Wetenschappers hebben onderzoek gedaan naar discrete verbranding, een vorm van vuur die van de ene brandstofbron naar de andere gaat, met behulp van ijzerpoeder zonder zwaartekracht. Het product dat na verbranding overblijft is ijzeroxide, een materiaal dat geen kooldioxide produceert en eindeloos kan worden gerecycled. Na deze microzwaartekrachtexperimenten werden efficiënte ijzerovens ontwikkeld, waardoor koolstofvrije circulaire energieopslag ontstond. In Nederland is een proeffabriek in gebruik genomen en veel startups onderzoeken deze koolstofvrije brandstof voor fabrieken en industriële processen. Als we in de toekomst kijken, zou deze minerale brandstof ook kunnen worden gebruikt voor duurzame buitenposten op de maan, die mogelijk maanmineralen en ijs zouden gebruiken om minerale poeders voor voortstuwing en water voor consumptie te produceren. Krediet: IJzer+
De onderzoekers gebruikten microzwaartekrachtexperimenten om de discrete verbranding van ijzerpoeder te bestuderen, wat resulteerde in oneindig recyclebare koolstofvrije energieopslag. Dit heeft veelbelovende toepassingen op aarde en voor duurzame buitenposten op de maan in de toekomst.
Alles staat in brand. In de juiste omgeving kunnen alle materialen branden door zuurstof toe te voegen, maar door het juiste mengsel te vinden en voldoende warmte te genereren, branden sommige materialen gemakkelijker dan andere. Onderzoekers die geïnteresseerd waren in meer informatie over een soort vuur genaamd split burn, gebruikten de Microgravity Experiment-faciliteiten van het European Space Agency om onderzoek te doen.
Een team van professor Jeffrey Bergthorson van McGill University in Canada en de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland onderzocht in een reeks paraboolvluchten en sondeerraketten vanuit Zweden het verbranden van ijzerpoeder zonder zwaartekracht. Hun onderzoek was pure natuurkunde, de wetenschappers wilden meer leren over discrete verbranding waarbij vuur niet continu door brandstof brandt maar van de ene brandstofbron naar de andere springt. Dit soort vuur komt van nature zelden voor op aarde, maar een voorbeeld hiervan is een bosbrand waarbij de ene boom volledig brandt en het vuur naar de volgende springt wanneer het heet genoeg wordt om te verbranden.
Deze hypnotiserende video van de vrijstaande brandwond werd opgenomen tijdens een parabolisch vluchtexperiment aan boord van de Falcon-20 van het Canadian National Research Center, dat onderzoekers tot achttien seconden kostbare zwaartekracht biedt. Krediet: Perwaves-team
Door de verbranding van ijzerstof in experimenten met vliegtuigen zonder zwaartekracht en raketvluchten konden de ijzerdeeltjes drijven en discreet ontbranden. Hogesnelheidscamera’s legden de scène vast en stelden onderzoekers in staat het fenomeen beter te begrijpen, wat resulteerde in computermodellen die ideale omstandigheden lieten zien voor het verbranden van brandstof op aarde.
Wist je dat ijzer kan verbranden? De verbranding van het hier getoonde ijzerpoeder vindt rookvrij en koolstofvrij plaats. Credits: TU/e/Solid/Bart van Overbeeke
Aparte verbranding voor duurzame energie
Met het nieuwe inzicht dat mogelijk is gemaakt door microzwaartekrachtonderzoek, is het mogelijk geworden om efficiënte en praktische ijzerverbrandingsovens te bouwen.
Het voordeel van het verbranden van ijzer is te danken aan de chemie. In wezen is brandstofverbranding het proces waarbij een stof wordt omgezet door zuurstofatomen toe te voegen. Dit is de reden waarom op koolstof gebaseerde brandstoffen het broeikasgas koolstofdioxide produceren wanneer twee zuurstofatomen worden toegevoegd aan op koolstof gebaseerde brandstoffen zoals hout, steenkool of olie. Bij ijzer is het product dat overblijft na verbranding ijzeroxide, beter bekend als roest. Er wordt geen kooldioxide geproduceerd en roestig ijzer kan gemakkelijk worden opgevangen omdat het geen gas vormt – en de verbranding van ijzer produceert helemaal geen schadelijke gassen.
IJzerroest kan zelfs worden behandeld om zuurstof te verwijderen en terug te geven als ijzer met behulp van waterstof. Door gebruik te maken van elektriciteit uit duurzame bronnen kan ijzer als brandstof een circulaire energieopslag en oneindig recycleerbaar worden.
In Bodl, nabij Eindhoven, is al een proeffabriek in bedrijf die met ijzer als brandstofbron 1 megawatt stoom kan produceren in een eenheid die in een magazijn is ondergebracht. De uitbreiding van zo’n ijzerhoudende elektriciteitscentrale zou meer stroom kunnen produceren.
Veel startups zijn al op zoek naar deze koolstofvrije brandstof om fabrieken en industriële processen van stroom te voorzien.
Demonstratiefabriek ijzeroven. Krediet: Metallot
Van de ruimte naar de aarde en dan naar de maan
Terwijl ruimteagentschappen zich voorbereiden om duurzame buitenposten op de maan te bouwen, is het leveren van stroom aan astronauten op de maan slechts een van de uitdagingen die moeten worden overwonnen. Minerale brandstoffen kunnen een oplossing zijn. Met behulp van zonne-energie kunnen niet alleen aluminium- en siliciumpoeders worden geproduceerd uit maanmineralen, maar ook waterstof en zuurstof uit maanijs. De waterstof kan vervolgens worden gebruikt om maanstof, dat rijk is aan ijzer en titanium, om te zetten in water en ijzerpoeder. Minerale poeders en zuurstof uit waterijs kunnen worden gebruikt als drijfgas voor raketten of transport over land, en het bijproduct water kan ook als drinkwater worden gebruikt.
Artist’s impression van het verkenningsscenario van de maan. Krediet: ESA-ATG
Dit proces klinkt nu misschien als sciencefiction, maar het gebruik van ijzer als brandstofbron op aarde begon pas tien jaar geleden als een idee. De minerale brandstofgemeenschap strekt zich nu uit tot honderden wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld en is een bakentechnologie voor koolstofneutrale alternatieve brandstoffen. In de niet al te verre toekomst vul je misschien je auto of huis met ijzer!
Mineralen kunnen worden geproduceerd met behulp van schone energie, zoals zonnecellen of windturbines. Elektriciteit wordt opgeslagen als chemische energie in het metaalpoeder met een energiedichtheid die vergelijkbaar is met die van fossiele brandstoffen. Dit heeft het potentieel om de uitstoot van broeikasgassen wereldwijd te verminderen, maar de belemmering voor de implementatie van deze technologie is de ontwikkeling van verbrandingssystemen die efficiënt minerale brandstoffen kunnen verbranden, wat een goed begrip van de verbrandingsfysica vereist. Krediet: ESA – Europees Ruimteagentschap
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”