat je er waterstof in kunt opslaan. Het was te wijten aan meetfouten”, zegt Mulder. ,,Met name onze promovendus Gijs Schimmel heeft aangetoond dat er geen verschil is tussen de opslag van waterstof in nanotubes en in andere vormen van koolstof, zoals Norit. Norit doet het zelfs iets beter. Waarbij je moet bedenken dat een gram nanotubes al snel duizend dollar kost. Wat zou een gram Norit kosten? Een cent, misschien?”

Scheuren

Tegenwoordig richt het onderzoek zich op andere chemische manieren om waterstof op te slaan. Veelgenoemd kanshebber is de stof magnesiumhydride (MgH2), dat tot zeven gewichtsprocent waterstof kan vasthouden. De Delftenaren bekijken momenteel of dat niet nog beter kan door het magnesiumhydraat te verpulveren en er een reactieversneller, een katalysator, aan toe te voegen. Toch valt te bezien of de auto van de toekomst inderdaad rijdt op een tankje magnesiumhydride. Ook magnesiumhydride heeft een nadeel: als je het waterstof eruit haalt, blijf je zitten met het licht ontvlambare magnesium. Maar je moet toch wát, vindt Mulder. ,,Benzine is ook licht ontvlambaar, en misschien gevaarlijker. Een tank met benzine kan bij een ongeluk scheuren en leeglopen.”

Bij de zonnecellen en de batterijen staat een andere stof centraal: titaniumdioxide, TiO2. Titaniumdioxide is een van die verbindingen die we zonder dat we het weten letterlijk overal om ons heen zien: het is de witte kleurstof waarmee de mensheid haar muren saust, haar tandpasta wit maakt, en haar papier en keukenapparaten glanzend wit maakt. Sinds een jaar of dertig zorgt titaniumdioxide echter ook voor opwinding in het energieonderzoek. In kristalvorm blijk je het spul prima te kunnen gebruiken voor zonnecellen en batterijen.

In de zonnecelindustrie is het de Zwitserse Grätzelcel waar de ogen op zijn gericht. Zetten traditionele zonnecellen licht in één klapom in energie, de naar de Zwitserse onderzoeker Michael Grätzel vernoemde zonnecel doet het in stapjes. Daarmee heeft de Grätzelcel wel wat weg van een boomblad, dat ook stapsgewijs energie aan het zonlicht onttrekt. De voorhoede van de Grätzelcel bestaat uit organische moleculen, die energie aan licht onttrekken. Die energie wordt doorgeven aan een plaatje titaniumdioxide, waarop de titaniumdioxidemoleculen elektronen beginnen af te vuren. Een van de grote voordelen van zo’n zonnecel in ‘plakjes’ is dat je de afzonderlijke onderdelen nog eens kunt bekijken en, wellicht, kunt verbeteren. Dat is dan ook waarop het duurzame energie-instituut sinds kort studeert, aanhakend bij het al langer vruchtbare onderzoek van de groep van IRI-onderzoeker dr. John Warman. Grätzelcellen zijn, zeker op termijn, goedkoop en handzaam, zegt Mulder. ,,Er zijn mensen die zeggen: in de toekomst neem je een verfroller, en strijk je een zonnecel in verschillende lagen op je huis. Paar elektroden erin, klaar.”

Ook in de batterijwereld lijkt een carrière weggelegd voor tandpastawit. Want hoewel er inmiddels jaarlijks zo’n drie miljoen herlaadbare lithium-ionbatterijen over de toonbank gaan, verloopt ook de opmars van de lithium-ionbatterij niet helemaal vlekkeloos. Zo bevat de positieve pool van de batterij, de kathode, meestal de dure en milieuonvriendelijke stof kobalt. Een ander probleem zit hem in de veiligheid. Een batterij bestaat uit twee elektrodes die chemisch met elkaar reageren als je ze met een draad verbindt. Tussen de elektrodes zit een gebied dat de reactie in goede banen leidt, het elektrolyt. En dat elektrolyt is doorgaans vloeibaar – zie het accuzuur uit de auto. Elektrolyten zijn daarom de beruchte achilleshielen van de batterij-industrie. Ze kunnen uit de batterij sijpelen, of zelfs zorgen voor ontploffingsgevaar. Zo zag een fabriek zich eens genoodzaakt een partij mobieltjes terug te trekken uit Japan, nadat een nietsvermoedende beller brandwonden in zijn gezicht had gekregen van een lekkende lithiumbatterij.

