Betere kreukelzones met metamaterialen
Auto’s met een kreukelzone van speciaal ontworpen metamaterialen zijn beter bestand tegen botsingen. Dat laten onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Tata Steel zien.
De kreukelzone in een auto is het onderdeel dat bij een botsing de meeste energie moet opnemen, zodat de rest van de auto (en de inzittenden) gespaard blijven. De bekendste is vermoedelijk de voorkant van een auto die bij een frontale botsing de grootste klap moet opvangen. Binnenin een auto zitten behalve de carrosserie, ook speciale structuren die fungeren als extra kreukelzone.
Die traditionele metalen kokers krijgen er een concurrent bij. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Tata Steel laten zien dat een nieuw soort materiaal bijzondere eigenschappen heeft. Ze publiceerden erover half oktober in het wetenschappelijke tijdschrift Nature ($). Eerste auteur was promovendus Wenfeng Liu.
Uitgekiend ontwerp
Het gaat om een zogeheten metamateriaal; dat is een door mensen ontworpen materiaal – dat dus niet in de natuur voorkomt – dat dankzij een uitgekiend ontwerp op bepaalde vlakken extra goed presteert.
De onderzoekers ontwierpen een koker van metaal met daarin heel regelmatig steeds een beetje materiaal weggehaald, zodat kleine repeterende structuren ontstaan, die typisch zijn voor een metamateriaal. De eerste proefstukken maakten ze met een 3D-printer, later gebruikten ze ook traditionelere maaktechnieken, meldt een persbericht van de Universiteit van Amsterdam.
Terugschieten
Vaak maken wetenschappers metamaterialen van elastische materialen. Wanneer die vervormen, schieten ze bij loslaten terug naar hun oorspronkelijke vorm. Bij dit Amsterdamse onderzoek werd juist metaal gebruikt, een materiaal dat bij grote belasting plastisch vervormt. Dat wil zeggen: het schiet niet meer terug in zijn oorspronkelijke vorm (denk maar aan een auto na een frontale botsing: de motorkap is totaal verfrommeld).
Stijfheid en buigzaamheid
Het metamateriaal draagt twee tegengestelde eigenschappen in zich: enerzijds stijfheid, waardoor de koker voldoende gewicht kan dragen; en anderzijds buigzaamheid. Dankzij de combinatie van die twee kan de koker plotselinge schokken efficiënt absorberen. Dat doet de metamateriaal-koker dankzij het speciale ontwerp geleidelijk; laag voor laag om precies te zijn. Dat is goed te zien in deze figuur:
Smashzilla
Het persbericht van de UvA geeft inzicht in de testmethoden die de bezoekers hanteerden. Ze stoften bijvoorbeeld een tientallen jaren oude hydraulische breekmachine van de universiteit af. Daarnaast gebruikten ze een nieuw aangeschafte testmachine die enorme krachten kan uitoefenen en om die reden ‘Smashzilla’ was gedoopt. Ten slotte werden de proefstukken getest in een drie verdiepingen tellende industriële valtoren bij Tata Steel Nederland.
Batterijen beschermen
Het onderzoek heeft niet alleen meer inzichten opgeleverd voor de wetenschap, maar Tata Steel ziet er ook een concrete toepassing in. Schokdempers op basis van het metamateriaal lijken geschikt om de batterijen in elektrische auto’s in te kapselen en te beschermen.
Belasting verspreiden
De volgende stap van het onderzoeksteam is om een AI-model in te zetten met als doel de belasting meer te verspreiden, zegt onderzoeker Bernard Ennis van Tata Steel Nederland in een persbericht van dat bedrijf.
‘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.’ Brandweerlieden zullen het team dankbaar zijn voor dit werk, want de accu’s van elektrische auto’s zijn soms lastig te blussen.
Startup
Niet alleen heeft het onderzoeksteam het bijzondere ontwerp gepatenteerd, ze gaan het werk ook proberen te vermarkten in een nieuw bedrijf. Deze startup heet ‘Metamaterial Works’ en krijgt Ennis als ceo. Doel van het nieuwe bedrijf is om de opgedane kennis door te ontwikkelen voor andere hightech toepassingen. Mede-oprichter Wenfeng Liu zegt hierover in het persbericht: ‘Die toekomstige toepassingen kunnen variëren van auto’s en lucht- en ruimtevaartuigen op de grootteschaal van meters, tot microscopen en nanolithografie op de micrometerschaal.’
Er wordt dus nogal wat verwacht van het nieuwe metamateriaal.
We hebben de betrokken onderzoekers nog niet kunnen spreken. Zodra dat is gelukt, wordt dit artikel aangevuld.
Openingsfoto: Onderzoeker Wenfeng Liu, eerste auteur van de publicatie, toont een van de nieuwe metamaterialen voor en na het stapsgewijs knikken. Foto: Liesbeth Dingemans
