Kunnen we auto’s maken van aardolieresidu?

Onderzoekers hebben een manier bedacht om koolstofvezels te maken van een ultragoedkope grondstof: het zware, glibberige afvalmateriaal dat overblijft na de raffinage van aardolie, materiaal dat raffinaderijen tegenwoordig leveren voor laagwaardige toepassingen zoals asfalt, of uiteindelijk behandelen als afval.

De nieuwe koolstofvezel is niet alleen goedkoop om te maken, maar biedt ook voordelen ten opzichte van de traditionele koolstofvezelmaterialen omdat het druksterkte kan hebben, wat betekent dat het kan worden gebruikt voor dragende toepassingen.

Het proces wordt beschreven in het tijdschrift Science Advances, in een paper van afgestudeerde student Asmita Jana, onderzoekswetenschapper Nicola Ferralis, professor Jeffrey Grossman en vijf anderen aan het MIT, Western Research Institute in Wyoming en Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Het onderzoek begon ongeveer vier jaar geleden naar aanleiding van een verzoek van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), dat op zoek was naar manieren om auto’s zuiniger te maken en het brandstofverbruik te verminderen door het totale gewicht te verlagen. "Als je nu naar hetzelfde model auto kijkt, vergeleken met 30 jaar geleden, is het aanzienlijk zwaarder", zegt Ferralis. "Het gewicht van auto’s is binnen dezelfde categorie met meer dan 15 procent toegenomen."

De DOE dringt aan op de ontwikkeling van lichtgewicht constructieve materialen die even veilig zijn als stalen panelen, maar die ook goedkoop genoeg kunnen worden gemaakt om mogelijk staal in standaardvoertuigen te vervangen.

Composieten gemaakt van koolstofvezels zijn tot nu toe in de autowereld slechts gebruikt in een paar zeer dure modellen. De DOE wil dat omdraaien door een goedkoop uitgangsmateriaal en relatief eenvoudige verwerkingsmethoden te bieden.

Koolstofvezels van de kwaliteit die nodig is voor gebruik in de auto kost momenteel minstens 10 tot 12 dollar per pond, zegt Ferralis, wat veel meer kan zijn, tot honderden dollars per pond voor gespecialiseerde toepassingen als ruimtevaartuigcomponenten. Ter vergelijking: staal kost ongeveer 75 cent per pond en aluminium 2 dollar. Tegen die prijzen zou het maken van een pek van koolstofvezel in plaats van staal volgens Ferralis ongeveer de kosten verdubbelen.

Deze vezels zijn typisch gemaakt van polymeren die zijn afgeleid van aardolie, maar gebruiken een dure tussenstap voor het polymeriseren van de koolstofverbindingen. De kosten van het polymeer kunnen meer dan 60 procent van de totale kosten van de uiteindelijke vezel uitmaken, zegt Ferralis. In plaats van om te beginnen een geraffineerd en verwerkt aardolieproduct te gebruiken, gebruikt de nieuwe aanpak van het team wat in wezen het bezinksel is dat overblijft na het raffinageproces.

"Pek is ongelooflijk rommelig", zegt hij. Het is een mengelmoes van gemengde zware koolwaterstoffen, en "dat is eigenlijk wat het op een bepaalde manier mooi maakt, omdat er zoveel chemie is die kan worden benut. Dat maakt het een boeiend materiaal om mee te beginnen."

Het is niet bruikbaar voor verbranding en "er is zoveel van, dat de inherente waarde van deze producten erg laag is, dus daarom wordt het vaak gestort." Een alternatieve bron van pek, die het team ook heeft getest, is steenkoolpek, een soortgelijk materiaal dat een bijproduct is van cokes, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt voor de productie van staal. Dat proces levert ongeveer 80 procent cokes en 20 procent kolenpek op, "wat eigenlijk zonde is", vindt hij.

In samenwerking met onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory, die de expertise hadden in het vervaardigen van koolstofvezels onder verschillende omstandigheden, van laboratoriumschaal tot pilotfabriekschaal, ging het team op zoek naar manieren om de prestaties te voorspellen om tot een goede keuze te komen van voorwaarden voor die fabricage-experimenten.

"Het proces dat je nodig hebt om daadwerkelijk een koolstofvezel te maken, is eigenlijk uiterst minimaal, zowel in termen van energiebehoefte als in termen van daadwerkelijke verwerking die je moet doen", zegt Ferralis.

Jana legt uit dat pek "gemaakt is van deze heterogene set moleculen, waarbij je zou verwachten dat als je de vorm of grootte van de eigenschappen verandert, dit drastisch verandert", terwijl een industrieel materiaal zeer consistente eigenschappen moet hebben.

Door zorgvuldig te modelleren hoe bindingen zich vormen en crosslinken tussen de samenstellende moleculen, kon Jana een manier ontwikkelen om te voorspellen hoe een bepaalde reeks verwerkingsomstandigheden de resulterende vezeleigenschappen zou beïnvloeden. "We waren in staat om de resultaten met zo’n beginnauwkeurigheid te reproduceren", zegt ze, "dat bedrijven op basis van die grafieken in staat waren om kenmerkenals dichtheid en elasticiteitsmodulus te voorspellen."

Het werk leverde resultaten op die aantoonden dat door de startomstandigheden aan te passen, koolstofvezels konden worden gemaakt die niet alleen sterk waren op trek, zoals de meeste van dergelijke vezels, maar ook op druk, wat betekent dat ze mogelijk kunnen worden gebruikt in dragende toepassingen. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden voor de bruikbaarheid van deze materialen, zeggen de onderzoekers.

DOE’s oproep was voor projecten om de kosten van lichtgewicht materialen onder de 5 dollar per pond te brengen, maar het MIT-team schat dat hun methode het beter kan doen dan dat, ongeveer 3 dollar per pond bereiken, hoewel ze nog geen gedetailleerde economische analyse hebben gemaakt.

"De nieuwe route die we ontwikkelen is niet alleen een kosteneffect", zegt Ferralis. "Het kan nieuwe toepassingen openen, en het hoeven geen voertuigen te zijn." Een deel van de complicatie van het maken van conventionele vezelcomposieten is dat de vezels tot een doek moeten worden gemaakt en in nauwkeurige, gedetailleerde patronen moeten worden gelegd. De reden daarvoor, zegt hij, "is om het gebrek aan druksterkte te compenseren."

Het is een kwestie van engineering om de tekortkomingen van het materiaal te verhelpen, zegt hij, maar met het nieuwe proces zou al die extra complexiteit niet nodig zijn.