Tata Steel draagt dagelijks bij aan de groene transitie waar we als land midden in zitten. Op meerdere manieren. Door staal te leveren, geproduceerd met meer schroot en minder CO-2 uitstoot. Middels energie efficiëntie in alle staalproductie-processen. Door sterker staal te leveren waardoor er ook minder staal nodig is hetgeen tot minder brandstofverbruik leidt. Door slim staal te leveren wat het aantal ‘total losses’ vermindert en inzittenden optimaal beschermt. Door specifiek staal te ontwikkelen voor batterijbehuizingen en batterijcellen voor een veilige, langere levensduur. En voor de verpakkingsindustrie maken we hoogwaardig blikstaal, waardoor ingeblikt voedsel veel langer houdbaar is, hetgeen tot minder voedselverspilling leidt.

Minder staal, even sterk

In dit rijtje noemen we nog geen windmolens. Waarom niet? Omdat windmolens gemaakt zijn van zeer dik staal. Tata Steel Nederland is gespecialiseerd in hoogkwalitatief dunner staal, staal op de rol. Platgewalst. Staal wat in onze auto’s, wasmachines en voedselblikken zit. Windmolens worden gemaakt van dik staal, van 4 tot 10 centimeter dikke platen, die tot ringen zijn gelast en vervolgens gestapeld worden. Daar komt nu mogelijk verandering in want een team van onderzoekers van Tata Steel Nederland verkent samen met onder andere de TU Delft mogelijkheden om met dunner staal en andere staalconstructies even sterke windmolens te bouwen, een nieuwe stap in windmolenbouw. R&D directeur Hans van der Weijde van Tata Steel Nederland licht toe: “Denk aan windmolenopbouw met (verstijfde) panelen of met spiraalachtige staalconstructies of met dubbelwandige vlakken. Bij dit onderzoek zijn verschillende partijen uit de industrie betrokken, want wat technisch wordt bedacht moet uiteraard ook werken in de praktijk.” 

De nieuw te bouwen windmolens worden ontwikkeld door een industrieel consortium, geleid door Tata Steel Nederland en de TU Delft. Dr. Milan Veljkovic, hoogleraar Steel and Composite Structures duidt: “De dubbele wand van de windmolens vereist specifieke innovatieve techniek om de verbinding van de verschillende segmenten te kunnen realiseren. Met deze nieuwe constructie willen we zowel duurzaamheid als het concurrerend vermogen van de windturbines verbeteren.” 

Innovatie voor meer langere levensduur

Naast vermindering van staal en dus vergroening van windmolens, beoogt dit onderzoek ook de verlenging van de levensduur. De huidige generatie windmolens gaat zo’n 15 tot 20 jaar mee. Met deze nieuwe ontwikkeldoelen wordt meer dan 30 jaar nagestreefd. Daarnaast moet deze nieuwe generatie, nog duurzamere, windmolens geschikt zijn voor zowel op land als op zee. Met de geplande groenstaalinvesteringen in IJmuiden, stelt Tata Steel zich mede ten doel een belangrijke bijdrage te leveren aan het maken van groene energie met windmolens vervaardigd uit groen staal.

De onderzoekers van Tata Steel en het ‘Institute of Physics’ van de UvA toonden de superieure schokabsorptie van hun metamateriaal-ontwerpen aan met veel crashtests. Hiervoor werd de industriële valtoren met drie verdiepingen van Tata Steel ingezet. Tata Steel Nederland-onderzoeker dr. ir. Bernard Ennis: “We kunnen nu met zekerheid stellen dat de door ons ontwikkelde nieuwe metamaterialen fungeren als unieke schokdemper. De volgende stap is om met een AI model de belasting meer uit te spreiden. Daarmee kunnen we bijvoorbeeld de behuizing van auto- accu’s zo fabriceren dat de accu bij een botsing onbeschadigd blijft omdat de krachten worden weggeleid van de accu. Maar dit is pas het begin. Met de inzet van deze nieuw ontwikkelde metamaterialen zijn veel levensreddende toepassingen mogelijk, denk aan de inzet ervan voor vangrails of het aardbevingsbestendig maken van gebouwen.”

Wat zijn metamaterialen?

Metamaterialen zijn materialen waarvan de structuur is veranderd waardoor ze andere materiaaleigenschappen krijgen dan ze van nature hebben. Neem als voorbeeld staal, staal is doorgaans stijf of flexibel. Door de structuur van staal te veranderen, krijgt het andere staaleigenschappen en kan de flexibiliteit naar wens worden beïnvloed. Het staal wordt als het ware ‘slim, intelligent’. De onderzoekers van Tata Steel Nederland en de Universiteit van Amsterdam hebben samen een nieuw metamateriaal ontwikkeld dat efficiënt en herhaaldelijk schokken kan opvangen. Bovendien kan dit metamateriaal meer kracht opvangen met een kleiner volume, waardoor het lichter en dus duurzamer is.

Nieuwe startup: ‘Metamaterial Works’

Het onderzoek gaat in startup ‘Metamaterial Works’ verder met de doorontwikkeling van de nieuwe, gepatenteerde techniek. Bernard Ennis wordt CEO van deze startup welke als doel heeft om de opgedane kennis in voor veel meer hightech toepassingen door te ontwikkelen. Mede onderzoeker en -oprichter Wenfeng Liu hierover: “Toekomstige toepassingen variëren van auto’s en lucht- en ruimtevaartuigen op de grootteschaal van meters, tot microscopen en nanolithografie op de schaal van micrometers.”    

