Meer energie opwekken en tegelijkertijd het brandstofverbruik én de uitstoot terugdringen: een Nederlandse innovatie maakt het mogelijk.

Stel je voor dat we het brandstofverbruik van grote containerschepen, vliegtuigen en zelfs jouw eigen autootje flink zouden terug kunnen dringen door deze simpelweg van een nieuwe coating te voorzien. En met diezelfde coating er ook voor kunnen zorgen dat windmolens veel meer energie leveren. Het klinkt te mooi om waar te zijn. Maar de Nederlandse start-up Qlayers denkt het op korte termijn te kunnen realiseren en laat zich daarbij inspireren door de natuur.

Natuur
“In de natuur is elk oppervlak multifunctioneel,” vertelt Josefien Groot, mede-oprichter en CEO van Qlayers. “Neem bijvoorbeeld de vleugel van een vlinder, deze wordt gekenmerkt door micro-structuren die de vlinder zijn kleur geven. En op de veren van de pinguïn vinden we microstructuren die voorkomen dat de vogel bevriest.” Nog zo’n mooi voorbeeld: het lotusblad dat zichzelf met behulp van microstructuren schoonhoudt. En wat dacht je van de haaienhuid? “Op de huid van één van de oudste dieren op aarde vinden we heel fijne ribbeltjes die de wrijvingsweerstand enorm verminderen.” Het zijn stuk voor stuk prachtige oplossingen die het resultaat zijn van jaren evolutie én wel eens van pas kunnen komen in de strijd tegen één van de grootste problemen van onze tijd: onze niet te verzadigen behoefte aan energie en de daaruit voortkomende klimaatverandering.

Hier zie je de geprinte microstructuur die geïnspireerd is op de haaienhuid. Afbeelding: QLayers.

Qlayers heeft namelijk een technologie ontwikkeld waarmee micro-structuren snel en relatief goedkoop op bestaande oppervlakken kunnen worden geprint. “Op dit moment richten we ons daarbij met name op de microstructuren zoals we die op de huid van de haai vinden.” Net zoals de microstructuren een haai in staat stellen om met relatief weinig energieverbruik hoge snelheden te behalen, kunnen de geprinte microstructuren op het oppervlak van schepen of vliegtuigen een enorm verschil maken. Doordat de schepen of vliegtuigen minder weerstand ondervinden, hebben ze minder energie nodig om zich voort te bewegen en stoten ze dus ook minder CO2 uit. Heel concreet kan het aanbrengen van een haaienhuidstructuur op een groot schip er naar schatting voor zorgen dat het schip op jaarbasis tot wel 8000 ton minder CO2 uit stoot (ter vergelijking: een auto stoot op jaarbasis zo’n 3.36 ton CO2 uit). Terwijl transportmiddelen met de coating energie besparen en hun uitstoot reduceren, kan diezelfde coating er ook voor zorgen dat de bladen van windturbines minder weerstand ondervinden en een 2 MW-windmolen op jaarbasis tot wel 264.000 kWh meer energie kan opwekken.

Hoe werkt het?
“Vliegtuigen, maar bijvoorbeeld ook windturbines zijn altijd bedekt met meerdere coatinglagen,” legt Groot uit. “En wij brengen structuur aan in de toplaag. Eigenlijk brengen we er heel fijne lijntjes in aan. We maken daarvoor gebruik van een geautomatiseerd printsysteem waarmee we de parameters die van invloed zijn op het coatingproces – denk aan luchtvochtigheid, maar ook temperatuur of afstand tussen het oppervlak en de printkop – constant kunnen houden en we een consistente kwaliteit afleveren.” In theorie kan de coating zo op elk oppervlak worden aangebracht. “Hoe groter het oppervlak, hoe groter het effect,” aldus Groot. Vandaar dat het bedrijf de coating met name geschikt acht voor gebruik op grote transportmiddelen, zoals vliegtuigen, containerschepen en hogesnelheidstreinen. Maar ook windturbinebladen zijn bij de coating gebaat, denkt Groot. “De aerodynamica van die bladen heeft een groot effect op de energieproductie. Op dit moment is het onderhoud van die bladen vaak heel slecht. Ze worden manueel – echt nog met een verfrolletje – van een coating voorzien en dat is natuurlijk dramatisch voor de aerodynamica en energie-output.” Wat de aanpak van Qlayers zo uniek maakt, is dat het bedrijf gebruik maakt van een geautomatiseerd printsysteem. “Alleen door te automatiseren kunnen we de energie-output al enorm opkrikken.” Wanneer vervolgens ook nog eens de haaienhuidstructuur wordt toegepast, neemt de energieproductie nog eens flink toe.

