Activeer hoog contrast
Ga naar hoofdcontent
Verhalen van wetenschappers
Kleine waterstoflekken, grote gevolgen; maar niet met deze nieuwe sensor
Waterstof is als energiedrager een belangrijke kandidaat om de uitstoot van broeikasgassen flink te beperken, en speelt daardoor een grote rol in de energietransitie. Maar voor veilig gebruik moeten de kleinste waterstoflekken zo snel mogelijk kunnen worden opgespoord, want waterstof is onder sommige condities een brandbaar of zelfs explosief gas. Samen met collega's ontwikkelt Lars Bannenberg materialen voor goedkope, betrouwbare en kleine waterstofsensoren. “Ik doe nooit iets alleen, maar altijd iets met mensen,” benadrukt Lars Bannenberg meerdere keren tijdens ons interview. Voor het interview zit hij in een kantoor, maar in alles wat hij zegt voel je dat hij helemaal thuis is in laboratoria en experimentele opstellingen. Al snel wordt duidelijk dat hij na zijn zeer fundamentele promotieonderzoek (naar skyrmionen in chirale magneten) iets wilde doen dat dichter bij een maatschappelijk relevante toepassing staat. “Het verminderen van broeikasgassen, waarbij waterstof als energiedrager wordt ingezet, zie ik als één van de manieren om tot een volledig duurzame economie te komen. En om de mensheid de 22e eeuw in te krijgen.” Het gebruik van waterstof als energiedrager zie ik als één van de manieren om tot een volledig duurzame economie te komen en de mensheid de 22e eeuw in te krijgen. Lars Bannenberg Hele dunne laag Binnen de Faculteit Technische Natuurwetenschappen, waar Lars universitair docent is, wordt al sinds jaar en dag onderzoek gedaan naar metaalhydrides. Dat zijn metalen zoals palladium en tantaal die heel goed waterstof kunnen absorberen. Dat kan bepaalde fysieke eigenschappen veranderen, zoals hoe goed het metaal licht doorlaat of juist reflecteert. “Het idee hiermee een gevoelige, breed toepasbare optische waterstofsensor te kunnen maken (zie kader), zong al een hele tijd rond,” zegt Lars. “Toen tijdens de corona-lockdowns de verschillende laboratoria en meetopstellingen grotendeels vrij waren, zagen mijn collega’s (zoals Herman Schreuders en Bernard Dam) en ik kans eens een experiment aan te wagen.” Voor een efficiënte werking van hun sensormateriaal besloten ze de twee belangrijkste functies over twee hele dunne lagen te scheiden. “Dat gaf ons veel meer speelruimte qua materialen,” zegt Lars. “We hebben een laag met een tantaal legering die voor het optische contrast zorgt, met daarbovenop een katalytische laag die moleculair waterstof in individuele atomen opknipt. Hierdoor kan onze sensor binnen een seconde de juiste concentratie van waterstof in de omgeving aangeven.” Een hele dunne laag heeft andere eigenschappen dan bulkmateriaal. Daarmee kunnen we ongewenste materiaaleigenschappen onderdrukken. Lars Bannenberg Zeven ordegroottes Tot hun verbazing was hun eerste poging meteen heel succesvol, al was dat zeker geen toevalstreffer. “De samenstelling van die laag hebben we beredeneerd, op basis van kennis die bij de onderzoekers in onze groep aanwezig is,” zegt Lars. “Zo maken we bijvoorbeeld handig gebruik van het feit dat het materiaal als dunne laag weer andere eigenschappen heeft dan wanneer het een bulkmateriaal is. Daarmee onderdrukken we enkele ongewenste eigenschappen.” Ze hadden ook direct een detectiebereik van zeven ordegroottes in de concentratie van waterstof in de omgeving – alsof je met een keukenweegschaal ook nauwkeurig een olifant kunt wegen. Dat is veel meer dan huidige sensoren en handig omdat je soms ook echt kleine concentraties wilt kunnen meten (zie kader). “We kunnen waarschijnlijk zelfs meer dan die zeven ordegroottes, maar dat kan onze lab-apparatuur niet aan,” vertelt hij niet zonder trots. Lees ook Neutronen Daarna volgden nog veel experimenten om te begrijpen waaróm het werkt en om het materiaal verder te optimaliseren. Daarbij gebruikte Lars veel van de meettechnieken en opstellingen