EO

‘Tekort aan kritische materialen bedreigt Westerse economieën’

21 mei 2019 om 14:30 uur

Een EBSD-opname (Electron Back Scatte Diffraction) in een SEM (Scanning Electron Microscope) van de basisstructuur van vuurbestendig staal. Aan het staal is niobium toegevoegd om het staal vuurbestendiger te maken

Terwijl wereldwijd de aandacht vooral uitgaat naar het terugdringen van CO2-uitstoot en verlaging van het energieverbruik om zo klimaatverandering tegen te gaan, wordt nog onvoldoende nagedacht over de gevolgen van een tekort aan materialen. Het gaat dan vooral over zogenaamde kritische materialen, materialen die voor ons welzijn en onze economie cruciaal zijn. “Gelukkig dringt het besef steeds verder door dat we hieraan veel meer aandacht moeten besteden”, aldus Erik Offerman, materiaalkundige en associate professor te Delft.

 

Door: Leo de Ridder


Het onderwerp houdt hem al jaren bezig en om de boel extra wakker te schudden, besloot hij er een boek aan te wijden. Dat verscheen in maart dit jaar onder de titel ‘Critical Materials: Underlying Causes and Sustainable Mitigation Strategies'. Offerman: "We lopen tegen de grenzen van onze materiaalconsumptie aan. Dit heeft niet alleen consequenties voor onze economie, maar ook voor het klimaat. We kunnen wel enorme windmolenparken willen bouwen, maar wat als daarvoor niet genoeg sterk en corrosiebestendig staal beschikbaar is? Zulk staal wordt tot nu toe geproduceerd door er de juiste legeringselementen aan toe te voegen. Maar veel van die legeringselementen vallen onder de noemer ‘kritische materialen' en dit betekent dat ze schaars zijn of moeilijk verkrijgbaar. Het betreft onder andere de zeldzame aarden, wolfraam, magnesium, niobium, vanadium en kobalt. Procentueel gaat het bij deze materialen weliswaar om kleine hoeveelheden legeringselementen, maar de hoeveelheid staal die wereldwijd wordt geproduceerd is gigantisch en dan tellen die procentjes wel op." Hij constateert wel een zekere kentering. "Gelukkig worden we ons steeds bewuster van onze materialenafhankelijkheid. Het besef dringt langzaam door dat we ons materialengebruik nauwlettend moeten volgen en waar mogelijk moeten optimaliseren."

 

Kritikaliteit

Offerman wijst erop dat de EU enkele jaren geleden een analyse heeft laten maken van 14 groepen voor Europa zogenaamde kritische materialen. Daarbij zijn twee criteria gehanteerd voor deze zogenaamde kritikaliteit: de mate waarin leveringsrisico's kunnen worden verwacht voor deze materialen en de mate waarin het materiaal belangrijk is voor de Europese economie.
Ook in de VS en Japan zijn dergelijke analyses uitgevoerd. De uitkomsten zijn niet bepaald hoopvol. Tekorten kunnen verwacht worden bij onder andere de zeldzame aard metalen, maar ook bij de eerder genoemde materialen als magnesium, niobium, vanadium en kobalt. Stuk voor stuk belangrijke legeringselementen van staal die zorgen voor eigenschappen als taaiheid, sterkte, corrosiebestendigheid en brandwerendheid.


De Delftse materiaalkundige benadrukt dat we steeds afhankelijker worden van de beschikbaarheid van dergelijke materialen, meer nog dan van energie. Met andere woorden, we moeten niet alleen producten blijven ontwerpen die duurzaam, energiezuinig en recyclebaar zijn, maar we moeten de focus meer verleggen naar het efficiënter omgaan met onze grondstoffen c.q. materialen.

 

Microstructuur

Offerman: "Dit is de eerste stap om minder afhankelijk te worden van kritische materialen, waarbij het onder meer gaat over materiaalbewust en recyclingbewust ontwerpen. We moeten daarbij serieus onderzoek doen naar de kansen en mogelijkheden om meer te doen met minder. Volgens mij en mijn onderzoeksgroep biedt het verminderen van de hoeveelheid legeringselementen in staal hierbij de beste mogelijkheden. We kunnen waarschijnlijk met de helft minder legeringselementen toe zonder dat de kwaliteit van staal erdoor achteruit gaat." Maar hoe doe je dat? Met minder legeren staal maken dat toch de gewenste eigenschappen heeft? Offerman: "Door ons te focussen op de microstructuur ervan en die zodanig onder controle te krijgen dat je die structuur als het ware kunt instellen naar gelang de eigenschappen die je het staal wilt meegeven."

micro De microstructuur van vuurbestendig staal met de helft minder niobium laat veel meer kleine-hoek-korrelgrenzen zien. Hierdoor kan dezelfde mate van vuurbestendigheid worden bereikt als met de basismicrostructuur. 

 

Procesbeheersing

De Delftenaar weet waar hij over spreekt. Hij is specialist op het gebied van de microstructuur van staal. "Uiteindelijk is de microstructuur van het staal bepalend voor de eigenschappen ervan. Staalproducenten weten precies hoe ze staal moeten behandelen om die eigenschappen te verkrijgen. Ze maken daarbij gebruik van de faseovergangen van het staal die vastgelegd zijn in het ijzerkoolstof-diagram, en passen nauwkeurig gedefinieerde thermo-mechanische behandelingen toe die resulteren in de gewenste microstructuur.


