Self healing materials

Stel je voor: terwijl het beton nog ronddraait in de mortelwagen, worden een paar kruiwagens met speciale korrels toegevoegd. Vervolgens zal het beton zichzelf repareren als zich na verloop van tijd scheurtjes in het oppervlak vormen. Het lijkt sciencefiction. Maar, zo verzekert de Delftse onderzoeker Henk Jonkers, over een jaar of drie kan het zover zijn. Een laboratoriumversie van dit zelfreparerende Biobeton® bestaat inmiddels al.

Zelfreparerend beton

Al meer dan zes jaar buigt Jonkers zich over het principe van Biobeton. ‘Aan het beton worden bacteriën toegevoegd die voedsel verteren en omzetten in een soort harde kalksteen die gaten in het beton opvult.’ Dat klinkt simpel maar alleen al het vinden van een bacterie die kan leven in een beton was zeer ingewikkeld. ‘Beton is een basisch materiaal met een zeer hoge pH-waarde. Dit basische milieu is voor mensen zelfs giftig.’

Vervolgens ontwikkelde Jonkers een systeem waarbij de bacteriën met voedsel in een korrel worden verwerkt. Deze korrels zijn niet groter dan een zandkorrel. ‘Als deze korrel in aanraking komt met lucht en water barst deze open waarna de bacterie kalksteen produceert en de scheur dicht.’ Voor het opvullen van pekelgaten in wegen of beschadigingen in gevels is het Biobeton niet geschikt. ‘Scheuren tot een halve millimeter kunnen worden opgevuld. Maar juist deze onzichtbare microscheuren zorgen voor betonrot, waardoor een brug kan instorten.’

Biobeton is de helft duurder dan gewoon beton. Toch zijn de extra kosten te verwaarlozen, rekent Jonkers voor. ‘De kosten van beton in een brug of gebouw bedragen slechts twee procent van de totale bouwsom. De totale bouwkosten stijgen dus minder dan 1 procent. Dat bedrag wordt op de inspectiekosten alleen al bespaard. Daarbij wordt de levensduur van een gebouw aanzienlijk verlengd.’ Naast het kant-en-klare Biobeton werkt Jonkers ook aan de ontwikkeling van vloeistof waarmee traditioneel beton kan worden behandeld. ‘Bacteriën zetten zich dan met de vloeistof af in de microscheuren, die ze vervolgens vullen met kalkzand.’

Tu Delft

Biobeton is een van de materialen die zijn ontwikkeld in het onderzoeksprogramma Self Healing Materials waarvoor de TU Delft samenwerkt met internationale bedrijven en universiteiten. Na een startsubsidie van 10 miljoen euro van het ministerie van Economische Zaken en nog eens Europese subsidie van 10 miljoen euro wordt gewerkt aan de ontwikkeling van meer dan veertig zelfreparerende materialen. Het principe van zelfreparerende materialen is al oud, zegt professor Sybrand van der Zwaag, wetenschappelijk directeur van het Delft Centre for Materials. ‘Roestvast staal bijvoorbeeld bestaat deels uit chroom, en dit bestanddeel is erg reactief. Als het roestvaste staal beschadigd raakt, dan reageert chroom met zuurstof uit de lucht. Het resultaat is een dunne laag chroomoxide die verder ondoordringbaar is voor zuurstof, en het onderliggende materiaal beschermt.’

In Delft wordt geëxperimenteerd met diverse materiaalsoorten, zoals staal, polymeren (plastics), stroomgeleidende materialen en keramische materialen. Met Akzo is een speciale coating ontwikkeld die zichzelf herstelt. Van der Zwaag: ‘Het principe is dat materialen uitzetten bij hitte. Een kras in een laklaag, die al wordt gebruikt op duurdere auto’s, zal bij een bepaalde temperatuur dichttrekken.’

De voordelen van deze smart materials zijn legio. ‘Sommige reparaties onder extreme omstandigheden, zoals in diepzee of in spouwmuren, worden nu overbodig. Ook wordt de economische schade van overlast van reparaties of tijdelijke uitval beperkt.’ Wellicht economisch minder urgent maar voor architecten toch relevant is de esthetische meerwaarde van deze materialen. ‘Gebouwen blijven langer mooi, omdat krassen en andere gevelbeschadigingen vanzelf verdwijnen.’

Biomimicry

Een radicalere stap dan het verbeteren van bestaande materialen is het principe van biomimicry, zegt Saskia van den Muijsenberg van het kennisinstituut BiomimicryNL. Hoe zou de natuur dit probleem oplossen – dat is het uitgangspunt van deze nieuwe ontwerpmethodiek. ‘Dus is de vraag niet: hoe kan een geavanceerd beton worden gemaakt? Veel interessanter is: welk natuurlijk materiaal is geschikt om mee te bouwen?’

