Wetenschappelijk onderzoek is meestal niet alleen het werk van een individuele wetenschapper, maar het werk van een heel team. Sommige onderwerpen en uitdagingen zijn daarnaast zo groot en veelomvattend dat ze raken aan alle faculteiten en dat ze multidisciplinair onderzoek en oplossingen vereisen. Een team van onderzoekers samen met ondersteunende staff werkt op de TU Delft samen om het hoopvolle verhaal van kritieke metalen te kunnen onderzoeken en vertellen.
In deze longread spreken we met David Peck, Associate Professor Critical Materials and Circulair Design en met Benjamin Sprecher, Assistant Professor Critical Raw Materials and Sustainable Design. Samen met onderzoekers van alle andere faculteiten vormen zij het kernteam dat gaat over onderzoek naar- en met kritieke metalen.
Als we deze puzzel niét oplossen, is er helemaal geen energietransitie mogelijk
Critical Raw Materials
Onze missie is de afhankelijkheid van andere landen voor deze kritieke metalen verkleinen. Daarnaast lopen we tegen planetaire grenzen aan; we willen met ons onderzoek bijdragen aan behoud van de aarde. Dat kan bijvoorbeeld met onderzoek naar hergebruik en (betere) recycling van deze grondstoffen en metalen. Ook in de EU-strategie zal de circulaire economie een belangrijke rol gaan spelen. Hiernaast ontwikkelen we producten die langer meegaan of waarvoor je door slim design minder kritieke metalen nodig hebt, of helemaal géén. Ons recente batterijenonderzoek is hiervan een voorbeeld; waarbij batterijen zijn uitgevonden met natrium in plaats van het kritieke materiaal lithium. Op het gebied van mijnbouw wil de universiteit bijdragen aan verantwoordelijke mijnbouw.
Onderzoekers van de TU Delft kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan dit urgente probleem en meedenken over duurzame oplossingen. Behalve dat zij inzicht hebben in het grote plaatje en in de geopolitieke situatie, vindt er op de TU Delft veel fundamenteel onderzoek plaats zoals het hierboven genoemde batterijenonderzoek, waarbij alternatieven voor kritieke materialen worden onderzocht. Daarnaast hebben we onderzoeken op het gebied van recycling, van mijnbouw, van productontwerp; eigenlijk van elke schakel van de productieketen tot aan alles wat nodig is voor de energietransitie.
Niet zeldzaam maar kritiek
“Kritieke metalen worden zo genoemd omdat we afhankelijk zijn van de delving en de verwerking ervan door andere landen. Belangrijke delen van de productieketens van stoffen als koper, nikkel en lithium zijn op dit moment voor grotendeels in handen van China. Daarnaast zijn deze aardmetalen moeilijk van elkaar te scheiden; de scheidingsmethoden hebben een grote milieu-impact. Omdat regelgeving soepeler is en loonkosten lager, lag het ooit voor de hand dat China dit proces voor zijn rekening. Maar de afhankelijkheid die daardoor is ontstaan, is op zijn zachts gezegd onhandig. Deze kritieke metalen worden gebruikt voor de productie van zonnepanelen, windturbines en elektrische auto’s maar ook gevels en liften van hoge gebouwen, voor lucht- en ruimtevaart en eigenlijk voor bijna alles waar elektronica in zit.”
Benjamin Sprecher
Benjamin Sprecher is industrieel ecoloog en een belangrijk expert op het gebied van kritieke metalen. Hij is universitair docent bij de faculteit Industrieel Ontwerpen aan de Technische Universiteit Delft. Hij deed een PhD in Leiden en een postdoc aan Yale University.
David Peck
David Peck is universitair hoofddocent bij de faculteit Bouwkunde, op het gebied van Circulair Built Environment en Critical Raw Materials en hij is expert op het gebied van geopolitieke verhoudingen. Peck werkte in het verleden op universiteiten in Duitsland en Groot-Brittannie, waar hij ook vandaan komt, en onderhoudt wetenschappelijke banden met London University en Cambridge. Ook zit hij in verschillende besturen en praat hij met EU-parlementariërs over het onderwerp.