"Voor veel gangbare toepassingen is dit voldoende maar er zijn toepassingen waarvoor laaggelegeerd staal niet voldoet. Door staal te legeren maken staalproducenten het taaier, harder, corrosiebestendiger, slijtvaster of brandbestendiger. Hier in Delft onderzoeken we momenteel of je door een betere beheersing van het staalbereidingsproces deels dezelfde eigenschappen als met legeren kunt creëren. Inmiddels zijn we zo ver dat we met een nauwkeurige procesbeheersing de microstructuur steeds beter kunnen instellen en daarmee de eigenschappen van staal kunnen manipuleren.


"Inzicht in het kiemvormingsproces is hierbij een cruciale factor. Als je het kiemvormingsproces kunt sturen dan kun je daarmee de microstructuur naar je hand zetten en dus ook de eigenschappen van het staal. Door minder te legeren besparen we niet alleen kosten, maar wordt het ook makkelijker om het staal te recyclen. Bovendien worden we minder afhankelijk van leveranciers van kritische materialen en vooral dat laatste mag niet worden onderschat." Offerman doelt daarbij op leverantieproblemen die kunnen ontstaan als landen waar deze kritische materialen worden gedolven, zoals China, Brazilië en Rusland, hun monopolie-positie kunnen of willen gebruiken voor geopolitieke doeleinden.

 

Duurzaam materiaalgebruik

Offerman is een warm pleitbezorger van grondstoffen-efficiënt produceren en ontwerpen. "We moeten streven naar een grondstoffenefficiënte, circulaire economie en daar wil ik graag een bijdrage aan leveren. Dat is één van de redenen waarom ik dit boek heb samengesteld." Het boek gaat in op het probleem van duurzaam materiaalgebruik dat nauw verweven is met het energievraagstuk en de klimaatverandering. Onderwerpen die aan bod komen zijn: geopolitiek van materialen, het verband tussen energie en materialen, definities van de kritikaliteit van materialen, circulair productontwerp, de ontwikkeling van alternatieve materialen (substitutie), duurzame mijnbouw en recycling. Erik Offerman maakt met zijn onderzoek onderdeel uit van het Leiden- Delft- Erasmus 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, Leiden neemt de milieuaspecten onder de loep en de Erasmusuniversiteit is gericht op bedrijfsmatige aspecten. Offerman participeert ook in het Raw Materials Knowledge and Innovation Community (KIC) 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. 

 

Video's

Vliegtuigjes kunnen nu helemaal autonoom landen

Vliegtuigjes kunnen nu helemaal autonoom landen

Onderzoekers van de TU in München hebben een systeem ontwikkeld dat vliegtuigen autonoom kan…

Volkswagen ID.R breekt twintig jaar oud record in Goodwood

Volkswagen ID.R breekt twintig jaar oud record in Goodwood

Voor wie op vakantie was: begin deze zomer heeft Volkswagen een unieke prestatie neergezet. Het…

Voor je tv springen en duiken als Spiderman

Voor je tv springen en duiken als Spiderman

Hoe denk je dat Spiderman vliegt? Juist, in een tuigje! En een kopie daarvan wordt nu op Kickstarter…

Op weg naar een alomvattende materialendatabase

Op weg naar een alomvattende materialendatabase

Is het mogelijk om de manier waarop licht van zijde weerkaatst digitaal na te bootsen? De…

Geluid ontwerpen met simulaties

Geluid ontwerpen met simulaties

Hoe gebruik je simulaties bij het ontwerpen van geluid? Samsung publiceerde onlangs onderstaande…

Meer videos »

Laatste nieuws

Een tijger in je Jaguar

Een tijger in je Jaguar

Ingenieurs van Jaguar Land Rover werken aan een nieuwe 3D-head-updisplay die veilig- heidswaarschuwingen projecteert in het blikveld van de bestuurder en hem ondersteunt bij slecht zicht. De augmented reality-technologie…

Licht uit modder

Licht uit modder

De Nederlandse designer Teresa van Dongen zoekt sinds 2016 naar manieren om bacteriën te gebruiken om elektriciteit op te wekken voor menselijk gebruik. En dat lukt. Op Oerol creëerde ze dit jaar Mud Well, een…

Belgische auto-toeleveranciers zien omzet dalen met 15%

Belgische auto-toeleveranciers zien omzet dalen met 15%

De toeleveranciers in de Belgische autosector hebben hun omzet in de eerste jaarhelft met liefst 15% zien teruglopen. De Belgische auto- en vrachtwagenfabrikanten hielden juist stand.

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Agenda

22 augustus 2019, vianen

Praktijkdag Performance Level (PL) ISO 13849-1

Na de theoriedag PL/SIL of module 4: Ontwerpen besturingstechnische veiligheidsmaatregelen van de...

23 augustus 2019

Praat mee over een toekomstbestendige machinerichtlijn

Nederland levert een bijdrage aan een impact-assessment betreffende de nieuwe Europese Machinerichtlijn...

2 september 2019, D&F kantoor Breda

Performance Level en Sistema 2.0

Meer agendapunten »