Eerdere ontwikkelingen
De weerstand verminderen met behulp van microstructuren: het is geen heel nieuw idee. Naast de natuur hebben verschillende onderzoeksgroepen ermee geëxperimenteerd en het resulteerde onder meer in een zwempak dat dankzij een haaienhuidstructuur minder wrijvingsweerstand ondervond. “Het probleem met dergelijke aanpakken is dat ze niet of lastig opschaalbaar zijn,” vertelt Groot. “Dus je kunt de haaienhuidstructuur dan wel aanbrengen op een zwempak, maar niet op een vliegtuig.” Zonde als je bedenkt dat de coating juist op dat soort grote oppervlakken het verschil maakt. De aanpak van Qlayers is wel opschaalbaar. Naast QLayers werkt ook het Fraunhofer Institute op dit moment aan een methode om microstructuren op grote oppervlakken aan te brengen. “De stempeltechniek van Fraunhofer gebruikt een mal in combinatie met UV-licht om microstructuren aan te brengen op oppervlaktes. Fraunhofer heeft ook al experimenten uitgevoerd op een vliegtuig van Lufthansa. Maar het aanbrengproces is zeer traag en niet geoptimaliseerd voor dubbel gekromde oppervlaktes, die gebruikelijk zijn bij windturbinebladen of vliegtuigen. Onze printtechnologie kan relatief snel microstructuren aanbrengen op dubbel gekromde oppervlaktes en de spacing tussen de lijntjes lokaal aan te passen, zodat deze geoptimaliseerd kan worden voor maximale weerstandsreductie van een complexe vorm zoals de vleugel van een vliegtuig of een windturbineblad.”

Interesse
Het werk van Qlayers wordt met grote interesse vanuit de lucht- en scheepvaart gevolgd. En ook energiebedrijven vinden het boeiend. Maar er moet nog wel wat werk verzet worden alvorens de technologie echt klaar is om vermarkt te worden. “We moeten allereerst nog heel veel testen doen. Zo willen we bijvoorbeeld uitzoeken hoe de coating met daarin de microstructuur zich onder extreme weersomstandigheden houdt. Het liefst zouden we een deel van een vliegtuig coaten en de coating gedurende een jaar te monitoren. En dan daarna het hele vliegtuig coaten om te achterhalen welke impact de coating exact heeft op het energieverbruik en de uitstoot van het vliegtuig,” vertelt Groot. “We hebben dus nog wel een lange weg te gaan, maar binnen een jaar of vijf hopen we toch echt wel klaar te zijn om op grote schaal te gaan coaten.”

Deze artistieke impressie laat zien hoe een robot de coating aanbrengt op de wiek van een windturbine. Afbeelding: QLayers.

Investeerder
De route die Qlayers voor zichzelf heeft uitgestippeld is zeker geen gelopen race. “De grootste uitdaging – en dat geldt denk ik voor alle high tech-start-ups – is het verkrijgen van de middelen die nodig zijn om de technologie in eigen huis door te ontwikkelen en op te schalen. Dat kost vanzelfsprekend geld en op dit moment levert de technologie nog geen geld op. Je hebt dus investeerders nodig.” Inmiddels heeft Qlayers een investeerder gevonden die het mogelijk maakt om het printsysteem – waarvan nu enkel een prototype beschikbaar is – op te schalen. Maar voor het testen van de microstructuren is op dit moment geen budget. “En dat willen we deze winter echt op gaan pakken.” Daarom is besloten om deel te nemen aan de ASN Bank Wereldprijs (zie kader). “Als we zouden winnen, zouden we een fulltime expert kunnen aannemen voor het uitvoeren van testen waarmee we kunnen aantonen dat onze printtechnologie daadwerkelijk microstructuren kan printen waarmee we weerstandsreductie kunnen realiseren.”

