Je leest:

Mobiliteit

Mobiliteit

Auteur: | 19 december 2006

Zoemen we in de toekomst allemaal met onze eigen helicoptertjes naar school of werk? Zo mooi zal transport waarschijnlijk nooit worden. De natuur heeft zo zijn grenzen. Eén van die grenzen is de snelheid van het licht. Het is nog nooit gelukt – en waarschijnlijk onmogelijk – om dingen sneller te laten gaan dan het licht. Een reis naar de dichtstbijzijnde ster zal daarom altijd langer dan vier jaar duren. Dat is namelijk de tijd die licht nodig heeft voor het overbruggen van die afstand.

Een andere grens is het verbruik van energie. Er is hoe dan ook energie voor nodig om je op aarde te verplaatsen. Het kan echter wel met veel minder energie dan we nu verbruiken. Een belangrijke inspanning van wetenschappers is het zuiniger maken van auto’s en andere transportmiddelen. Dat kan bijvoorbeeld door aandacht voor de stroomlijn. Er is nog een opvallend groot verschil in luchtweerstand tussen verschillende autotypes. Met enige moeite kan de luchtweerstand van bijvoorbeeld een Renault Twingo nog met dertig procent worden gereduceerd. Dat heeft de milieuorganisatie Greenpeace aangetoond door experts kleine veranderingen in de vorm van deze auto te laten aanbrengen.

Ploeteren door de lucht

Luchtweerstand is de belangrijkste factor voor energiegebruik bij hogere snelheden. De verbetering zit vaak in kleine details. Een spiegeltje dat op een ondoordachte manier uitsteekt, kan zorgen voor een flinke verstoring van het stromingspatroon. Hetzelfde geldt voor ruitenwissers, dakranden en handgrepen.

Dat soort details worden meestal niet in de windtunnel uitgetest. Dat is te duur en kost teveel tijd. Computerberekeningen vormen een alternatief, maar die zijn nog niet precies genoeg om de stromingspatronen tot in alle detail te simuleren. Het wachten is dus op snellere computers en betere software om luchtstromingen te simuleren. Voor beide is nog veel fundamenteel onderzoek nodig.

Groeiende efficientie

Misschien kunnen we ook leren van de geschiedenis. Aan het begin van de twintigste eeuw werd hard gewerkt aan de ontwikkeling van de elektrische auto. Benzinemotoren verspillen veel energie, zo realiseerde men zich toen al. Het is tenslotte een verbrandingsmotor. De hitte die vrijkomt, gaat grotendeels ongebruikt de buitenlucht in. Bovendien wordt energie verspild als de motor niet op vol vermogen draait. Als je rustig op de snelweg rijdt, is maar een deel van het maximale vermogen nodig. De motor wordt dan getemperd door het aanbrengen van extra weerstand. Ook op andere plaatsen in de auto zorgt de weerstand van bijvoorbeeld de versnellingsbak en banden ervoor dat een deel van het vermogen verloren gaat. Gemiddeld wordt zo maar 15 procent van de energie in brandstof omgezet in beweging van de auto

Een elektrische motor doet dat efficiënter. De elektrische auto heeft echter nooit doorgezet. Het is namelijk lastig om voldoende elektriciteit mee te nemen aan boord van de auto. Misschien is het nog wel zo handig om elektriciteit op te wekken aan boord van de auto. Je hebt de accu’s in dat geval alleen nodig als een extra voorziening, voor de momenten dat er extra veel energie nodig is. Mini-elektriciteitscentrales staan daarom volop in de belangstelling.

Brandstofcellen

Elektriciteit opwekken kan bijvoorbeeld met brandstofcellen. Binnenin dergelijke cellen reageren brandstoffen met elkaar, waarbij elektriciteit vrijkomt. Als brandstof kan bijvoorbeeld waterstof worden gebruikt. Er zijn ook types in ontwikkeling die aardgas gebruiken of gewone benzine.

Dit experimentele systeem wekt uit aardgas en zuurstof energie op, zonder dat er verbranding bij aan te pas komt. Er ontstaan dus geen afvalgassen. Bron: Siemens

Brandstofcellen zetten zo’n zestig procent van de energie in de brandstof om in elektriciteit, veel meer dan in een gewone centrale. Brandstofcellen zijn aanzienlijk schoner dan een gewone centrale, omdat er minder kooldioxide vrijkomt. Teveel kooldioxide in de atmosfeer veroorzaakt het broeikaseffect. Een brandstofcel heeft bovendien geen bewegende delen en is fluisterstil. Kortom, het is een ideale combinatie met een elektromotor.

Autofabrikanten als Mercedes en Opel hebben al prototypes van zulke auto’s rondrijden. Er is in die auto’s echter weinig zitruimte over. Brandstofcellen zijn nogal omvangrijk en daardoor ook duur. Vandaar dat in veel laboratoria nieuwe materialen worden uitgeprobeerd om de cellen kleiner en goedkoper te maken.