Volgens Van den Muijsenberg is biomimicry zelfs niets minder dan ‘het duurzame alternatief voor de heat, beat and treat industry’ waarmee de aarde wordt uitgeput. ‘Staal en ook beton worden verwarmd, behandeld en getransporteerd wat een enorme verspilling van materiaal en energie veroorzaakt. Biomimicry is de sleutel naar een duurzamere samenleving. De bioloog moet aanschuiven aan de ontwerptafel.’ BiomimicryNL organiseert lezingen en workshops en adviseert bedrijven en architecten over de integratie van deze nieuwe ontwerpmethode in de dagelijkse praktijk. ‘We merken dat architecten en ingenieurs steeds vaker naar de natuur kijken als een praktisch leermodel.’

Letterlijk vertaald betekent biomimicry: het imiteren van de natuur. ‘De natuur is extreem vindingrijk en veerkrachtig. De afgelopen 4 miljard jaar heeft het ecosysteem antwoorden gevonden op veel problemen waarmee we nu worstelen.’ Neem energiegebrek? ‘De aarde functioneert voor 98 procent op zonne-energie.’ Maar ook bij de ontwikkeling van materialen is de natuur de mens nog steeds een stapje voor. ‘De draden van een spinnenweb zijn in principe een vezel die sterker is dan staal en elastischer dan kevlar (stof voor o.a. kogelvrije vesten). De uitdaging wordt om dit materiaal in extreme volumes te kunnen produceren. Planten, dieren en andere organismen zijn eigenlijk de perfecte ingenieurs.’

Random design

Hoewel de principes erachter duizenden, zelfs miljoenen jaren oud zijn, is de bijbel van biomimicry het boek Biomimicry: Innovation inspired by nature uit 1997 van de Amerikaanse biologe Janine Benyus, die ook het gezaghebbende Biomimicry Institute oprichtte. In haar boek noemt Benyus talloze natuurlijke processen die wetenschappers, ontwerpers en producenten nu nog toepassen. De neus van een Japanse hogesnelheidslijn is gevormd naar de aerodynamische snavel van een ijsvogel. Landbouwirrigatie in de woestijn kan worden ontwikkeld aan de hand van Namibische kevertjes die met hun bek minuscule waterdeeltjes uit lucht kunnen filteren. ‘Uitgangspunt is niet meer zoeken naar wat we uit de natuur kunnen halen, maar juist naar wat we van de natuur kunnen leren.’

Van den Muijsenberg: ‘De producent van vloerbedekking en tapijttegels Interface, het vroegere Heugaveld, heeft een dessin ontworpen dat is gebaseerd op een bos in de herfst. Op de grond liggen dan duizenden bladeren in ontelbaar veel tinten. Als je ergens een handvol bladeren verschuift blijft het nog steeds een prachtig dessin. Deze techniek van random design heeft Interface vervolgens toegepast op hun tegels, die daardoor minder nauwkeurig kunnen worden versneden. Ook kunnen ze bijna willekeurig worden gelegd. Dit levert een aanzienlijke reductie van de materiaalverspilling en arbeidskracht op.’

Maar de natuur hoeft natuurlijk niet tot in het technische detail te worden gekopieerd. Als voorbeeld noemt Van den Muijsenberg een systeem waarbij zonnepanelen als een klimop over muren worden gespannen, een techniek die als Solar Ivy is gepatenteerd door het Amerikaanse bedrijf SMIT. ‘Er kunnen meer panelen op dezelfde oppervlakte worden geplaatst, waardoor het rendement hoger is. Ook kan het aantal panelen heel eenvoudig worden afgestemd op de behoefte. En het oogt nog vrolijker ook.’ Inmiddels in ontwikkeling bij een ander bedrijf zijn zonnecellen gebaseerd op algen, waardoor de panelen biologisch afbreekbaar zijn. ‘Verschillende natuurlijke processen kunnen worden gecombineerd tot compleet nieuwe technieken en producten.’

Productieklaar

Vooralsnog is Biobeton het enige self healing material dat gebruik maakt van levende organismen en dus letterlijk de natuur imiteert. ‘Veel materialen zijn te compact of toxisch voor zelfs de meest primitieve bacteriën om te kunnen overleven.’ Het meest gangbare type voor zelfreparerend materiaal is een polymeer oftewel kunststof waarin korrels zijn verwerkt met een tweecomponenten lijm. ‘Bij beschadiging barst de korrel, komen de twee componenten met elkaar in contact en stollen. Deze techniek is inmiddels productieklaar.’ Maar ook Biobeton zal binnen drie jaar gereed zijn voor commerciële toepassingen’, zegt Van der Zwaag van de TU Delft. ‘Waar het nu alleen nog van afhangt is geld en lef. Het opzetten van de productie van de korrels kost minimaal vijf miljoen euro. Wat we nu nodig hebben is een bedrijf dat dit bedrag durft te investeren!’

Tekst: Jeroen Junte
Fotografie: Agentschap NL