Benjamin Sprecher
“Mensen denken dat het grootste probleem is dat kritieke metalen opraken, maar dat is nog niet zo. De grootste problemen op dit moment zijn: dat ze niet beschikbaar zullen zijn op het moment dat we ze nodig gaan hebben, en dat we heel erg afhankelijk zijn van China ervoor terwijl we streven naar strategische autonomie.” Hij legt het eerste probleem uit: “Stel, je wilt dat honderd procent van de auto’s die worden gemaakt in 2030, elektrisch zijn. Dat zou betekenen dat je over zes jaar zoveel miljoen ton van een bepaald metaal nodig hebt dat nog in de grond zit. Een nieuwe mijn bouwen, zoals nu het plan is vanuit de EU, duurt tien tot twintig jaar. Al zouden we nu als een malle Europese mijnen gaan bouwen, zijn we al veel te laat voor allerlei milieudoelen.”
Hij geeft het voorbeeld van het elektriciteitsnet waarbij hetzelfde probleem opspeelt: omdat iedereen begint met zonneparken bouwen, raakt het net vol. Er moeten veel meer kabels komen, maar het kost zeker jaren voordat die kabels af zijn. Sprecher: “Het hele systeem verandert maar zo snel als de langzaamste schakel. Mijnbouw is supertraag, dat is een typische langzame schakel, en men blijkt slecht in lang van tevoren plannen.”
Wat heb je aan een extra mijn, als er vervolgens goedkope fietslampjes van worden gemaakt die allemaal binnen zes maanden weer weggegooid worden? Dan heb je letterlijk een bodemloze put nodig.
Samenwerking
Als mijnbouw slechts een trage oplossing is, zijn er dan geen alternatieven te bedenken voor het uit de grond halen van nieuwe kritieke metalen? Dat is de grote hamvraag. Op de TU Delft vindt onderzoek plaats om te komen tot allerlei alternatieve oplossingen, bijvoorbeeld door de zes ‘re’s’: Reduce, Reuse, Repair, Remanufacture, Recycle, en Recover.
De EU hamert nu op meer mijnbouw en meer processing. Dat is belangrijk, en daarom vinden er op de TU Delft verschillende onderzoeken plaats naar responsible mining of bijvoorbeeld naar het efficient gebruiken van minewaste, of het schoonmaken van afvalwater uit mijnen. Daarnaast hebben we ook heel ander soort oplossingen nodig. Bijvoorbeeld: efficiënter gebruik maken van wat we al hebben. Sprecher: “We kunnen beter en netter omgaan met de metalen die we al ruimschoots hebben in Europa. Daarvoor heb je innovatie nodig die in dienst staat van dit probleem. Niet gewoon klakkeloos ‘nog meer shit’ maken. Wat heb je aan een extra mijn, als je er vervolgens Action-fietslampjes van maakt die allemaal binnen zes maanden weer weggegooid kunnen worden? Of als ieder gezinslid elke twee jaar een nieuwe iPhone koopt en de oude allemaal in een laatje terecht komen en blijven liggen?”
Als we onderzoekers hier op de TU Delft bewust aan elkaar koppelen, kunnen er nieuwe onderzoeksprojecten ontstaan waarbij de innovatie in dienst staat van het oplossen van dit grote, Europese probleem. Door samen te werken kunnen er projecten ontstaan die werkelijk vernieuwend zijn.
De uitdaging
De uitdaging is dat er wel oplossingen bestaan, maar dat de oplossingen, de problemen, en wat wij vinden vanuit de wetenschap dat er moet gebeuren, niet helemaal goed op elkaar aansluit. Voor elke stap in de supply-chain hebben je oplossingen. Van meer mijnbouw aanleggen in Europa, tot aan elektronische producten veel efficiënter ontwerpen. Er wordt op dit moment door marktwerking geoptimaliseerd op kosten, waardoor er aardig wat kritieke metalen verloren gaan of niet op de juiste plek terecht komen. Een oplossing kan ook zijn wat je noemt stockpiling, het aanleggen van voorraden. Wat ikzelf een belangrijke oplossing vind, waar ook mijn onderzoek over gaat, is veel beter nadenken aan de ontwerpkant. Je kunt producten ontwerpen die intrinsiek niet afhankelijk zijn van toeleveringswegen: een batterij zonder lithium is hiervan een perfect voorbeeld.