Of het wat wordt met brandstofcellen in auto’s weet niemand. Misschien gaan we allemaal met een superzonnecel op het autodak rijden. Dan moeten er wel revolutionair nieuwe materialen worden gevonden voor zonnecellen. Als je de huidige cellen op een autodak zou monteren, zou je er hoogstens de airconditioning mee kunnen voeden.

Zo bedenken wetenschappers van alles om de auto te verbeteren. Wie naar een auto-museum gaat, kan zien hoe dat de hele twintigste eeuw is doorgegaan. Er staan zalen vol prachtige prototypes die het nooit gehaald hebben. Maar veel is wel al gemeengoed geworden.

Energie uit asfalt

Misschien is het straks niet de auto die op zonne-energie loopt, maar de weg zelf. Als je op een zonnige dag je hand op het asfalt legt, voel je hoe heet de weg is. Het asfalt kan makkelijk 60 graden Celsius worden. Op een bewolkte dag is een wegdek van 40 graden Celsius heel gewoon. De donkere kleur absorbeert gemakkelijk de zonnewarmte (vergelijk maar eens de witte en zwarte delen van een zebrapad). Ingenieurs van Rijkswaterstaat hebben samen met het ingenieursbureau Arcadis bedacht dat je deze warmte gemakkelijk kunt gebruiken als je onder het wegdek buisjes aanlegt. Water dat door die buisjes stroomt, wordt vanzelf warm en kan de huizen in de omgeving verwarmen. Proeven met zulke buisjes onder het wegdek van de Haringvlietsluizen lieten zien dat dit een uitstekend idee is. Drie vierkante meter asfalt blijkt evenveel energie te leveren als één vierkante meter zonnecollector.

Dat opent veel mogelijkheden, want er ligt nogal wat asfalt in Nederland. Op die manier kun je met alle Nederlandse wegen bij elkaar meer energie opwekken dan de auto’s gebruiken. Er is echter één probleem. De energie komt vrij in een vorm die niet zo bruikbaar is. Het water dat in het wegdek opwarmt, bereikt een temperatuur van zo’n 30 graden Celsius. Daarmee kun je een huis verwarmen dat naast de weg staat. Als je het water verder moet transporteren, koelt het teveel af om nog bruikbaar te zijn.

Energie opwaarderen

Het is dus de kunst om zo slim mogelijk met het lauwe water om te gaan. Dat is het punt waar natuurkundig onderzoek kan helpen. Er zijn namelijk verschillende trucs om lauw water om te zetten in heet water, zonder dat er veel extra energie nodig is. Dat kan met een warmtepomp. Deze verdeelt een grote stroom lauw water in twee kleinere stromen water, één koude en één hete. Dat hete water kan beter worden gebruikt dan het lauwe. Warmtepompen die voor dit doel worden gemaakt, zijn echter nog kostbaar. Vandaar dat veel onderzoek wordt gedaan naar verbetering van de werking van de warmtepompen en het gebruik van andere materialen.

Toch maar met de trein

Of er in de toekomst nog veel wegen zullen liggen, weten we niet. Tenslotte heeft de trein oudere rechten. In de tweede helft van de negentiende eeuw werd de Nederlandse infrastructuur bepaald door de spoorwegen. Op kruisingen van sporen ontstonden industriesteden, zoals in Twente. Die oude trein is aan een opmerkelijke come back bezig. In Frankrijk gaan op sommige afstanden al meer mensen met de trein dan met de auto. De oude techniek is vernieuwd met snelle elektromotoren, stroomlijn en regeltechniek. En het einde is nog niet in zicht. Er worden nog steeds veelbelovende verbeteringen bedacht.

Zo kan een trein sneller rijden als het onderstel een beetje zweeft boven de rails. Er is dan weinig wrijving, waardoor de trein sneller kan optrekken en een hogere snelheid bereikt. Er zijn al treinen gebouwd die zweven dankzij sterke magneten aan de onderzijde. Daarvoor zijn sterke elektromagneten gebruikt, die veel energie gebruiken. Door dat grote energiegebruik is het nu nog niet aantrekkelijk om zweeftreinen te maken. Wetenschappers werken echter aan verbetering van de magneettechniek. Er worden flinke vorderingen gemaakt met nieuwe supergeleidende materialen, die bijzondere elektrische eigenschappen hebben.

Toen deze materialen in 1986 werden ontdekt, werd direct al gespeculeerd op toepassing als zuinige magneten voor supersnelle treinen. Natuurlijk beseften natuurkundigen toen dat het nog tientallen jaren zou duren, voordat het zover was. Maar voor een wetenschap die al duizenden jaren bezig is de grenzen van het kennen en kunnen te verleggen, is dat nabije toekomst.

Sneller dan het licht zal het nooit worden, maar de grenzen van de natuur zijn nog lang niet bereikt. Wat nu in laboratoria wordt uitgedacht, kan leiden tot beter transport. Eén ding hebben wetenschappers echter niet in de hand: de behoefte aan transport. Misschien is het nog wel zo leuk om op vijf minuten wandelen van je werk te wonen.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 december 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.