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 Nederland zien.
 

Update vrijdag 29 november 2024: uitgebreid met commentaar van de onderzoekers en enkele foutjes gecorrigeerd.
 

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 Nederland 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, 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 staal gebruikt, een materiaal dat dat eerst ook elastisch, maar daarna – bij grotere 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). Staal is een zogeheten elasto-plastisch materiaal.

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. 

‘Het gaat van clack, clack, clack’, zegt natuurkundige Corentin Coulais van de UvA. ‘Een ouderwetse kreukelzone bezwijkt catastrofaal, zoals we dat noemen.’ Ineens knikt de hele koker in elkaar. ‘In dat geval wordt niet zo veel energie geabsorbeerd door het materiaal. Dat doet ons metamateriaal beter, door laagje voor laagje te bezwijken.’ 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.

‘Voor het inbouwen van een bescherming voor de accupakketten is maar weinig ruimte beschikbaar, maar de laag moet wel veel energie kunnen opnemen bij een botsing’, zegt onderzoeker Bernard Ennis van Tata Steel Nederland.

De verwachting is dat de metamaterialen uitermate geschikt zijn om een beschermende buffer te vormen die de krachten van een botsing wegleidt van de accu. Brandweerlieden zullen het team dankbaar zijn, want accu’s van elektrische auto’s zijn soms lastig te blussen.
 

Startup

Het onderzoeksteam heeft het bijzondere ontwerp niet alleen gepatenteerd, het gaat het werk ook proberen te vermarkten in een nieuw bedrijf. De startup heet ‘Metamaterial Works’ en krijgt Ennis als ceo. Tata Steel heeft geen aandeel in het bedrijf, maar zal wel inhoudelijke ondersteuning bieden. Ennis gaat zijn tijd verdelen over Tata Steel Nederland en de startup. ‘De markt voor het beschermen van accupakketten van elektrische auto’s gaat naar verwachting snel groeien’, zegt Ennis.

Doel van het nieuwe bedrijf is om de opgedane kennis door te ontwikkelen voor andere hightech toepassingen. Overal waar schokken moeten worden opgevangen zou dit metamateriaalmateriaal zijn waarde kunnen hebben, verwacht Ennis. ‘Denk aan vliegtuigen of aan gebouwen in aardbevingsgebieden.’ Mede-oprichter Wenfeng Liu (zie de video hieronder): ‘Die toekomstige toepassingen kunnen variëren van auto’s en lucht- en ruimtevaartuigen op de grootteschaal van meters, tot microscopen en nanolithografie op de micrometerschaal.’

Breuk

Intussen gaan Coulais en zijn mensen verder met de wetenschappelijke benadering van de knikkende metamaterialen. ‘We onderzoeken nu wat er gebeurt als het knikken leidt tot breuk, een nieuwe manier van falen voor ons materiaal.’

Ook valt er aan het materiaal zelf nog genoeg te verbeteren. De herhalende structuur die nu is gebruikt, was het resultaat van gewoon maar wat proberen en kijken hoe dat beviel – trial-and-error. ‘We gaan dat nu systematisch aanpakken, zodat we die vormen kunnen optimaliseren’, zegt Coulais.

Hoewel tot nu toe alleen staal is gebruikt voor de krachtabsorberende metamaterialen, is het principe ook in andere materialen toe te passen. In titanium, of in nylon. ‘Eigenlijk in alle materialen die elasto-plastisch gedrag vertonen. En dat zijn de meeste materialen’, aldus Coulais.
 

Openingsfoto:  Onderzoeker Wenfeng Liu, eerste auteur van de publicatie, toont een van de nieuwe metamaterialen voor en na het stapsgewijs knikken. Foto: Liesbeth Dingemans