We kunnen beter en netter omgaan met de metalen die we al ruimschoots hebben in Europa. Daarvoor heb je innovatie nodig die in dienst staat van dit probleem. Niet gewoon klakkeloos ‘nog meer shit’ maken.
Benjamin Sprecher
We kunnen beter en netter omgaan met de metalen die we al ruimschoots hebben in Europa. Daarvoor heb je innovatie nodig die in dienst staat van dit probleem. Niet gewoon klakkeloos ‘nog meer shit’ maken.
Benjamin Sprecher
Een ander, beter verhaal
“De TU Delft heeft in feite alles in huis: we kunnen het grote plaatje in beeld brengen, dat doen mensen zoals David Peck of ik. Aan de andere kant heb je de wetenschappers zoals Marnix Wagemaker die een batterij kan ontwikkelen op natrium. Dat noem je half gestuurde innovatie: juist als we samenwerken, kunnen we goede randvoorwaarden opstellen voor innovatie. Dat heeft veel meer zin dan gaan handjedrukken met China door zoveel mogelijk Europese mijnen te openen. We moeten een ander, béter verhaal gaan aanbieden. We moeten met slimmere oplossingen komen. Bijvoorbeeld batterijen waarvoor we geen lithium meer nodig hebben.”
“Hiernaast speelt wet- en regelgeving nog een belangrijke rol. Als individuele onderzoeker heb je hierop misschien geen invloed, maar als universiteit wel. Hier ligt ook een taak voor Nederlandse beleidsmakers. Als je een transitie wilt maken, moet je hem ook wel echt maken. Onze onderzoeken moeten hun weg vinden naar de werkelijkheid. Van een Nature-paper maak je geen batterij en ook geen elektrische auto.”
Complexe dans
“Het probleem rondom kritieke metalen zie ik als een complexe dans van allemaal elementen. Die moeten elkaar loslaten en de ruimte geven voor beweging, maar ook niet zo los dat er totaal verschillende dingen gebeuren op verschillende plekken die elkaar niet helpen of versterken. De enige manier om dat goed te doen, is door samenwerken. We moeten de verhalen, de onderzoeken én de oplossingen aan elkaar verbinden.”
“Design is een heel interessant onderdeel van de keten. Je kunt prachtige ideeën hebben over recycling en nieuwe materialen; maar er is een reden waarom consumenten elke twee jaar een nieuwe iPhone kopen. Dat is niet omdat mensen intrinsiek “zo-min-mogelijk-willen-recyclen”; maar omdat het systeem verkeerd is ontworpen. De producten zijn verkeerd ontworpen. De kern, of iets wel of niet gaat lukken, zit in het ontwerp. De natrium-batterij gaat pas invloed hebben of iets oplossen, als deze werkelijk een product gaat worden..”
Decision support tools
“Mijn onderzoek gaat onder andere over het opzetten van decision support tools voor ontwerpers. Naast het aspect duurzaamheid, de benodigde CO2 uitstoot bijvoorbeeld, wil ik ook het materialenperspectief in kaart brengen. Zodat ontwerpers bij het ontwerpen afwegingen kunnen maken over levensduur en repareerbaarheid, maar ook over de gevolgen voor de wereld en over de beschikbaarheid van kritieke metalen.”
Ontwerpers staan niet voor gemakkelijke beslissingen. Hij geeft een voorbeeld: je kunt ervoor kiezen om een smartphone stevig te maken, zoals de nieuwste iPhones, die kunnen tegen water, tegen vallen, want alles is vastgelijmd. Als het breekt, kun je het alleen nooit meer repareren. Een telefoon die je makkelijk kunt repareren, moet los in elkaar zitten. In de eerste generaties fairphones zaten de onderdelen zó los, dat ze van elk tikje kapot gingen. “Dan is het leuk dat het repareerbaar is, maar heb je alsnog geen goed product aan. Deze compromissen die je moet maken als ontwerper, noemen we de trade-offs”, voegt Sprecher toe.
