- Een supermateriaal met ogenschijnlijk onbegrensde gebruiksmogelijkheden
- Beton dat twee keer sterker is dan normaal
- Een commercieel levensvatbaar wondermateriaal?
Beton is ons populairste bouwmateriaal. Het is sterk, nagenoeg onverslijtbaar en gemakkelijk te produceren – en dat is al zo sinds de Romeinen het voor het eerst gebruikten. Tegelijkertijd is het helaas ook rampzalig voor het milieu. Het belangrijkste ingrediënt, cement, is namelijk verantwoordelijk voor 6 procent van de wereldwijde kooldioxide-uitstoot. Dit is grotendeels te danken aan de grote hoeveelheden die we elk jaar van dit materiaal produceren – de wereld heeft bijvoorbeeld alleen al in 2017 maar liefst 4.100 miljoen ton van dit materiaal geproduceerd.
Productie op deze enorme schaal kan niet meer in stand gehouden worden en na het Akkoord van Parijs, dat is bedoeld om de koolstofemissies te verminderen en de opwarming van de aarde een halt toe te roepen, is het duidelijk dat we de cementproductie aan banden moeten leggen. Helaas is dat geen eenvoudige opgave, want de wereldbevolking blijft maar groeien en daar is steeds meer huisvesting en infrastructuur voor nodig. We moeten een manier vinden om al dat bouwen in de toekomst te doen met minder beton, en dus minder cement.
Wetenschappers van de Universiteit van Exeter menen nu een oplossing gevonden te hebben. Door beton te mengen met grafeen, een wonderbaarlijk materiaal dat in wezen niets meer is dan koolstof, zijn ze erin geslaagd om een supersterk, superelastisch bouwmateriaal te produceren. Zou deze doorbraak ons kunnen helpen om aan de toekomst te blijven bouwen en tegelijkertijd het milieu te beschermen?
Een supermateriaal met ogenschijnlijk onbegrensde gebruiksmogelijkheden
Grafeen is een eenvoudige stof met complexe eigenschappen. Op zijn meest basale niveau is het een ultradunne, enkele laag van koolstofatomen, gerangschikt in een zeshoekige matrix. Maar er zijn eindeloos veel mogelijkheden met betrekking tot wat je allemaal met grafeen kunt doen.
Grafeen maakt gebruik van de vreemde eigenschappen van de nanowereld en ondanks dat het ultra-dun is hebben wetenschappers ontdekt dat je het haast overal en voor alles kunt gebruiken. Grafeen is een halfgeleider en kent een enorm scala aan toepassingen in de elektronica – van sensortechnologie tot LED-schermen – en wetenschappers onderzoeken momenteel of het materiaal een goede vervanging zou kunnen zijn voor lithiumbatterijen. In de gezondheidszorg maken de intrigerende eigenschappen van grafeen het een ideaal materiaal voor medische toepassingen. Onderzoek heeft aangetoond dat het een potentiële drager is voor levensreddende medicijnen en het wordt experimenteel gebruikt om de hergroei van hersentumoren te detecteren. Van brandstofcellen tot zonnepanelen, we komen dit geleidende, sterke, ultralichte materiaal in opkomende technologie overal tegen. Maar voor de bouw is de belangrijkste kwaliteit van grafeen dat het ultralicht en supersterk is.
Beton dat twee keer sterker is dan normaal
Zoals het Berkeley Lab rapporteert, is grafeen “het sterkste materiaal dat er bestaat, 200 keer sterker dan staal en lichter dan papier”. Dat is een winnende combinatie voor de bouw, en Monica Craciun, hoogleraar nanowetenschappen van het Engineering Departement aan de University of Exeter, vroeg zich af of dit misschien het wonder-ingrediënt voor ‘groen’ beton zou kunnen zijn. Ze liet grafeen oplossen in water en gebruikte de resulterende wondervloeistof vervolgens als ingrediënt voor haar betonblokken. De resultaten waren verbazingwekkend: het beton was twee keer sterker dan normaal, vier keer meer waterbestendig en veel flexibeler. Dat is een grotere verbetering dan verwacht en betekent dat je nog maar de helft van het materiaal nodig hebt terwijl het langer meegaat dan traditioneel beton.
Dat zou kunnen betekenen dat je de CO2-uitstoot als gevolg van de wereldwijde betonproductie met de helft zou kunnen terugdringen. Craciun legt uit: “Onze steden staan onder toenemende druk van wereldwijde uitdagingen op het gebied van vervuiling, duurzame verstedelijking en bestendigheid tegen catastrofale natuurrampen. Dit nieuwe composietmateriaal is een absolute game changer als het gaat om het versterken van traditioneel beton om aan deze behoeften te voldoen”.
Een commercieel levensvatbaar wondermateriaal?
Maar niet iedereen is ervan overtuigd dat dit nieuwe grafeen-beton commercieel levensvatbaar is. Hoewel hij enthousiast is over de mogelijkheden, maakt Franz-Josef Ulm, directeur van Concrete Sustainability Hub aan het MIT, zich zorgen over de hoge kosten van grafeen, vooral gezien de grote hoeveelheden beton die we gebruiken. Maar zoals Craciun uitlegt hoeft Ulm zich daar geen zorgen over te maken. “Het is niet duur omdat het proces heel eenvoudig is. Het is in principe vergelijkbaar met een keukenblender waar je grafiet, water en zeepmoleculen in doet en dan krijg je grafeen”. Met dit eenvoudig te produceren grafeen kunnen we commerciële hoeveelheden van de superstof mengen en het overal ter wereld aan beton toevoegen.
We kunnen ons nu nog haast geen voorstelling maken van hoe revolutionair deze doorbraak eigenlijk is. Maar wanneer voor draagconstructies als muren en pilaren nog maar de helft van het bouwmateriaal nodig is, opent dat niet alleen nieuwe mogelijkheden voor design en architectuur, maar versnelt het tegelijkertijd de bouwtijd en wordt ook de uitstoot van CO2 aanzienlijk teruggedrongen. Beter, dus, voor mens en milieu!
