Activeer hoog contrast
Ga naar hoofdcontent
Verhalen van wetenschappers
TU Delft test grafeen als materiaal voor zonnezeilen
Item 1 van 1 Een team onderzoekers is een spannend experiment aan het voorbereiden waarin ze grafeen testen in een ruimteachtige, gewichtsloze omgeving, voor mogelijk toekomstig gebruik als ‘lichtzeil’ voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen. Het GrapheneX-team heeft het voorstel voor het experiment in oktober 2016 met succes ingediend bij het programma Drop Your Thesis! van ESA Education. De teamleden – Santiago Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi, Davide Stefani en Vera Janssen – zullen van 6 tot 17 november 2017 in Bremen hun experiment uitvoeren bij de 146 meter hoge valtoren van het ZARM . Voortstuwen met licht Lichtzeilen kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen voort te stuwen met behulp van licht van de zon of van lasers op aarde. Wanneer licht wordt gereflecteerd door een oppervlak of erdoor wordt geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron. Met deze stralingsdruk kunnen objecten in de ruimte worden voortgestuwd zonder dat er brandstof of gas aan te pas komt. De van stralingsdruk afkomstige stuwkracht is echter erg zwak. Voor een effectieve voortstuwing moet het lichtzeil een groot oppervlak hebben en zo licht mogelijk zijn. Grafeen is heel licht en sterk, en zou een goede kandidaat voor zonnezeilen kunnen zijn. In een experiment waarin de geringe zwaartekracht en het bijna-vacuüm van de ruimte wordt gesimuleerd, wil het GrapheneX-team onderzoeken hoe grafeen als lichtzeil kan werken. De testzeilen van het team zijn grafeenmembranen die worden geleverd door Graphene Flagship-partner Graphenea. De stralingsdruk van laserlicht dat met hoge energie op grafeenmembranen schijnt, zou de zeilen ongeveer 2 mm moeten verplaatsen. Deze verplaatsing zal met een eenvoudige microscoop worden gemeten, zodat het team de stuwkracht op de grafeenzeilen kan bepalen. Het team wil verschillende kleuren laserlicht gebruiken om het precieze mechanisme te onderzoeken waarmee de impuls van het licht op het grafeen wordt overgedragen. Vrije val Bij de valtoren van het ZARM wordt het experiment, dat wil zeggen de grafeenzeilen, de lasers en de camera’s, in een capsule geladen en met een katapult naar de top van de toren geschoten. Door het vacuüm in de toren kan de capsule omhoog en omlaag bewegen zonder wrijving of luchtweerstand, zodat de capsule zich praktisch in een toestand van gewichtsloosheid bevindt, met een zwaartekracht die een miljoenste is van de normale zwaartekracht op aarde. Wanneer de capsule versnelt, worden de grafeenzeilen losgelaten in een bijna gewichtloze vrije val. Op dat moment laat het team de laser op de grafeenchip schijnen en wordt de hierdoor gegenereerde druk op het grafeen gedetecteerd. Een belangrijke uitdaging van dit experiment is de automatisering van de procedures van het experiment, zodat de resultaten in de 9,3 seconden vrije val kunnen worden vastgelegd. Al het voorbereidende werk voor het experiment wordt door het GrapheneX-team bij de TU Delft uitgevoerd, met ondersteuning van Herre van der Zant (TU Delft), Angelo Cervone (TU Delft) en Jian Rong Gao (TU Delft Space Institute). Als onderdeel van het programma Drop Your Thesis! wordt het team ook nog begeleid door Pekka Janhunen van het Fins Meteorologisch Instituut. Dit experiment wordt gesteund door ESA Education, het Graphene Flagship en het TU Delft Space Institute. Volg de activiteiten op het blog! GrapheneX op Twitter GrapheneX op Facebook Zero Gravity Graphene - Solar Sails
Even voorstellen: Kobus Kuipers
