Composietmaterialen zijn overal, van vliegtuigen tot windturbines. Ze maken onze wereld sterker, lichter en duurzamer. Maar hoe weet je of ze vanbinnen niet aan het breken zijn? Daar hebben we nanokristallen voor.
Vorige zomer, ergens hoog boven het Afrikaanse continent. Ik heb al drie films verslonden vanop het te kleine schermpje voor mij en we zijn nog steeds niet geland. Twaalf uur lang vlieg ik, kilometers hoog en samen met 300 andere passagiers naar Zuid-Afrika. We vertrouwen er blind op dat het vliegtuig ons veilig op locatie zal brengen. En terecht, want bijna alles rondom ons, de romp, de vleugels en zelfs het interieur is gemaakt van koolstofvezelcomposieten, materialen die tegelijkertijd licht, sterk en betrouwbaar zijn.
Of toch, zolang alles goed blijft gaan. Maar hoe weet je dat eigenlijk, als schade zich diep binnen het composiet verstopt? Stel dat er na de landing een technieker per ongeluk een hamer op de vleugel laat vallen, wat gebeurt er dan precies binnenin het composiet?
Eerlijk gezegd, we weten het niet altijd. En net daar wil mijn onderzoek een oplossing voor bieden. Ik ontwikkelde nanokristallen die onthullen wat er zich binnenin het composiet afspeelt. Ze geven inzicht in hoe, waar en waarom het misloopt in composieten. Dat maakt de vliegtuigen, auto’s of windturbines van de toekomst niet alleen duurzamer, maar ook veiliger.
Composieten op consultatie
Onderzoekers doorgronden het gedrag van composieten met CT scans. Net zoals in het ziekenhuis maakt een scanner een foto in 3D door röntgenstralen door het materiaal te sturen. Soms zit het probleem namelijk niet aan de oppervlakte, maar diep vanbinnen. Dat is zo bij patiënten, maar ook bij composieten. Dankzij CT kunnen we barsten, luchtbellen of andere problemen opsporen die we met het blote oog nooit kunnen zien.
Klinkt dat te mooi om waar te zijn? Dat is het jammer genoeg ook. Waar onze botten de röntgenstralen tegenhouden, laten koolstofvezelcomposieten ze bijna volledig passeren. Een CT scan van composieten levert dus een beeld op vol grijstinten waarin alles op elkaar lijkt.
En dat is precies het probleem. We halen pas informatie uit een CT scan als er voldoende contrast is, een verschil in hoe sterk materialen de stralen tegenhouden. Daardoor is het niet alleen lastig om te zien hoe het materiaal vanbinnen is opgebouwd, maar ook om schade op te sporen. Onmogelijk dus om te weten of dat ene vlekje nu een barst is die zal groeien tot een breuk, of juist helemaal onschuldig is.
Hier komen mijn nanokristallen in beeld, en dat mag je letterlijk nemen! Deze deeltjes zijn slechts enkele nanometers groot, miljoenen keer kleiner dan een zandkorrel. Toch houden ze röntgenstralen opvallend goed tegen. De verklaring ligt in de samenstelling. We maken de nanokristallen uit hafnium, een zwaar element. Voor de röntgenstralen vormt hafnium een bijna ondoordringbare muur. Goud zou ook werken, maar dat is te duur. Of misschien kwik? Nee, te giftig. Hafnium biedt de juiste balans: zwaar genoeg voor een duidelijk contrast, en toch veilig en betaalbaar.
Wanneer we deze nanokristallen in composieten verwerken, ontstaat er het nodige contrastverschil. Het binnenste van de composieten is niet langer één tint grijs, maar toont duidelijke verschillen tussen de onderdelen en eventuele schade.
Kleine deeltjes met een grote impact
De nanokristallen verwerken in composietmaterialen bleek makkelijker gezegd dan gedaan. De uitdaging? Nanokristallen klitten makkelijk samen, en dat is een ramp voor CT scans. Dat zorgt voor een ongelijke verdeling van het contrast en kan het composiet zelfs verzwakken, waardoor we de sterkte verkeerd inschatten. Om dit probleem te vermijden, bedekken we het oppervlak van de nanokristallen met een speciale coating.
Je merkt niet dat de nanokristallen er zijn, tot je de CT scanner bovenhaalt
De sleutel tot succes is een coating die zich stevig vasthecht op het nanokristal en tegelijk stabiliteit biedt in het composiet. Het resultaat: nanokristallen die mooi verspreid blijven door het hele composiet, zonder de materiaaleigenschappen aan te tasten. Je merkt het niet dat de nanokristallen er zijn, tot je de CT scanner bovenhaalt.
Met deze aanpak krijgen we eindelijk een duidelijk beeld van het binnenste van de composieten. We kunnen de verschillende onderdelen perfect onderscheiden en zelfs microscopisch kleine scheurtjes detecteren. Dit gedetailleerde inzicht is precies wat we nodig hebben om te begrijpen hoe de composieten zich gedragen.
Gaan we nu elk vliegtuig volproppen met nanokristallen? Gelukkig niet. Het volstaat om in het labo een klein composietstaaltje, slechts enkele millimeters groot, na te maken en dat te scannen. Op basis van enkele staaltjes kunnen we het gedrag van een volledig vliegtuig afleiden. Dat doen we met computermodellen die het hele materiaal digitaal nabouwen volgens de eigenschappen van dat labostaaltje. De modellen kunnen simuleren hoe het composiet zich bijvoorbeeld zal gedragen tijdens turbulentie of bij beschadiging. Moet het vliegtuig aan de kant na de val van de hamer of kan het doorvliegen? We hoeven niet het hele vliegtuig te scannen om dat te weten.
Dankzij de AI-technieken zoals deep learning kunnen modellen steeds beter voorspellen hoe het materiaal zich gedraagt, maar te weinig contrast in de CT scans hield ze tot nu toe tegen. Dankzij de nanokristallen is dat probleem opgelost en kunnen de modellen nu automatisch schade herkennen en verwerken. Het laatste puzzelstukje om van ruwe data naar betrouwbare voorspellingen te gaan is door mijn onderzoek gelegd.
Composieten bouwen mee aan onze toekomst en nanokristallen zorgen dat we hen beter begrijpen, van binnen tot buiten. Een barst in het vliegtuig baart mij dus geen zorgen, ik zet gezellig nog een nieuwe film op. Misschien Cast Away?
Eline Goossens dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2025. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.
