100% bio-sourced thermoset composieten getest op ruimte

Inschakelen en ondersteuning

08/02/2022
19 keer bekeken
0 houdt van

Door de combinatie van hoge sterkte met een laag gewicht, corrosiebestendig en vormbaar in bijna elke vorm, zijn composietmaterialen een belangrijk ingrediënt van het moderne leven: ze worden overal gebruikt, van luchtvaart tot civiele techniek, sportuitrusting tot tandheelkunde – en ook een essentieel onderdeel van ruimtemissies. Maar ze hebben een aantal minder wenselijke aspecten: ze zijn gemaakt van aardolieproducten, ze zijn niet-hernieuwbaar van aard en ook niet-recyclebaar. Daarom werkt ESA samen met de universiteit van Côte D’Azur aan een nieuw soort composieten van ruimtekwaliteit, gemaakt van volledig duurzame bronnen.

Europa’s Vega-draagraket is grotendeels gemaakt van composietmaterialen

Zoals hun naam al doet vermoeden, zijn composieten gemaakt van twee of meer afzonderlijke materialen, gecombineerd om een ​​optimale combinatie van fysieke kenmerken te verkrijgen. ‘Thermoset’ composieten behoren tot de meest robuuste voorbeelden. Ze zijn gemaakt van harsen die worden gemengd met vezels of vulstoffen voor extra sterkte – dezelfde benadering als het toevoegen van stalen stapels beton om gewapend beton te maken – die vervolgens worden ‘uitgehard’ door verwarming, druk of chemische reacties om ze te laten stollen.

Alternatieven verkennen

“Het probleem met de klassieke thermohardende harsen die we gebruiken om composieten van ruimtekwaliteit te maken, is dat ze op aardolie zijn gebaseerd, dus per definitie komen ze uit een niet-hernieuwbare bron”, legt ESA-materiaalingenieur Ugo Lafont uit. “Dus we kwamen op het idee om alternatieven te onderzoeken – zouden we biomassa kunnen gebruiken als een nieuwe bron van moleculen voor deze harsen, door dezelfde soort chemische processen te benutten?

Biobased expoxy testen

“En als we het over biomassa hebben, bedoelen we niet het telen van nieuwe gewassen speciaal voor dit doel, maar eerder het goedkoop en efficiënt hergebruiken van bestaand biobased materiaal, namelijk gebruikte plantaardige olie, houtafval en oceanische algen.”

Het idee kwam uit discussie met professor Alice Mija van het Nice Institute of Chemistry (ICN) aan de Côte D’Azur Universiteit in Frankrijk.

“Het is een zeer ambitieus en uitdagend project – om 100% biogebaseerde thermohardende harsen voor de ruimte te produceren – dat gebruik maakt van veel verschillende chemische, technische en industriële expertises”, zegt ze.

“Uiteraard is de wens naar meer duurzaamheid door het gebruik van aardolieproducten te vermijden een belangrijke drijfveer achter dit werk. Naast een van de belangrijkste chemicaliën die worden gebruikt voor de productie van thermoharders, wordt bisfenol-A momenteel aan beperkingen onderworpen door de registratie, evaluatie, autorisatie en beperking van chemische stoffen van de Europese Unie, REACH, vanwege de hormoonveranderende en mutagene eigenschappen. Het is al verboden voor voedselverpakkingsproducten en in de toekomst zullen er nog meer beperkingen komen.”

Ontwikkeling van composieten

De samenwerking neemt de vorm aan van een gedeeltelijk gesponsord doctoraat en nu postdoctoraal onderzoek, ondersteund door ESA’s Open Space Innovation Platform, waarbij veelbelovende nieuwe ideeën voor onderzoek uit de academische wereld, de industrie en het grote publiek worden gezocht.

Extreme uitdagingen van de ruimte

Postdoctoraal onderzoeker Roxana Dinu voegt toe: “We hebben ons op de ruimte gericht, want als we materialen kunnen ontwerpen die bestand zijn tegen alle eigenaardige factoren van de orbitale omgeving – zoals extreme temperaturen en straling, evenals aanhoudend hard vacuüm dat ongewenste ‘ontgassing’ aanmoedigt van dampen – dan moeten ze ook geschikt zijn voor een zeer breed scala aan toepassingen op aarde, zoals de lucht- en ruimtevaart, de maritieme sector en de bouwsector.”

Tot nu toe zijn er talloze 100% biobased monomeren gesynthetiseerd door Prof. Mija’s groep op laboratoriumschaal, waarna hun formuleringen in bruikbare harsen werden bestudeerd en geoptimaliseerd. De kwalificatietests voor de ruimte worden momenteel uitgevoerd door gebruik te maken van de gespecialiseerde faciliteiten van het project in het ESA’s technische centrum ESTEC in Nederland en Thales Alenia Space in Cannes, een naaste buur van de ICN-Cote D’Azur University.

ESTEC, het technische hart van ESA

Opschalen – en helemaal natuurlijk gaan

De volgende stap in dit driejarige project is om de composieten op grotere demonstratieschaal te produceren en vervolgens met bedrijven te praten over industriële productie.

Ugo voegt toe: “Een belangrijk aspect van het project is dat we bestaande industriële processen willen aanpassen voor de productie van deze nieuwe thermoharders, we willen niet het wiel opnieuw moeten uitvinden.”

Het project onderzoekt ook het idee om natuurlijke materialen te gebruiken voor de andere composietingrediënten, wat resulteert in 100% biobased composieten. “Conventionele koolstofvezels zijn niet recyclebaar, dus we onderzoeken het gebruik van natuurlijke alternatieven, zoals plantaardige vezels zoals vlas of hennep, voor bepaalde toepassingen.”

Staal van koolstofvezelcomposiet met biogebaseerde epoxy

De 3 V’s: hergebruik, recyclen, repareren

Het grote nadeel van de huidige thermohardende composieten is dat ze niet kunnen worden gesmolten, hervormd of opgelost, en dus niet recyclebaar zijn. Het weggooien ervan kan een uitdaging zijn, waarbij ze mogelijk tot poeder vermalen kunnen worden – terwijl vanaf 2025 de verwijdering van composiet windturbinebladen op Europese stortplaatsen zal worden verboden.

Het project onderzoekt het potentieel van composieten die in staat zijn om de ‘3 V’s’ te bereiken – hergebruik, recycling en reparatie.

prof. Mija zegt: “100% biogebaseerde composieten zijn ook niet inherent recyclebaar – het komt neer op de chemische formulering die wordt gebruikt om ze te maken, maar we onderzoeken actief de mogelijkheden voor hergebruik. We hebben een niet-toxische en gemakkelijk te bereiden oplossing gebruikt om plantaardige vezels terug te winnen en de 100% biogebaseerde hars te recyclen, die vervolgens werd gebruikt voor de productie van een tweede generatie composieten. De industrie staat te springen om recyclingoplossingen, dus het potentieel hier is enorm.”

Leave a Comment