De externe borstprothese van Proud Breasts.

De finalisten van de ASN Bank Wereldprijs
Qlayers is één van de finalisten van de ASN Bank Wereldprijs 2018. Naast Qlayers is in de categorie ‘klimaatbescherming’ ook MAKUS genomineerd. Het bedrijf ontwikkelt zo duurzaam mogelijk geproduceerde design inductieplaten die gemaakt worden van organische inkten. Met de inductieplaten wil MAKUS inspelen op het aardgasvrij maken van woningen en mensen aanmoedigen om elektrisch te gaan koken. Naast de categorie ‘klimaatbescherming’ kent de ASN Bank Wereldprijs ook nog de categorieën ‘natuur en milieu’ en ‘mens en samenleving’. In de laatstgenoemde categorie zijn CEMBA en Proud Breast genomineerd. CEMBA produceert comfortabele, milieuvriendelijke matrassen, gemaakt van restafval uit de textielindustrie in Bangladesh. De matrassen komen ten goede aan vluchtelingen in het land. Proud Breast heeft een betaalbare, externe borstprothese voor vrouwen met een geamputeerde borst ontwikkeld die meer draagcomfort biedt dan de huidige silicone prothese en in reguliere lingerie past. In de categorie ‘natuur en milieu’ vinden we de genomineerden Fairf en The Ketchup Project. Fairf ontwikkelt duurzame muurverf met een minimale impact op het milieu. Het belangrijkste ingrediënt van de verf? Sloophout! The Ketchup Project maakt eerlijke ketchup van zongedroogde resttomaten en wil zo voedselverspilling tegengaan en boeren in Kenia beter inkomsten bieden (zie ook het filmpje hieronder).

Enthousiast over deze initiatieven die de wereld een beetje mooier maken? Breng dan snel je stem uit op je favoriet. Dat kan nog tot en met 14 november.

Qlayers timmert ondertussen hard aan de weg. Het ontwikkelen van de haaienhuidstructuur is wat Groot betreft nog maar het begin. Want er liggen nog veel meer leuke plannen te wachten. Wat denk je bijvoorbeeld van een coating die energie opwekt in rioolbuizen? “Ook die technologie hebben we reeds ontwikkeld en zouden we graag op willen schalen,” vertelt Groot enthousiast. Ambities genoeg. Groot hoeft dan ook niet lang na te denken als we haar vragen waar Qlayers over tien jaar staat. “Dan hopen we een groot bedrijf te zijn dat wereldwijd actief is en overal coatingprocessen automatiseert. We maken oppervlakken schoon, voorzien ze van een nieuwe coating en maken de oppervlakken zo multifunctioneel. Zo kunnen we gebouwen een vlinderhuid geven, waardoor ze van kleur kunnen veranderen. Of vliegtuigen aan een antivries-coating helpen.” Maar ook in jouw huis kan het leven dankzij Qlayers wat aangenamer worden. “We kunnen oppervlakken – bijvoorbeeld tafels – van een coating voorzien die ervoor zorgt dat ze zichzelf schoon houden. En dat allemaal volledig geautomatiseerd, met op robots of zelfs drones geinstalleerde printkoppen.” Het is bijna niet voor te stellen dat Moeder Natuur ons dat sterke staaltje innovatie in de schoot heeft geworpen. En toch is het zo. “Met behulp van wetenschap verbeteren we een oplossing die de natuur aandraagt en zo verduurzamen we de wereld.”

Update
Inmiddels zijn de winnaars van de ASN Bank Wereldprijs 2018 bekend! Vier van de zes projecten zijn tot winnaar uitgeroepen. En ook QLayers viel in de prijzen. De start-up heeft 16.000 euro gewonnen en kan daarmee de technologie verder gaan testen. Proud Breast en Fairf wonnen elk 12.000 euro. MAKUS ging er met de publieksprijs en 8632 euro prijzengeld vandoor.