Een dieet voor staal
Minder verschillende elementen, beter te recyclen
Als het aan Erik Offerman ligt, dan gaat staal op dieet. Hij denkt dat de helft van de legeringselementen in staal overbodig is. Dat is duurzamer, beter voor het milieu en maakt staal beter te recyclen. Terwijl de kwaliteit van het populaire constructiemateriaal er niet onder hoeft te lijden, aldus Offerman.
De Delftse materiaalkundige doet zijn gewaagde stelling op basis van zijn expertise in de microscopische structuur van staal. En die is bepalend voor de eigenschappen, vertelt hij. "Staalmakers voegen allerlei elementen toe om de juiste eigenschappen te krijgen. Chroom, vanadium, nikkel, niobium, molybdeen en ga zo maar door: elk staaltype heeft zijn eigen elementencocktail. Ons onderzoek laat zien dat je met nauwkeurige procesbeheersing óók die eigenschappen kunt krijgen – of beter - door de microstructuur in te stellen. Zonder dat je al die extra elementen nodig hebt. Meer met minder."
Offerman is een warm pleitbezorger van grondstoffenefficiënt produceren: wat je niet nodig hebt moet je ook niet gebruiken. 'Zuinig zijn met elementen' is op zich al duurzaam, maar in het geval van staal is er nog een belangrijk voordeel. De recycling wordt er namelijk een stuk eenvoudiger op als er minder verschillende legeringselementen worden gebruikt. Veel elementen zitten elkaar 'in de weg' en zijn alleen met veel energie van elkaar te scheiden. Offerman: "We zien nu dat recycling vaak tot laagwaardiger staalproducten leidt, waarin elementen zich ophopen. Hoe minder verschillende elementen er in staal zitten, hoe kleiner dat probleem en hoe beter je de kwaliteit kunt beheersen. Dan komt een echte kringloop binnen handbereik, waarin geen waarde verloren gaat."
Grondstoffenefficiënt ontwerpen: groeien zonder knoeien
De groeiende wereldeconomie heeft steeds meer grondstoffen nodig en dat brengt een groeiende milieubelasting met zich mee. Kranten hebben het vooral over de CO2-emissies vanwege de klimaatproblematiek, maar de lokale milieubelasting van metaalmijnen liegt er ook niet om. De Verenigde Naties concludeerden het al: voor een duurzame ontwikkeling moet er een ontkoppeling komen van de economische groei en de wissel die dat trekt op het milieu en de aardse reserves. Ook voor Erik Offerman is het zonneklaar dat we op weg moeten naar een grondstoffenefficiënte, circulaire economie. "Dat is een enorme uitdaging waar ik graag een bijdrage aan wil leveren", zegt hij. Offerman stelt dat de discussie rond de beschikbaarheid van elementen zich ten onrechte afspeelt rond high-tech producten als de smartphone. 'Een aantal van die elementen vind je ook in staal. Als je naar het percentage kijkt dan stelt het niet zo veel voor: soms gaat het slechts om tienden van procenten in staal. Maar staal wordt in gigantische hoeveelheden geproduceerd: meer dan een miljard ton per jaar. Dan praat je ook voor wat betreft de legeringselementen over aanzienlijke hoeveelheden."
Eye opener
Dat Offerman zich in zijn materiaalonderzoek laat leiden door duurzaamheidsaspecten is bijzonder. "Zoals zoveel materiaalkundigen heb ik jarenlang op de vierkante micrometer gewerkt zonder het grotere geheel in ogenschouw te nemen. Zo konden we in 2013 over een staalvariant publiceren met een veel grotere brandweerstand. Zo'n soort staal had wellicht het instorten van de Twin Towers in New York kunnen voorkomen, of er tenminste aan kunnen bijdragen dat ze ondanks de brand langer waren blijven staan. Dan was er meer tijd geweest om mensen in veiligheid te brengen. Alleen hadden we voor dat staal gebruik gemaakt van het element niobium. Dat wordt vooral in Brazilië gedolven; dat land beheerst meer dan 90% van de markt. Dat is een geopolitiek risico dat staalproducenten liever vermijden. Dus onze vinding, die technisch een aardige doorbraak was, bleek in de praktijk weinig zinvol."
Deze "eye-opener" deed Offerman realiseren dat onderzoekers niet alleen de diepte in moeten gaan, maar zich ook in de breedte moet ontwikkelen. "Je moet je bewust zijn van de uitdagingen en veranderingen in de maatschappij. Dat probeer ik in ons onderwijs nu ook aan de studenten mee te geven." Overigens is de ontwikkeling van het hittebestendige staal zeker niet voor niets geweest. "We kijken nu of we staal met behulp van vanadium vergelijkbare eigenschappen kunnen geven. Dat doet ongeveer hetzelfde als niobium, maar is een veel breder beschikbaar element."
Complexe staalproductie
Offerman legt uit dat het er bij het maken van staal om gaat de juiste mix te realiseren van verschillende soorten microkristalletjes (ferriet, martensiet en austeniet, zegt de kenner). Die verschillen van elkaar in atomaire opbouw en de toegevoegde legeringselementen bepalen voor een groot deel welke kristalletjes ontstaan. Maar, en daar gaat het Offerman om, óók de manier waarop het staal tijdens de productie wordt behandeld heeft grote invloed. En juist omdat moderne staalfabrieken dat complexe productieproces zó goed in de vingers hebben, zijn allerlei legeringselementen in de praktijk niet nodig.
