Een koolstofvezel 
die 160 olifanten tilt

South China Morning Post / 360  | 24 november 2018 - 10:1524 nov - 10:15

Aan de Tsinghua-universiteit in Beijing is een nieuwe koolstofvezel ontwikkeld met een trekkracht die 45 keer zo groot is als die van welk ander materiaal dan ook. Komt de lift naar de ruimte er nu echt?

Onderzoekers aan de Tsinghua-universiteit in Beijing beweren een koolstofvezel te hebben ontwikkeld die zo sterk is dat er zelfs een ruimtelift mee kan worden gebouwd. Eén kubieke centimeter van deze vezel – gemaakt van koolstofnanobuizen – kan volgens hen het gewicht dragen van 160 olifanten, ofwel meer dan 800 ton. En dat kleine stukje kabel weegt dan zelf maar 1,6 gram. Wang Changqing, die aan de Northwestern Polytechnical University in Xian onderzoek naar ruimteliften doet en niet bij deze studie betrokken was, noemt het ‘een doorbraak’.

Wat de onderzoekers hebben ontwikkeld, is een nieuwe ‘ultralange’ vezel van koolstofnanobuizen die naar hun zeggen sterker is dan enig ander materiaal. Ze hebben de technologie dit jaar gepatenteerd en een deel van hun onderzoeksresultaten gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

‘De treksterkte van koolstofnanobuisbundels is zeker 9 tot 45 keer 
zo groot als die van andere materialen’, schrijven 
ze in dat artikel. Ze voorspellen een grote vraag 
naar deze nieuwe vezel ‘voor tal van high-end 
toepassingen zoals bijvoorbeeld sportuitrustingen, kogelwerende kleding, lucht- en ruimtevaart, en zelfs ruimtevaartliften.’

Een lift van de aarde naar de ruimte: het lijkt misschien sciencefiction, maar het idee bestaat al meer dan een eeuw en wetenschappers hebben er de 
afgelopen decennia verschillende ontwerpen voor bedacht. Eén idee is bijvoorbeeld om een grote 
satelliet in een geostationaire baan om de aarde te brengen, en van daaruit een kabel aan één kant te verankeren in de aarde en aan de andere kant in 
de ruimte te laten zweven met een contragewicht eraan.

Die kabel wordt strak gehouden door de zwaartekracht van de aarde en de middelpunt-
vliedende kracht van het contragewicht, als een touw met een loodje dat je rondzwaait. Daarlangs kan de lift dan op en neer gaan.

Tot nu toe komen ideeën voor een ruimtelift 
niet verder dan de tekentafel, omdat er nog geen 
materiaal bestaat dat sterk genoeg is voor de 
superlichte en ultrasterke kabels die zo’n project vereist. Volgens de NASA moeten die kabels, om niet te veel uit te rekken, een treksterkte hebben van maar liefst 7 gigapascal.

In 2005 schreef het Amerikaanse ruimtevaartagentschap zelfs een wedstrijd uit 
om dat materiaal te ontwikkelen. De winnaar kon rekenen op twee miljoen dollar. Niemand heeft de prijs opgeëist. Maar het team van Tsinghua onder aanvoering van hoogleraar chemische technologie Wei Fei zegt nu dat hun nieuwe koolstofnanobuisvezel een treksterkte heeft van 80 gigapascal.

Koolstofnanobuizen zijn opgerolde plaatjes grafeen, de koolstof met atomen in een honingraatstructuur: zeshoeken met een diameter van hooguit één nanometer. Het is een van de sterkste materialen die we kennen, de treksterkte kan in theorie oplopen tot 300 gigapascal. Maar om praktisch 
toepasbaar te zijn, moeten deze buizen tot een soort kabels worden gebundeld: dat is moeilijk te realiseren en heeft weer een negatief effect op de totale treksterkte van het eindproduct.

Veelbelovende kandidaat
Volgens ruimtevaartdeskundige 
Wang is voor een ruimtelift meer dan 30.000 km aan kabel nodig, plus ander materiaal voor onder meer een rail en een schild tegen ruimtepuin en ander omgevingsgevaar. ‘Als de kabel niet sterk genoeg is, zou hij zijn eigen gewicht niet eens kunnen dragen. Tot nu toe was er geen materiaal bekend dat hier sterk genoeg voor was’, zegt Wang, adjunct-hoofd van het China-Rusland International Space Tether System Research Centre. Hoe sterk de kabels voor een ruimtelift moeten zijn, hangt van het ontwerp af. Volgens Wang lijkt de vezel van koolstofnanobuis op dit moment de meest veelbelovende kandidaat, maar moeten nadere berekeningen en simulaties uitwijzen hoe die werkelijk zal presteren.

