Lang voordat David Hasselhoff aan de slag ging met Baywatch, reed hij in een Pontiac Trans Am in Knight Rider. De show draaide om Michael Knight en zijn kunstmatig intelligente auto, KITT. Het voertuig was een fantasie voor elke tienerjongen met een rijbewijs. Er werd 300 km/uur gereden. Het had een stem die klonk als die van een wijze grootvader. Het was de ultieme droommachine.
Maar hier zit het addertje onder het gras. KITT reed niet op benzine. Het script gaf het een waterstofaangedreven motor. Hierdoor kon Knight slechteriken over het scherm achtervolgen zonder zich zorgen te hoeven maken over de uitstoot.
Snel een paar jaar vooruit. De show stierf. De kijkcijfers kelderden. Maar het idee van waterstof niet. Politici begonnen erover te praten als het wondermiddel. Ze zeiden dat het steenkool en olie zou vervangen. Ze zeiden dat het onze energiecrisis zou oplossen. In 2003 gooide George W. Bush 1,2 miljard dollar in het probleem. Hij wilde dat waterstof de standaardbrandstof voor Amerikanen zou worden.
Op papier is het logisch. Waterstof drijft de zon aan. Het is het meest voorkomende element in het universum. Wij kunnen het van water maken. Het brandt schoon. Geen smog. Geen broeikasgassen.
Dus waarom heeft het het niet overgenomen?
Denk aan roest. Roest vernietigt metaal. Waterstof doet hetzelfde. Het maakt metaal bros. Het vermindert de structurele sterkte. Het vreet aan het frame van een auto, zoals termieten in hout. Als je een voertuig wilt dat niet uit elkaar valt, is waterstof hoofdpijn.
Het probleem met waterstofbrandstofcellen
Het kernprobleem bij waterstofbrandstofceltechnologie is duurzaamheid. Traditionele verbrandingsmotoren zijn zwaar. Ze kunnen goed omgaan met hitte en druk. Waterstofbrandstofcellen zijn anders. Ze werken bij lagere temperaturen, maar worden nog steeds geconfronteerd met materiële uitdagingen.
Metalen componenten verslechteren. Dit is geen klein ongemak. Het is een fundamentele technische barrière. Auto’s moeten lang meegaan. Als de tank corrodeert, werkt de auto niet meer. Dat is de reden waarom de meeste fabrikanten vasthouden aan batterijen of traditioneel gas.
De belofte van waterstof was duidelijk. Schone energie. Onbeperkt aanbod. Geen vervuiling aan de uitlaat. Maar de realiteit is rommelig. De infrastructuur ontbreekt. De opslag is moeilijk. De materialen zijn kieskeurig.
We wachten nog steeds tot de technologie de hype kan inhalen. Tot die tijd blijft KITT een fictie. En echte auto’s blijven op benzine.
De onzichtbare vijand in metaal
We kijken nu naar legeringen met een hoge sterkte. Staal. Op nikkel gebaseerde composieten. Het spul dat ervoor zorgt dat uw chassis stijf blijft en dat uw ophanging niet instort. Waterstofatomen geven niets om je structurele integriteit. Ze glippen er gewoon in.
Wetenschappers weten dit al sinds 1875. Ze begrijpen de natuurkunde nog steeds niet volledig. Wat we weten is dit: waterstof diffundeert. Het verspreidt zich. Vooral als het heet wordt. Eenmaal binnen paren de atomen. Het worden moleculen. Ze verbergen zich in microscopisch kleine scheurtjes in het metalen rooster.
De druk neemt toe. Snel.
De treksterkte neemt af. Dan knapt het metaal. Geen waarschuwing. Geen roest. Gewoon een schone pauze.
Onderzoekers kunnen niet voorspellen waar dit vervolgens zal gebeuren. Computersimulaties laten zien dat dit in realtime gebeurt. De ernst is afhankelijk van het legeringstype en de omgevingstemperatuur. Het is een stille moordenaar van structurele componenten.
“Waterstofverbrossing is de vloek geworden van zaken als vliegdekschepen, slagschepen, vliegtuigen, ruimteschepen en kernreactoren.”
De inzet is altijd hoog geweest. In 1985 werd een Britse soldaat verpletterd. In Amerika gemaakte 155 mm houwitserbouten faalden. Ze hielden het hef- en daalspruitstuk van het pistool vast. De bouten braken onder de spanning van het schieten. Door waterstofverbrossing waren ze te broos om de schokken op te vangen. De soldaat zat eronder vast. Een jaar eerder braken ook de tankbouten van de M1 Abrams. Hetzelfde probleem.
Het is niet alleen militaire hardware. De auto-industrie zweet dit. Met name het waterstofaangedreven segment.
Brandstofcellen en het corrosieprobleem
Waterstofvoertuigen gebruiken brandstofcellen. De chemie is eenvoudig. Waterstof ontmoet zuurstof. Je krijgt warmte. Je krijgt elektriciteit. De enige uitlaatgassen zijn waterdamp. Schoon. Efficiënt.
Maar de infrastructuur vertoont een tekortkoming. Metalen onderdelen zijn kwetsbaar.
Infiltratie begint in de fabriek. Verchromen. Lassen. Frezen. Drukken. Al deze processen introduceren waterstof in de metaalmatrix. Daar stopt het niet. Door met de auto te rijden, wordt het metaal verder verzadigd. Waterstof sijpelt de brandstoftanks binnen. Het vreet kogellagers aan. Het breekt brandstofcelstapels af.
Onderdelen falen zonder waarschuwing.
U denkt aan een brandstofleiding die barst terwijl u 110 km/u op de snelweg rijdt. Of een draagarm die het begeeft. De reparatierekeningen zijn astronomisch. En het risico is dodelijk.
Schrap het concept van de waterstofauto nog niet. Onderzoekers in Duitsland volgen de beweging van atomen. Zij brengen de routes in kaart. Het doel is materialen die bestand zijn tegen verbrossing. Nieuwe legeringen die de waterstof afstoten.
Wetenschappers experimenteren ook met thermische oplossingen. Het voortdurend verwarmen van de gevangen atomen. Door ze in beweging te houden, zodat ze niet bezinken en drukzakken creëren.
Een beter begrip leidt tot betere engineering. Brandstoftanks aan boord die niet verslechteren. Componenten die lang meegaan.
We zijn dicht bij het oplossen van de puzzel. De materiaalkunde haalt de ambitie in.
Wordt de toekomst van de auto-industrie aangedreven door gas?
Waarom komen we steeds weer terug op waterstof? Het is dichte energie. Lichtgewicht. Geen CO2-uitstoot aan de uitlaat. Maar de opslag is lastig. De tanks zijn zwaar. Het metaal blijft falen.
De doorbraak zal niet in de motor zitten. Het zal in de metallurgie zijn.
Als we de verspreiding kunnen stoppen, kunnen we veilig waterstof onder hoge druk gebruiken. We kunnen lichtere auto’s bouwen. Auto’s die verder reizen met één tankbeurt. Geen laadstations nodig. Gewoon een pomp.
De wetenschap gaat snel. Simulaties worden steeds nauwkeuriger. Materiaaltesten worden steeds nauwkeuriger.
We zullen waterstofauto’s zien. Ze zullen er niet uitzien als de prototypes van vandaag. Ze zien eruit als gewone auto’s. Maar onder de motorkap zullen de tanks en leidingen anders zijn. Versterkt. Veerkrachtig.
Tot die tijd kijken we naar de bouten. Wij kijken naar de tanks. We wachten tot het metaal meewerkt.