Publicatie in Nature 

De onderzoeksresultaten zijn ondertussen gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijk magazine ‘Nature’. 

Wenfeng Liu, Shahram Janbaz, David Dykstra, Bernard Ennis en Corentin Coulais,  Harnessing plasticity in sequential metamaterials for ideal shock absorption. Nature 634, 842–847 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08037-0

‘As we speak’ wordt er staal in het ISS onderzocht. Het betreft staal dat kan worden ingezet voor elektromotoren. De kwaliteit van dit staal bepaalt voor een groot deel de efficiëntie van motoren in bijvoorbeeld elektrische auto’s. Dat draagt dus direct bij aan de energietransitie. Dit soort staalsoorten heeft een complexe structuur die deels ontstaat bij het gieten. De opgedane kennis in deze experiment wordt ingezet in het gietproces ter voorkoming van fouten en ter realisatie van beter staal voor deze toepassing.

Samenwerking ESA en Tata Steel Nederland

Het spreekt zeer tot de verbeelding; staal dat in de ruimte wordt gesmolten en vervolgens weer afkoelt en stolt in een ‘high tech’ gemonitord proces. In deze coproductie levert Tata Steel Nederland specifiek geprepareerde staalmonsters en kennis aan. ESA is verantwoordelijk voor de uitvoer van het wetenschappelijke experiment. De kennis die voorkomt uit de verschillende onderzoeken is voor iedereen beschikbaar. Materiaaldeskundige Wim Sillekens is vanuit ESTEC/ESA betrokken bij het ruimte- staalproject en stelt: “Voor de wetenschap heeft al het materiaalkundig onderzoek binnen het ‘Space for Science’ programma al geresulteerd in meer dan 1.600 publicaties, waaronder ook een aantal wetenschappelijke artikelen samen met Tata Steel.”

Waarom staalonderzoek in de ruimte?

Die vraag stellen we aan de Argentijns-Nederlandse wetenschapper Dr. Begona Santillana. Zij is werkzaam op de afdeling ‘Research & Development’ van Tata Steel en onderzoekt de stolling van staal. Dr. Santillana is initiator en manager van dit staalonderzoek in de ruimte en duidt de toegevoegde waarde ervan: “Al het staal waarmee je omgeven bent, is ooit vloeibaar geweest. En precies in dat proces van vloeibaar naar gestold staal kan er veel mis gaan. De stolling van vloeibaar staal op zeer hoge temperaturen, circa 1500 graden Celsius, wordt beïnvloed door mechanische, thermodynamische en thermo-fysische eigenschappen. In het lab onderzoeken we al deze eigenschappen maar de staalmonsters die daartoe worden ingezet zijn ook onderhevig aan de zwaartekracht. In de ruimte hebben we daar geen last van, hetgeen leidt tot zuiverder data.

Hoe werkt het?

Door TSN voorbewerkte staalbolletjes van minder dan 10 gram worden op aarde in een batch met andere samples in een soort carrousel geplaatst en deze wordt per raket naar het ISS getransporteerd. Daar wordt de carrousel  in de dubbelwandige ‘Electro-Magnetic Levitator’ (EML) geplaatst. In de EML worden de staalbolletjes vervolgens in een aantal cycli gesmolten en weer gestold. Dat gebeurt als de astronauten slapen om foutmetingen als gevolg van beweging te voorkomen. Het proces wordt gemonitord en de data gaan ‘realtime’ naar het ‘Microgravity User Support Center’, een ondersteuningscentrum van ISS in Keulen, voor onder meer data-verzameling. Bij terugkomst op aarde gaan de staalmonsters naar Tata Steel Nederland en de universiteit van Warwick in het Verenigd Koninkrijk voor verder onderzoek.

Energiebesparing en verduurzaming door staalonderzoek in de ruimte

Voor toepassingen van staal is het voorkomen van fouten in het proces cruciaal en daarvoor is gepreciseerde kennis van stoltemperatuur en andere thermo-fysische eigenschappen belangrijk. Dr. Santillana: ”Door de verkregen kennis uit dit wetenschappelijk onderzoek kunnen we de productie van staal efficiënter realiseren. Bovendien kunnen we verschillende staalsoorten dankzij de opgedane kennis met minder procesproblemen produceren. Indirect leidt dit tot energiebesparing en een beter product.“ Wim Sillekens (ESA) vult aan: “In onze samenwerking met Tata Steel Nederland hebben we veel kennis verworven over staaleigenschappen met een nauwkeurigheid die op geen enkele andere manier te meten is. Veel van de materialen die in de EML worden onderzocht hebben een relatie met verduurzaming; naast het staal zijn dit bijvoorbeeld hard-magnetische materialen en halfgeleidermaterialen, voor toepassingen in windturbines en zonnepanelen. Deze materialen zijn kritisch voor de groene transitie en zelfs kleine verbeteringen in prestatie zijn op wereldschaal van zeer grote waarde.”

*Foto: ESA