Nederlands onderzoek behoort tot de wereldtop. Daarom laat KIJK-redacteur Laurien Onderwater je in deze rubriek elke maand kennismaken met een wetenschapper van eigen bodem. Deze keer: Jeroen van Oijen werkt aan een nieuw type verbrandingsmotor.

Wie ben je?

“Ik ben Jeroen van Oijen, 48 jaar, en woon met mijn vrouw en drie kinderen in Drunen. Aan de TU Eindhoven heb ik technische natuurkunde gestudeerd en daarna ben ik gaan promoveren in de werktuigbouwkunde. Zo ben ik uiteindelijk beland in de chemisch reagerende stromingen en verbrandingen, die een belangrijke rol spelen in energiesystemen zoals motoren.”

Wat doe je?

“Ik doe onderzoek naar het schoner en zuiniger maken van verbrandingsprocessen. Zo werk ik met collega’s aan een nieuw type verbrandingsmotor: de Argon Power Cycle. Die maakt geen gebruik van lucht, maar van het edelgas argon. Waar lucht bestaat uit twee-atomische moleculen, stikstof en zuurstof, heeft argon slechts één atoom. Dat heeft enkele voordelen. Als je lucht samenperst, zoals gebeurt in een verbrandingsmotor, kost dat energie. Die energie wordt voor een deel omgezet in bewegingsenergie – snelheid – van de moleculen, wat leidt tot een stijging van warmte en druk. De rest gaat echter zitten in het trillen en rondom elkaar draaien van de atomen in een molecuul. Die energie kan dus niet worden gebruikt om de zuiger weer weg te duwen.”

“Doordat een argonmolecuul uit slechts één atoom bestaat, wordt alle toegevoerde energie omgezet in druk in de zuiger. Dat is veel efficiënter. Ter vergelijking: de huidige, zuinige brandstofmotoren zetten 50 procent van de warmte die vrijkomt bij het verbrandingsproces om in bewegingsenergie. Met argon kun je dat opschroeven naar 80 procent. Als je dan ook nog eens waterstof als brandstof gebruikt in plaats van benzine of diesel, heb je niet alleen een veel zuinigere verbrandingsmotor, maar ook een emissievrije. Een groot voordeel van argon is bovendien dat het niet reageert met andere gassen en dus niet opraakt. Als je het edelgas in een gesloten systeem brengt, waarbij het argon wordt teruggeleid naar de inlaat van de motor, kun je het steeds opnieuw gebruiken.”

Lees ook van Onderwater Ondervraagt:

• ‘Een op de vijf Nederlanders is bang voor naalden’
• ‘Werkelijk alles aan de anammox-bacterie is anders’

Hoe doe je dat?

“In het lab bestuderen we hoe we de verbranding in de motor op gang kunnen krijgen. Daar hebben we argon, waterstof en zuurstof voor nodig. Zuurstof zit wel in de lucht, maar niet in argon en dus moeten we die apart injecteren. Wat we nu willen weten, is wanneer en in welke volgorde we alle ‘ingrediënten’ samenbrengen in de verbrandingsruimte van de motor – en hoe die reactie de zuiger zo efficiënt mogelijk een zet geeft. Dat luistert heel nauw, want je kunt bijvoorbeeld niet waterstof, zuurstof en argon mengen en dat mengsel dan onder hoge druk brengen. Die drie reactanten worden samen te heet voordat je het mengsel überhaupt onder druk hebt kunnen zetten. Ik vergelijk dat altijd met het duwen van een schommel: dat moet precies op het juiste moment gebeuren om de meeste vaart te creëren. Dat geldt dus ook voor de zuiger in de verbrandingsmotor. De opties bestuderen we in een drukcel, waarbij we condities kunnen creëren die lijken op die in een verbrandingsmotor. We stellen de temperatuur en druk in en spuiten vervolgens argon in de drukcel. We hebben nog geen complete argonmotor in ons lab staan, maar we werken nauw samen met een Amerikaans team dat er wel een heeft.”

Waarom doe je dat?

“Ik vind verbrandingsreacties heel uitdagend en interessant, en dan vooral het schoner en zuiniger maken van die processen. Daarnaast voelt het goed om zo mijn steentje bij te dragen aan een duurzamere samenleving. Verder denk ik dat onderzoek naar waterstof als bovenbrandstof heel hard nodig is. We zullen in de toekomst grootschalige energieopslag nodig hebben die met duurzame bronnen is geproduceerd. Als we straks al onze stroom opwekken met wind- en zonne-energie, moeten we ook een overschot eraan opslaan. Dan kun je er vrij eenvoudig waterstof mee maken. Die kun je weer omzetten in elektriciteit als je die nodig hebt, bijvoorbeeld om een verbrandingsmotor mee aan te drijven. Nu gebeurt dat nog met brandstofcellen die bestaan uit dure, niet-recyclebare materialen. Een argonmotor bestaat voornamelijk uit metaal en dat kun je ook recyclen.”

Welke uitdagingen zijn er nog?

“Nog heel uitdagend is hoe we argon, zuurstof en waterstof mengen. De meest veelbelovende manier lijkt eerst het argon en de zuurstof samen te persen en daarna pas de waterstof te injecteren. Daarmee voorkomen we te vroege ontbranding. Het lastige hieraan is het injecteren van de ultralichte waterstof in een samengeperst gas. Daarnaast verloopt het verbrandingsproces in een argonmotor op een hogere temperatuur en onder een hogere druk dan in een dieselmotor. De vraag is wat dat doet met de levensduur van de motor.”

Wat hebben wij aan deze studie?

“De argonmotor verbruikt bijna de helft minder brandstof dan een gewone motor en stoot geen stikstof uit. En dat is geen overbodige luxe met de huidige brandstofprijzen en stikstofcrisis. Bovendien is de argonmotor heel geschikt voor waterstof, wat mij betreft de brandstof van de toekomst. De verbranding van waterstof verloopt alleen heel anders dan die van traditionelere brandstoffen, dus daar moet nog veel onderzoek naar worden gedaan. En daar draag ik aan bij.”

Deze aflevering van Onderwater Ondervraagt staat ook in KIJK 3/2022.

Beeld: Bart van Overbeeke/TUE