Offerman ontwikkelde de afgelopen jaren verschillende computermodellen die daar inzicht in bieden en zo komt hij op zijn stelling over het staaldieet. Offerman: "De modellen geven een gefundeerde indicatie van wat mogelijk is. Maar natuurlijk moeten we nu experimenten gaan doen. Eerst om onze modellen te verbeteren, en uiteindelijk om te kunnen aantonen dat je echt wel goed staal kunt maken met minder elementen." Hij is ervan overtuigd dat dit weerklank zal vinden in de industrie: "Een grondstoffenefficiënte materiaalkringloop leidt uiteindelijk tot kostenreductie. Fabrikanten hoeven minder dure elementen in te kopen en kunnen goedkoper recyclen. Als wij laten zien wat er kan, zal daar zeker belangstelling voor zijn."
Staalproductie is een complex proces. Het begint met gesmolten ruwijzer waaraan kleine percentages van de andere elementen worden toegevoegd (het 'legeren'). Dat mengsel wordt gegoten, afgekoeld en gewalst tot staven, platen en rollen staal. Dat is, althans, de simpele uitleg. In de praktijk passen de fabrikanten uitgekiende mechanische en warmtebehandeling toe, waarbij het staal wordt verhit en vervolgens weer wordt afgekoeld, langzaam of snel, vaak meerdere keren, bij steeds andere temperaturen. Ook bij het walsen van het staal, soms warm, soms koud, weet de producent precies welke instellingen tot welke soort staal leiden. Zelfs de machines van de klanten van de staalfabriek, zoals de persen van de auto-industrie, dragen bij aan de definitieve eigenschappen van het eindproduct (een autocarrosserie bijvoorbeeld).
Offerman heeft veel contact met Tata Steel IJmuiden en werkt ook samen met Koninklijke NedSchroef uit Helmond, een internationale producent van schroeven, bouten, moeren en andere bevestigingssystemen ('fasteners'), onder andere voor de automobielindustrie. Researchdirecteur Emmy Öhlund van Nedschroef deelt Offerman's visie dat er een toekomst is voor elementarme legeringen. Samen onderzochten ze een nieuwe, zeer sterke staalvariant uit Japan, die onverwacht ook zeer goed bestand bleek tegen hoge temperaturen. Door systematisch de relatie tussen de gebruikte legeringselementen, microstructuur en eigenschappente onderzoeken konden ze daar een verklaring voor geven. Het leverde hen vorig jaar de Sawamura Award op van het gezaghebbende Japanse ijzer- en staalinstituut ISIJ.
Belangrijker nog was dat het onderzoek aan het licht bracht dat slechts drie procent aan legeringselementen toch in adequate eigenschappen resulteerde, juist bij hoge temperatuur. Terwijl de daarvoor nu beschikbare staalsoorten vaak zijn 'volgepompt' met legeringselementen. De gehaltes lopen op van vijftien tot soms wel veertig procent. "De eigenschappen van zulke superlegeringen zijn soms veel beter dan waar we behoefte aan hebben, maar we gebruiken ze omdat de staalfabrikanten niets anders voor ons in het assortiment hebben", aldus Öhlund. Ze ziet zeker mogelijkheden voor elementenarme, goedkopere staalvarianten, maar maakt wel de kanttekening dat de daadwerkelijke toepassing van nieuwe materialen een lange adem vergt: "Bij veeleisende afnemers zoals de auto-industrie is een nieuw materiaal pas geschikt als het allerlei tests heeft doorlopen en gecertificeerd is. Dat kan lang duren. Zo verkopen we sinds kort een nieuwe fastener die we al in 2009 voor het eerst hebben gepresenteerd."
Een nieuw materialensysteem
Volgens Offerman lopen Nederlandse en Belgische staalonderzoekers voorop waar het gaat om het ontwikkelen van nieuwe duurzame staalsoorten. "Ik weet niet precies wat er binnen de muren van de industriële laboratoria gebeurt, maar in het academisch onderzoek ken ik relatief weinig wetenschappers die ons perspectief hanteren. Ik denk dat we hier als materiaalkundigen en als TU Delft echt iets kunnen betekenen. Ik zou het geweldig vinden als we er in slagen het materialensysteem opnieuw uit te vinden, opnieuw te ontwerpen, zodat we een gesloten kringloop kunnen realiseren, met relatief weinig energieverbruik en zonder milieuproblemen."
Erik Offerman maakt met zijn onderzoek onderdeel uit van het Leiden Erasmus Delft Centre for Sustainability, het interuniversitaire samenwerkingsverband op het gebied van duurzaamheid. Hij leidt er projecten op het gebied van grondstoffenefficiëntie en materiaalkringlopen. Met zijn Delftse collega's richt hij zich met name op (productie)technische aspecten, in Leiden neemt men milieu-aspecten in ogenschouw en de Erasmusuniversiteit is gericht op bedrijfsmatige aspecten.
Offerman participeert ook in het Raw Materials project van het European Institute of Innovation and Technology (EIT), dat wereldwijd één van de grootste initiatieven is op weg naar een meer duurzaam gebruik van grondstoffen. Hij is een van de weinige staalonderzoekers in het consortium met meer dan honderd partners uit twintig Europese landen.