‘De kabel is een van de grote problemen voor een ruimtelift, maar niet het enige probleem’, zegt hij bovendien. Zo zijn Chinese en Russische ruimtewetenschappers ook samen op zoek naar een veilige en effectieve manier om een dunne, vederlichte kabel van buiten de atmosfeer naar de aarde te laten zakken.

Bij binnenkomst in de dampkring ontstaat zo veel wrijvingshitte dat de kabel kan verbranden, 
en om de lijn strak te houden moet het contragewicht zo groot als een asteroïde zijn. Het Internationaal Ruimtestation ISS valt qua omvang en complexiteit in het niet bij zo’n project, aldus Wang. Maar landen als China, 
de Verenigde Staten, Rusland en Japan blijven er onderzoek naar doen. De kabeltechniek kan ook inzetbaar zijn voor militaire doeleinden, zoals de onderschepping van ‘niet-coöperatieve doelen’ (vijandelijke satellieten).

Japan heeft vorige maand twee satellieten gelanceerd voor het allereerste experimentele onderzoek naar de beweging van een lift in 
de ruimte. Ze laten een minilift aan een kabel heen en weer gaan tussen deze twee satellieten. De uitkomst van dat experiment is nog niet bekend. Ook China heeft al tests met kabels in de ruimte gedaan, maar die onderzoeksgegevens 
zijn staatsgeheim.

Een lift naar de ruimte kan nog jaren op zich laten wachten, maar volgens Wei wil zijn team wel proberen tot massaproductie van de nieuwe vezel te komen, voor militaire en andere toepassingen. ‘Dit kan weleens een gamechanger gaan worden voor veel sectoren’, zegt hij. Hij wijst bijvoorbeeld op de methode 
om energie op te slaan in mechanische batterijen, met een supersnel elektromagnetisch vliegwiel in 
een vacuüm.

Hoe lichter en sterker het materiaal waarvan zo’n vliegwiel is gemaakt, hoe sneller het kan draaien. Met deze nieuwe koolstofvezel zou 
zo’n batterij volgens Wei veertig keer zoveel energie kunnen opslaan als een vergelijkbare lithiumaccu. Dan zou een Tesla Model S met één volle accu 16.000 kilometer kunnen rijden: van Londen naar Sydney.

Maar de technologie zal waarschijnlijk eerst worden ingezet voor militaire doeleinden, aldus Wei: ‘Nieuwe wapensystemen zoals rail- en laserkanonnen vergen vaak enorm veel stroomopslag, en 
daarvoor biedt onze technologie een potentiële oplossing.’ In 2013 ontwikkelde zijn team al de langste koolstofnanobuis ter wereld, van een halve meter lang. Onlangs hebben ze er een van zeventig centimeter gemaakt.

Als de massa-
productie van deze vezel eenmaal mogelijk is en de energiedichtheid van mechanische batterijen daardoor stijgt, wordt dat ‘de doodsteek voor de fossiele brandstofmotor’. Dat zegt Song Liwei, die aan het Harbin Institute of Technology in Heilongjiang onderzoek doet naar mechanische batterijen. ‘Maar die vliegwielen zijn zo groot 
als een vat, zodat je een vezel van meerdere kilometers nodig hebt om zo’n batterij 
te bouwen’, zegt hij. ‘Zo ver zijn we nog lang niet.’

Auteur: Stephen Chen

***MOGEN WE NOG EVEN JE AANDACHT?***
Dit artikel krijg je van 360 cadeau. We geloven dat internationale context leidt tot een beter begrip van de wereld om ons heen. Het biedt nieuwe invalshoeken op een werkelijkheid die overal anders is. Bovendien maken we relevante, originele en mooie verhalen graag toegankelijk voor een groot publiek. Deel dit artikel als onze missie je aan het hart gaat. Of, nog beter, sluit je aan bij 360 met een (proef / cadeau) – abonnement. Doneren kan ook als je niet genoeg tijd vindt om te lezen, maar 360 wil steunen in haar voortbestaan.

Plaats een reactie