die hij tijdens zijn PhD en masterscriptie al had gebruikt. Een daarvan was de neutronenreflectometer op het TU Delft Reactor Institute, waarvan Lars nu de instrument scientist is. “Met neutronen kun je heel nauwkeurig kleine hoeveelheden waterstof in een materiaal meten. Daarnaast gebruiken we ook Röntgenstraling om te zien hoe geabsorbeerd waterstof de structuur (het kristalrooster) van het materiaal beïnvloedt.” Tal van voordelen Waar huidige waterstofsensoren onder andere relatief groot (als bijvoorbeeld een rookmelder) en duur (honderden euro’s) zijn, biedt hun nieuwe materiaal op dit vlak voordelen. “Wij brengen de sensorlaag boven op een glasfiber van nog geen 0,2 millimeter doorsnede aan,” zegt Lars. “En ook al is palladium heel duur, die dunne laag kost maar een paar cent. Een sensor inclusief elektronica voor het uitlezen kost natuurlijk wel meer dan dat.” Met een student elektrotechniek werken ze nu aan zo’n eerste prototype. “Belangrijk daarbij is dat alle voordelen van onze sensor daarbij behouden blijven.” Zo is het materiaal inherent veilig omdat er geen zuurstof en elektrische stroom dicht bij het sensormateriaal nodig zijn om deze te kunnen uitlezen – wat normaal een risico tot ontbranding met zich meebrengt. Bovendien hoeft de nieuwe sensor in tegenstelling tot huidige sensoren niet regelmatig gekalibreerd te worden. Lars: “Vanuit veiligheidsoogpunt is het niet handig als iets duur is en regelmatig gekalibreerd moet worden.” Verder zouden de sensoren na vervolgonderzoek ook in brandstofcellen en electrolysers ingezet kunnen worden, waardoor elektriciteit dus efficiënter en goedkoper omgezet kan worden in waterstof en vice versa. Ons nieuwe sensormateriaal is minder dan een millimeter groot, inherent veilig, uiterst nauwkeurig en kost maar een paar cent. Lars Bannenberg Waterstofvliegtuigen Goed nieuws is dat de groep voor een hele familie aan sensormaterialen patent heeft gekregen. Ondertussen werkt Lars samen met collega’s aan diverse toepassingen. “We ontwikkelen nu bijvoorbeeld samen met onderzoekers van de Faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek sensoren voor waterstofvliegtuigen,” zegt hij. Een grote uitdaging daarbij is dat de sensor zowel bij hele lage als hele hoge temperaturen goed moet werken (van -60 tot 250 graden Celsius). “Omdat alles gecertificeerd moet worden heeft de vliegtuigindustrie liever één sensor. Dat vind ik een leuke puzzel om uit te zoeken.” Ook andere sectoren en bedrijven hebben al interesse getoond tot samenwerking en commercialisering. Daarnaast is een eigen startup een optie die mooi aansluit bij de master in economie en bedrijfseconomie die Lars parallel aan zijn studie natuurkunde behaalde. Dat zal dan wel iets voor ernaast zijn, want hij geniet enorm van de academische vrijheid die de TU Delft hem biedt. En ook van de vragen die vervolgonderzoek zal gaan oproepen. “Het bedénken van die vragen, dat vooral.” Schematische werking van de waterstofsensor. Licht wordt door een optische fiber (‘dunne internetkabel’) getransporteerd naar het einde van de fiber waar een coating op is aangebracht. Deze coating reflecteert het licht wat dan door een CCD of diode gedetecteerd wordt. Afhankelijk van de hoeveelheid waterstof in de omgeving zal de sensorlaag meer of minder licht reflecteren. Meer informatie: Delftse onderzoekers ontwikkelen veelzijdige waterstofsensor (tudelft.nl) Meer verhalen Drie toepassingsgebieden voor de nieuwe waterstofsensoren Veiligheid : Bij 4% waterstof, en dus 96% lucht, ontstaat al een explosief mengsel. Je wilt ver onder die 4% grens al kunnen detecteren. Klimaat : Waterstof in de lucht zorgt ervoor dat bepaalde sterke broeikasgassen, zoals methaan, veel minder snel afbreken. Lekken met lage concentraties (en hoge flow) wil je kunnen detecteren. Procesoptimalisatie : bijvoorbeeld voor het efficiënter omzetten van waterstof naar elektriciteit in brandstofcellen. Meer verhalen