Visnet

Wat de wereld nodig heeft is een elektrolyt dat stabiel is, goedkoop, milieuvriendelijk en lekvast % en dat uiteraard in staat is om positief geladen lithiumionen door te laten, anders werkt de batterij niet. De laatste jaren kijkt de industrie daarvoor onder meer naar de langgerekte wonderjongens onder de moleculen: polymeren. Maar de draderige polymeermoleculen hebben weer de neiging langskomende lithiumionen vast te pakken, ongeveer zoals een haring verstrikt raakt in een visnet. ,,Liefst zou je een andere polymeer hebben, eentje die goed geleidt”, zegt Mulder. ,,Maar eerlijk gezegd denk ik dat de rek er op dat gebied een beetje uit is.”

Misschien is het een kwestie van: de polymeren op een iets andere manier in de batterij stoppen. En daar kwam het tandpastawit te hulp. Door zeer kleine gebiedjes titaandioxide tussen de polymeermoleculen de stoppen, verbetert de geleiding opeens enorm. ,,Waarom dat zo is weten we eigenlijk nog niet. Het lijkt of sommige bindingen wegvallen, waardoor de doorlatende eigenschappen van het elektrolyt toenemen.”

Intussen studeert postdoc Adam Best op het elektrolytenprobleem, terwijl Mulder en collega’s proberen te begrijpen hoe geladen deeltjes precies door de Grätzelcel bewegen. Ook de Nature-publicatie waarvoor Mulder onlangs werd opgebeld is iets voor fijnproevers. Wagemaker en Mulder hadden bestudeerd hoe lithiumionen heen en weer bewegen tussen lithiumarme en lithiumrijke gebiedjes titaandioxide. De anode van de meeste lithium-ionbatterijen bestaat uit titaandioxide; als je er lithiumionen in stopt, ontstaan er spontaan twee kristalfasen. Die twee fasen blijken een thermodynamisch evenwicht te houden door ionen uit te wisselen % ongeveer zoals water en damp voortdurend deeltjes uitwisselen. Iedere seconde blijken er per vierkante centimeter oppervlak meer dan liefst een triljoen deeltjes heen en weer te schieten. Een belangrijke vondst, alleen al omdat Mulder en promovendus Marnix Wagemaker de eerste aardbewoners zijn die ionen tussen twee vaste stoffen heen en weer hebben zien gaan.

En de energie van de toekomst? De optimisten weten het zeker: nog even, en we rijden in auto’s op waterstof, terwijl de verf op ons huis de elektriciteit opwekt en we onze mobieltjes nauwelijks meer hoeven op te laden. Of komt toch de tijd in zicht aan dat onze auto op een oplaadbare batterij rijdt, zoals de meer vooruitstrevende technologiezieners beweren? Mulder ziet dat nog niet gebeuren. ,,Al denk ik dat die zware, traditionele loodaccu zijn langste tijd wel heeft gehad. En behalve de startmotor van je auto zullen er waarschijnlijk meer krachtige power tools komen die op lithium-ionbatterijen lopen.”

Zeg het met ionen

Het is klein en het houdt zowel het lichaam als uw laptop op gang. Ziedaar de ionen, moleculen die wegens een verstoorde elektronenhuishouding een elektrische lading dragen. ‘Ladingtransport’ in de breedste zin van het woord is woensdag het verbindende thema op het tiende jaarsymposium van het Interfacultair Reactor Instituut (IRI). Een bijna modieuze keuze: stond eeuwenlang het elektron in de belangstelling, de laatste decennia is duidelijk geworden dat ionen een veel grotere rol spelen in de natuur dan vaak werd gedacht % niet in de laatste plaats vanwege de rol die kalium-, chloride- en natriumionen spelen in de levende natuur. Omdat alles wat lading heeft kan bewegen, zijn ionen de radertjes van Motor Natuur.

Enigszins verrassend heeft het IRI ook de vooraanstaande Deense aardwetenschapper dr. Andrew Murray uitgenodigd voor een lezing. Murray is expert op het gebied van een van de meer onverwachte toepassingen van de wetenschap van de geladen deeltjes, de zogeheten ‘luminescentiedatering’. Bij die dateringsmethode, die sinds twintig jaar sterk in opkomst is, wordt een bodemmonster verhit of verlicht om te bepalen in hoeverre het monster geïoniseerd is geraakt door bestraling met de overal aanwezige bodemradioactiviteit.Dat vertelt hoe lang het bodemmonster in kwestie onder de grond begraven heeft gezeten.