Prof. dr. Kobus Kuipers is afdelingsvoorzitter van de afdeling Quantum Nanoscience (QN). In november vorig jaar maakte hij de overstap van AMOLF, waar hij leider was van de NanoOptics-groep en hoofd van het Center for Nanophotonics, naar de TU Delft. Hoe heeft hij de beginperiode van zijn voorzitterschap ervaren? En hoe zien zijn plannen voor de afdeling eruit? Wat zijn je hobby’s? ‘Ik hou erg van lekker eten. Ik was een typische zaterdagkok die alle markten afliep voor de juiste ingrediënten, om daar vervolgens iets heel speciaals van te maken. Nu heb ik daar niet altijd de tijd meer voor. Verder heb ik getafeltennist en mag ik nog steeds graag strategische online spellen spelen.’ In je onderzoek lijkt licht een rode draad te zijn. Klopt dat? ‘Ja, ik omschrijf mezelf als ‘lichtmens’. Kort gezegd gebruik ik nanostructuren om leuke en interessante dingen met licht te doen. Hetgeen waar ik het meest furore mee heb gemaakt, al is dat wat moeilijk om over mezelf te zeggen, zijn mijn metingen aan langzaam licht.’ Langzaam licht? De lichtsnelheid is toch constant? ‘Nee. Je kunt licht door een structuur laten lopen waarin je periodiek verschillende materialen alterneert. In mijn geval is dat typisch een dunne plak silicium, waarin je dan een periodiek rooster van gaten zet die op ongeveer een halve golflengte van elkaar liggen. Op het moment dat licht daarin wil bewegen moet het zich gaan conformeren aan de periodiciteit die je hebt aangebracht. Dat betekent dat licht zich gaat gedragen als elektronen in een atomair kristal, en voor bepaalde kleuren en/of bepaalde plekken langzamer gaat of zelfs tot stilstand komt. Je kunt de interactie tussen licht en materie dus naar je hand zetten. Dat is trouwens een van mijn redenen geweest om naar Delft te komen. Er is een aantal materiaalsystemen in Delft waarvan ik denk: met mijn kennis, gecombineerd met de kennis die hier aanwezig is, kunnen we leuke muziek maken.’ Dus de overstap zat eraan te komen? ‘De afgelopen jaren ben ik eens in de zoveel tijd gevraagd of ik bij AMOLF weg wilde. AMOLF is een fantastische plek en ik had het daar ontzettend naar mijn zin, dus meestal was mijn antwoord direct nee. Maar in 2015 belde Tim van der Hagen, die toen nog decaan was van TNW, me op. En toen merkte ik dat het misschien wel tijd was voor iets nieuws en ging ik het gesprek aan. Ik verruilde een fantastische plek voor een andere fantastische plek, met als doel om mijn horizon te verbreden en mijn onderzoek te verrijken.’ En zijn er al samenwerkingen opgebloeid? ‘De wetenschappelijke interacties met de andere PI’s zijn enthousiast en de eerste simpele metingen zijn in voorbereiding. De eerste plannen voor diepgravender samenwerking worden nu gesmeed.’ Hoe is de cultuur hier, vergeleken met hoe het was bij AMOLF? ‘Anders. Ik heb bijvoorbeeld het gevoel dat men hier behoorlijk gericht is op Amerika. AMOLF was ook internationaal gericht, maar er zat denk ik wat meer ‘Europa’ in. Verder gaven de onderzoekers bij AMOLF wel onderwijs, maar niet zoveel als de onderzoekers hier. Dat trekt natuurlijk een wissel op hun tijd. Sommige dingen zijn trouwens juist wel weer vergelijkbaar. Naast dat ze ontzettend slim en creatief zijn, zijn de mensen hier bijvoorbeeld heel fanatiek. Ze willen op de grenzen van wat mogelijk is presteren en daarbij ook opvallen. Meedoen met de wereldtop, dat is belangrijk voor iedereen hier. Dat was bij AMOLF ook zo.’ En wat de organisatie betreft? ‘Ook dat is anders, want je bent hier onderdeel van een (veel) grotere structuur. Dat merk je bijvoorbeeld aan het feit dat sommige dingen stroperiger gaan, dat de dynamiek net iets anders is. Ik heb het idee dat het gevaar van individualisme hierdoor wat meer op de loer ligt dan bij AMOLF het geval was.’ Wordt dat dan een van de aandachtspunten de komende tijd? ‘Ja, ik wil het wij-gevoel vergroten. Ik denk dat we daar nog wel wat kunnen winnen. We zijn er recentelijk ook mee begonnen, door voor het eerst sinds ik er ben de hei op te gaan.’ Alleen om het wij-gevoel te vergroten? ‘Zeker niet, inhoudelijk gezien is het natuurlijk ook nuttig. Ik heb die dag met name drie vragen gesteld: ‘Waar zijn we goed in?’, ‘Wat inspireert ons?’ en ‘Wat bindt ons?’