Krab- en kreeftenschalen bevatten van nature chitine. Nu blijkt dat je daar de perfecte warmtebatterij van kan maken.
Voor het opslaan van warmte in een materiaal worden vaak Phase change materials (PCM’s) gebruikt. Dat zijn materialen die warmte opnemen wanneer ze smelten en die warmte weer afgeven wanneer ze stollen. Het grote nadeel van veel PCM’s: ze kunnen makkelijk gaan lekken als ze verkeerd worden geïnstalleerd. Aangezien ze vaak worden gebruikt voor het koelen van elektronica maakt dat de mogelijke toepassingen ervan lastig.
Een team materiaalkundigen laat nu zien hoe je dat probleem kunt aanpakken met een nieuwe koolstofstructuur uit chitine, een natuurlijke stof die voorkomt in de schalen van kreeften en garnalen. In hun studie tonen ze aan dat zo’n ‘spons’ veel stearinezuur kan vasthouden (een bekend warmte-opslagmateriaal), zonder dat het eruit loopt als het warm wordt. Het onderzoek is te vinden in Sustainable Carbon Materials.
Aerogel van chitine
De onderzoekers maakten eerst een ultralichte aerogel van chitine. Je kunt zo’n aerogel zien als een soort schuim met heel veel kleine holtes. Daarna verhitten ze dit materiaal op een speciale manier zodat het verandert in een koolstof-aerogel. Die stap heet carboniseren: je verhit het materiaal zo dat er vooral koolstof overblijft. Het resultaat is een stevige, poreuze structuur met veel ruimte vanbinnen.
Die poriën gebruiken ze als opslagplek voor het stearinezuur. Stearinezuur is een organisch materiaal dat vaak wordt onderzocht als PCM, omdat het bij een bruikbare temperatuur smelt en redelijk veel warmte kan opslaan. Door het stearinezuur ‘op te sluiten’ in de poriën ontstaat een zogenoemd vormstabiel composiet: het stearinezuur kan wel smelten, maar het geheel blijft zijn vorm houden.
Volgens de onderzoekers was dat precies de bedoeling. Teamlid Hui Li zegt: “Ons doel was om een goedkope en milieuvriendelijke ‘spons’ te ontwerpen die grote hoeveelheden faseovergangsmateriaal kan vasthouden zonder lekkage.” Chitine is daarvoor aantrekkelijk, zegt Li, omdat het veel voorkomt en hernieuwbaar is.
Zuigkracht
De koolstof-aerogel werkt doordat deze een groot verbonden netwerk heeft van poriën. Als het stearinezuur warm wordt en smelt, kan het daardoor niet zomaar wegstromen. De poriën zorgen namelijk voor een soort ‘zuigkracht’ die de vloeistof vasthoudt. Daarnaast spelen waterstofbruggen een rol: dat zijn zwakke, maar belangrijke aantrekkingskrachten tussen moleculen. Die zorgen ervoor dat vloeibare stearinezuur als het ware ‘hecht’ aan het oppervlak van de ‘spons’.
Het resultaat is opvallend praktisch: het materiaal kan tot 60 procent stearinezuur bevatten zonder hierbij zichtbaar te lekken. Daardoor kan het materiaal uiteindelijk veel meer warmte opslaan dan voorheen mogelijk was. Ook interessant: de nieuwe ‘spons’ kan warmte beter geleiden dan dat puur stearinezuur dat kan. Hierdoor kan het stearinezuur dus sneller warmte afgeven en opnemen.
Lange levensduur
Minstens zo belangrijk is de levensduur. Het team testte het composiet door het 100 keer te verwarmen en weer af te koelen. De ‘spons’ doorstond die test met vlag en wimpel: de faseovergangstemperatuur bleef vrijwel gelijk en hield meer dan 97 procent van zijn oorspronkelijke thermische energie vast.
Leestip: De wetenschap achter energie-efficiënte woningen
Li benadrukt: “Betrouwbaarheid op de lange termijn is essentieel voor echte energieopslagsystemen. Onze resultaten laten zien dat deze chitine-gebaseerde koolstof-aerogel steeds opnieuw warmte kan opslaan en afgeven zonder dat de structuur achteruitgaat.”
Waardevol afval
De komst van de nieuwe hittebatterij is belangrijk omdat deze, naast de verbeterde prestaties, ook nog eens uit biologisch afval gemaakt kan worden. Daarmee symboliseert de batterij dus niet alleen een technische stap vooruit, maar kan deze ook helpen om biologische afvalstromen om te zetten in waardevolle materialen.
Voor het vervolgonderzoek is het team alweer hard aan het werk om dezelfde strategie toe te passen op andere PCM’s. Ze hopen hiermee nieuwe stoffen die maken die ook op andere temperaturen kunnen werken.
We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Met dit nieuwe ‘metamateriaal’ kun je elk object onder water besturen via geluidsgolven en Wetenschappers ontwikkelen materialen die zelf kunnen ‘leren’, zonder computers . Of lees dit artikel: Spectaculair nieuw materiaal zit lekker én wekt stroom op: handig voor je smartwatch .
Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week?
Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
