Pogingen om grotere windturbines te bouwen die in staat zijn om meer energie uit de lucht te halen, worden gedwarsboomd door het gewicht van de bladen. Een onderzoeker van de Case Western Reserve University (VS) heeft een prototype van een turbineblad gebouwd dat aanzienlijk lichter, duurzamer en acht keer stijver is dan normaal gebruikte materialen.
Marcio Loos, oud-onderzoeker bij de afdeling Macromolecular Science and Engineering, werkt samen met collega’s van de Case Western Reserve en onderzoekers van Bayer MaterialScience in Pittsburgh. Zij vergelijken de eigenschappen van nieuwe materialen met die van de huidige die worden gebruikt in de bladproductie van windmolens.
In zijn eentje ging Loos weekends naar het lab en bouwde ’s werelds eerste polyurethaan blad versterkt met koolstof nanobuisjes. Hij wilde er zeker van zijn dat de composiet die het best zou scoren in tests, in de juiste vorm gegoten kon worden met behoud van de eigenschappen. Met behulp van een klein prototype blad als een sjabloon, produceerde hij een blad van ongeveer 74 cm dat aanzienlijk lichter en stijver is dan tot nu toe gangbaar was. Volgens Loos is het idee achter dit alles om sterkere en lichtere materialen voor de productie van bladen te vinden zodat er grotere rotoren gebruikt kunnen worden. De energieopbrengst van een windmolen is in de praktijk namelijk evenredig met het oppervlak van de rotor.
De energieopbrengst is evenredig met het oppervlak van de rotor
Met het oog op de verwachte expansie in de markt voor windenergie, moeten windturbines een groter aandeel in de energieproductie veroveren. Het bouwen van grotere bladen is niet de oplossing. Hoe zwaarder de bladen, hoe meer wind nodig is om de rotor te laten draaien. Dat betekent dat minder energie kan worden opgenomen. Grotere bladen verbuigen ook meer in de wind waardoor ze de optimale vorm verliezen voor het vangen van lucht waardoor de effieciëncy nog verder naar beneden gaat. Lichtere en stijvere schoepen zorgen dus voor maximaal energieproductie.
“Resultaten van de mechanische testen voor de met koolstof nanobuisjes versterkt polyurethaan tonen aan dat dit materiaal de nu gebruikte materialen voor windbladen overtreft”, aldus Ica Manas-Zloczower, hoogleraar macromoleculaire wetenschappen en techniek in de Case School of Engineering. Loos is werkzaam in het Manas-Zloczower lab, waar zij en Scheikundige Technologie professor Donald L. Feke als adviseurs bij het project betrokken zijn.
De onderzoekers vonden uit dat koolstof nanobuisjes lichter per volume-eenheid zijn dan koolstofvezel en aluminium, en meer dan vijf maal de treksterkte van koolstofvezel en meer dan 60 keer de sterkte van aluminium had. Uit vermoeidheidtesten bleek dat de versterkte polyurethaan composiet ongeveer acht keer langer meegaat dan epoxy versterkt met glasvezel.
Het nieuwe materiaal scoorde ook ongeveer acht keer beter in delaminering breuktests. De prestaties in elke test was zelfs nog beter in vergelijking met vinyl ester versterkt met glasvezel, een ander materiaal dat wordt gebruikt om bladen te maken.
Loos en de rest van het team blijven voorlopig bij elkaar om te testen wat de optimale omstandigheden voor verdeling van nanobuisjes zijn en wat de beste verdeling binnen het polyurethaan zullen zijn.