. Over die vragen heb ik verschillende groepjes van steeds verschillende constellaties laten brainstormen. Nu is het aan mij om uit de antwoorden een of meer rode draden te destilleren waarbij het overvloedig aanwezige talent en expertise het best uit de verf komen. Die vormen dan het aanknopingspunt voor vervolgsessies die moeten uitmonden in versterkte interne samenwerking en idealiter een nieuw ‘Man on the Moon-project’. Ik vind het belangrijk dat we meer worden dan de som der delen.’ Wat speelt er verder op de afdeling? ‘Vorig jaar is de sectiestructuur voor QN opgegeven en zijn we overgegaan op een PI-structuur (Principal Investigator, red.). Ik vind dat een goede ontwikkeling, maar het voordeel van de secties was dat er enige coherentie en structuur was. Nu zijn we plat. We moeten er nu samen voor zorgen dat die platte structuur niet leidt tot desintegratie. Ik merk dat ik het stiekem leuk vind om na te denken over hoe we die coherentie borgen en hoe we de afdeling goed kunnen runnen.’ Had je dat niet verwacht? ‘Nou ja, ik denk dat Tim me primair heeft gehaald als afdelingsvoorzitter, en ik zie het voorzitterschap ook als een mooie uitdaging. Maar ik ben hier vooral heen gekomen omdat het me wetenschappelijk zo interessant leek. Toen de komst van mijn lab vertraagd was en ik hier een maand eerder zat dan mijn groep, merkte ik ineens hoe leuk ik het vond om na te denken over het verbeteren van processen in de afdeling.’
Bioenergie: zo gek nog niet
Biobrandstoffen hebben een niet al te positief imago. Onterecht, zegt prof. Patricia Osseweijer van de afdeling Biotechnology. Met he t oog op de Millennium Development Goals van de Verenigde Naties pleit zij ervoor om meer te investeren in bio-energie. Niet alleen omdat biobrandstoffen duurzaam zijn, maar ook omdat slimme investeringen in bio-energie kunnen bijdragen aan de sociale ontwikkeling van arme gebieden. Waarom hebben we bio-energie nodig? We hebben toch ook al de zon en de wind als duurzame bronnen van energie? ‘Dat klopt, maar zonne-energie en windenergie zijn lang niet voldoende om de klimaatverandering tegen te gaan. Bovendien zijn die ook niet voor alle plekken op aarde de beste optie. Een bijkomend voordeel is dat je voor de productie van biobrandstoffen land nodig hebt. Als je daarin investeert levert dat niet alleen energie op, maar ook verbetering van de landbouw en meer arbeidsplaatsen en dus inkomen voor mensen in een minder goede positie.’ Zijn er succesverhalen als het gaat om biobrandstoffen? ‘Brazilië wilde 40 jaar geleden om politieke redenen energie-onafhankelijk worden. De Brazilianen hebben daarom flink ingezet op het verbouwen van suikerriet. De suiker die dat oplevert kan als zodanig op de markt worden gebracht. Maar als de suikerprijs niet zo hoog is, kan er door middel van fermentatie ook alcohol van worden gemaakt. Het eindproduct is ethanol, en omdat er in Brazilië inmiddels heel veel ‘flex-fuel’-auto’s rijden, kun je dat daar gewoon in de tank gooien. In totaal wordt er op 1,4 procent van de landbouwgrond van Brazilië suikerriet verbouwd, dus dat is een vrij klein areaal. Maar daarmee produceren de Brazilianen wel 50 procent van de hun totale brandstofbehoefte.’ Hebben we het hier over de helft van de brandstofbehoefte voor alle vervoersmiddelen? Nee, die 50 procent heeft betrekking op personenauto’s, want ethanol vervangt benzine. Voor het vrachtverkeer wordt diesel gebruikt en in de vliegtuigindustrie kerosine. Dat kun je niet vervangen door ethanol, maar wel door biodiesel en biokerosine. En dat kun je nu al maken van gebruikt frituurvet, maar er zijn ook technische mogelijkheden om biokerosine uit ethanol te maken.’ Welke bezwaren zijn er tegen het produceren van energie uit biomassa? ‘Er zijn twee grote bezwaren. Het eerste is dat er niet voldoende land zou zijn om een groeiende wereldbevolking van voedsel te voorzien én daarnaast gewassen te verbouwen waarvan we biobrandstoffen kunnen maken. ‘Geen voedsel in de tank’, zoals Oxfam Novab het formuleerde. Het tweede punt dat vaak wordt opgeworpen is dat biobrandstoffen onder de streep helemaal niet zo duurzaam zijn, vanwege de uitstoot van CO2 bij de productie en het gebruik ervan.’ Eerst maar even dat laatste punt. Hoe duurzaam is bio-energie als je het vergelijkt met fossiele brandstoffen? ‘Olie heeft miljoenen jaren onder de grond gezeten. Als je dat verbrandt komt de CO2 die erin is opgeslagen plotseling vrij. Planten slaan ook CO2 uit de lucht op, en zodra je die gaat verbranden komt de CO2 inderdaad weer in de atmosfeer. Maar die cyclus is dus maar maximaal een paar jaar, veel en veel korter dan bij fossiele brandstoffen.’ En het bezwaar dat bio-energie concurreert met voedselproductie? Snijdt dat hout? ‘Totaal niet. Verschillende studies, ook studies waar wij aan hebben meegewerkt, hebben aangetoond dat er voldoende land is voor zowel voedselproductie als het verbouwen van gewassen ten behoeve van biobrandstoffen. Met name in armere gebieden.’ Wat zijn de voordelen van bio-energie? ‘Naast het feit dat het bijdraagt aan de klimaatdoelstellingen, is een groot voordeel van bio-energie dat biobrandstoffen kunnen bijdragen aan sociale ontwikkeling en voedselzekerheid in arme gebieden. Als we kijken waar de problemen met de voedselzekerheid zich afspelen, dan is dat voor 80 procent in rurale gebieden. Mensen in dit soort gebieden hebben wel land, maar ze zijn arm en hebben geen toegang tot energie. In dit soort gebieden kun je heel goed een systeem opzetten waarbij er aan de ene kant voldoende voedselgewassen worden verbouwd, en aan de andere kant ruimte is voor de productie van gewassen waarmee biobrandstoffen en bijvoorbeeld ook bioplastics kunnen worden gemaakt. Dan investeer je in de landbouw en de infrastructuur, en op die manier kun je zo’n gebied helpen zich te ontwikkelen én ervoor zorgen dat de voedselzekerheid toeneemt.’ Wat wordt er zoal aan onderzoek naar biobrandstoffen gedaan bij de afdeling Biotechnology?‘ Om een concreet voorbeeld te noemen: de groep van Jack Pronk heeft een gist ontwikkeld die C5-suikers kan omzetten in ethanol. Voorheen waren C5-suikers een restproduct. Gisten konden alleen uit de voeten met C6-suikers. Dat die C5-suikers nu ook kunnen worden omgezet, zorgt voor veel grotere opbrengsten. Verder hebben we de groep Bioprocestechnologie, die veel berekeningen heeft gemaakt om te bepalen hoe je een productiesysteem zo efficiënt mogelijk kunt opzetten. En we hebben ook een groep op het gebied van enzymologie, die onderzoekt welke enzymen we kunnen gebruiken om restmateriaal van planten te ontsluiten. Want voordat je bij de suikers kunt moet je eerst de celwanden afbreken. Onze groepen vullen elkaar dus heel mooi aan. Daarnaast werken we goed samen met de industrie.’ Kun je daar een voorbeeld van noemen? ‘Zeker. We zijn bijvoorbeeld net een project gestart met een aantal bedrijven die planten(resten) gebruiken voor productie van ethanol, waar ook POET-DSM aan mee doet. Die hebben een paar jaar geleden een bioraffinaderij geopend in de VS waar ethanol uit de afvalstoffen van planten wordt gewonnen. Die raffinaderij, Liberty, gebruikt de gist die hier is ontwikkeld en waar ik net over vertelde. We werken ook samen met SkyNRG, een spin-off van KLM die biokerosine verhandelt, om te kijken hoe je dat hele infrastructurele systeem rondom de productie van biobrandstoffen het beste kunt inrichten, zodat boeren er bijvoorbeeld ook bij worden betrokken. Verder kijken we, samen met de groep van Mark van Loosdrecht, naar reststoffen uit afvalwater, en hoe je daar ook weer allerlei producten uit kunt halen.’ Kortom: de circulaire economie? ‘Precies, het draait allemaal om duurzaamheid en de circulaire economie. Wij denken dat biobrandstoffen daarin een belangrijke rol kunnen spelen, zeker ook vanwege die sociale ontwikkeling van arme gebieden. Uiteindelijk is het de bedoeling dat iedereen in de keten er beter van wordt.’