“Ander voorbeeld: een koelkast die zo goed is dat hij vijftig jaar meegaat, is niet handig, want over vijftig jaar zijn de koelkasten zóveel zuiniger dat je niks hebt aan de oude. Of denk aan zonnepanelen: die kunnen voor 90 procent worden gerecycled, dat percentage is heel hoog. Maar die 90 procent is allemaal glas en aluminium. Terwijl het kritieke metaal daarin, zilver of silicium, is misschien maar 1 procent van het gewicht en dat wordt doorgaans niet gerecycled. Voor het klimaat is die 90 procent fantastisch, maar in het kader van het steeds groter wordende kritieke metalen probleem, zou je liever wat minder glas recyclen en wel die ene procent silicium. Als designer zit je met dit soort dilemma’s. Ik probeer de tools te maken die de mogelijke keuzes en de gevolgen daarvan, inzichtelijk maken.”
Een betere wereld
“Of wij de wereld kunnen verbeteren? Ik denk dat ons onderzoek rondom critical raw materials een randvoorwaarde is om de aarde überhaupt leefbaar te houden. Als we dit probleem niet oplossen, lukt dat sowieso niet meer. Als je het kritieke metalen probleem oplost, heb je niet automatisch de energietransitie voor elkaar. Maar als we het niét oplossen, is er helemaal geen energietransitie mogelijk.”
David Peck
“Ik kwam in 2008 naar de TU Delft en sindsdien houdt het thema critical raw materials me bezig. We zien in de geschiedenis dat als er ergens niet genoeg van is, van bepaalde grondstoffen, dat mensen oorlog gaan voeren. Er bestaan géén voorbeelden van zogenaamd geciviliseerde samenlevingen zoals de onze waar twee groepen hetzelfde materiaal willen hebben, en zij een goed gesprek voeren en vervolgens netjes gaan delen. Misschien was mijn grootste drijfveer dan ook: proberen te zorgen dat er niet nog meer oorlogen worden gevoerd. Laten we het beter gaan doen. Helaas is precies waar ik bang voor was, weer aan het gebeuren: méér conflict. Op dit moment zien we wederom snel stijgende spanningen en oorlogen rondom grondstoffen en kritieke metalen.”
De aarde heeft grenzen
“Naast het voorkomen van oorlog, was mijn andere missie altijd het klimaatprobleem aan de kaak stellen. Het onderwerp kritieke metalen hangt ook in grote mate samen met de planetaire grenzen waar we tegenaan lopen. We gaan niet ergens nog een nieuw continent ontdekken waar we ineens weer bakken vol grondstoffen of olie vinden. Europese mijnbouw is een oplossing maar kost, zoals Benjamin Sprecher ook aangeeft, heel veel tijd. Dus we moeten ook op andere oplossingen gaan inzetten. Grappig genoeg, merkt Peck op, kun je zowel mensen aan het linkse als aan het rechtse spectrum overtuigen dat critical raw materials een belangrijk onderwerp zijn. Waar de ene kant aanslaat op het milieuaspect ervan, wil de andere kant harder lopen voor veiligheid.”
“Aanvankelijk ging mijn PhD over ‘policy and circulair business models to drive sustainable design’ maar het bleek een lastig verhaal. Als je zegt: we moeten duurzamer gaan ontwerpen, is dat veel te algemeen. Er is geen noodzaak. Als je zegt: deze metalen zijn er straks helemaal niet meer, of niet toegankelijk, zit er ineens urgentie achter. Dat zet mensen aan tot werkelijk nieuwe oplossingen bedenken. Een gebrek aan de beschikbaarheid van bepaalde materialen kun je niet ontkennen of negeren.”
Wat ik leuk vind aan dit onderwerp, is dat het crossdiciplinair is. Ik praat met onderzoekers uit alle faculteiten, met mijnbouw onderzoekers, met geosciences, met mechanical engineering, met civil sciences, applied sciences. Het onderwerp zit overal verspreid over deze universiteit.
Dingen niet-maken
“Uiteindelijk denk ik dat het hele verdienmodel zal gaan veranderen voor bedrijven. Zoveel mogelijk spullen maken en zoveel mogelijk dingen verkopen zal in de toekomst niet meer het verdienmodel zijn. Het werkt alleen als je ongelimiteerd toegang hebt tot materialen, dan kun je zoveel maken als je maar verkocht krijgt, maar dat hebben we dus niet meer. En dat is niet eens gebaseerd op politiek of op een ideologie, maar simpelweg op de cijfers die we zien. En zo komen we uit bij misschien wel de grootste uitdaging van dit moment: degrowth of post-growth. Wat gaan we doen als groei niet meer het belangrijkste is, of niet meer haalbaar is? Hoe gaan we dingen-niet-maken? Waar gaan we onze economie op baseren als we het niet meer kunnen baseren op groei? Dat klinkt misschien controversieel maar ik zie geen alternatief. De critical raw materials-beperkingen die er nu al zijn, gaan leiden tot energie-gebruik-beperkingen; we moeten hier echt gesprekken over gaan voeren. En wat is de toevoeging van technologie; hoe gaat het technologische landschap eruit zien in een post-growth wereld?”
En zo komen we uit bij misschien wel de grootste uitdaging van dit moment: degrowth of post-growth. Wat gaan we doen als groei niet meer haalbaar is? Hoe gaan we dingen-niet-maken?
David Peck
En zo komen we uit bij misschien wel de grootste uitdaging van dit moment: degrowth of post-growth. Wat gaan we doen als groei niet meer haalbaar is? Hoe gaan we dingen-niet-maken?
David Peck
“Op een conferentie hoorde ik een interessant verhaal van een man uit Zuid-Amerika. Hij sprak vanuit de indigenious gemeenschap en wilde het verhaal delen van indigenious people in deze wereld. Hij zei: wij maken van heel dichtbij klimaatverandering mee, het is niet door ons veroorzaakt maar we hebben er wel het meeste last van, en tegelijkertijd komen jullie bij ons mijnen bouwen, om het andere grote probleem dat jullie zelf hebben veroorzaakt, te kunnen oplossen. Hij zei: ‘Ik begrijp het, maar wij worden er nauwelijks bij betrokken verder, en dat is jammer.’ Ik vind dat nog een belangrijk perspectief om over te praten.”
Uitdagingen delen
“Critical raw materials zitten overal in. Er is geen technologische innovatie hier op de TU Delft waar het niet in zit. Denk aan de digitale transitie of de energietransitie. Op sommige gebieden wordt nog niet eens gerealiseerd hoe afhankelijk we zijn van kritieke grondstoffen. Denk bijvoorbeeld aan de buitenkant van wolkenkrabbers. De huid van moderne, nieuwe gebouwen zitten er helemaal vol mee voor het afkoelen en verwarmen. Een student bij ons rekende uit hoeveel kritieke metalen er in een nieuw gebouw in Rotterdam zaten, ze kwam uit op 183 ton. Er wordt ook gezegd dat we ‘gewoon het elektriciteitsnet moeten uitbreiden’. Alsof dat maar gewoon kan. Dat is dus niet zo, niet zonder erover na te denken waar de metalen uit die elektriciteitskabels vandaan moeten komen.”
“We spelen als universiteit een belangrijke rol in de toekomst. Ik vind het onderwerp strategische autonomie heel interessant. Door bij te dragen aan strategische autonomie voor Nederland en voor Europa, kunnen we spanningen die er zijn in de wereld, misschien wat verlichten. Natuurlijk blijven we handel drijven en onderzoek samen doen met de rest van de wereld. Maar we moeten ervoor zorgen dat we niet meer compleet afhankelijk zijn. We moeten echt op onszelf kunnen staan, willen we wereldvrede bereiken.”
Susanne Sleenhoff
werkt sinds 2014 bij het Innovation & Impact Centre van de TU Delft. In de voorgaande jaren zette zij met collega's samen een onderzoeksgroep op die tot een visie kon komen rondom vernieuwend batterijen- en accuonderzoek.
"Het is tof om te zien dat mensen daadwerkelijk door elkaar geïnspireerd raken, en om samenwerkingen in onderzoek tot stand te zien komen. Soms weten onderzoekers van verschillende faculteiten niet dat hun onderzoek veel op elkaar lijkt. Ik vind het mooi om te zien gebeuren: hoe dat besef bij de onderzoekers indaalt. ‘He, jij doet wat ik ook ongeveer doe! Zullen we kijken of we iets van elkaar kunnen leren?’ Daar zie je lampjes aangaan. Daar doen we dit voor."
