Beter staal door nanotechnologie

Nanotechnologie houdt zich bezig met het zeer kleine. Dat is even iets anders dan de hoogovens van Tata Steel, zou je zeggen. Toch gaat Bart Kooi, leider van de onderzoeksgroep Nanostructured Materials and Interfaces, met de staalgigant in zee.

Je hebt staal en staal. Naast constructiestaal zijn er ook gespecialiseerde producten, zoals staal voor transformatoren voor hoogspanningslijnen. Dat rolt niet zomaar uit een hoogoven. ‘Door het complexe productieproces is staal voor transformatoren een van de duurste staalsoorten’, zegt Bart Kooi. De onderzoeker van het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG houdt zich bezig met materiaalkunde op nanoschaal. En dat is de sleutel tot goed transformatorstaal.

‘Het proces om dit type staal te maken is een soort magie’, vertelt Kooi. Waarmee hij zeggen wil dat staalproducenten weten hoe ze het moeten maken, maar niet begrijpen waarom hun techniek werkt. Ieder bedrijf houdt de eigen productietechniek ook geheim, als het recept voor Coca Cola; de concurrent mag er niet mee aan de haal gaan.

Wat Kooi er wel van kan zeggen is dat het dagen duurt om transformatorstaal te maken. En dat het nodig is om sulfiden en nitriden toe te voegen, zwavel- en stikstofverbindingen. ‘Transformatorstaal of elektrisch staal moet specifieke eigenschappen hebben’, legt Kooi uit. ‘Het magnetisme in de stalen platen moet snel te schakelen zijn, en dat moet zo min mogelijk energie kosten.’

Transformatoren zijn nodig om opgewekte stroom van laag naar hoog voltage te brengen – en weer terug – voor transport. Het stroomverlies is in hoogspanningskabels kleiner dan bij de standaard 220 volt die huishoudens gebruiken. Maar in de transformatoren ontstaat ook verlies. ‘Dat bedraagt ongeveer zeven procent van de opgewekte energie, dus een kleine vermindering van dat verlies heeft al een grote impact.’

Transformatorstaal moet zo uniform mogelijke magnetische eigenschappen hebben. Staal bestaat uit kristallen die normaal willekeurige georiënteerd liggen. Dit is ongunstig voor de magnetische eigenschappen. ‘Staalproducenten weten dat ze door walsen een sterke textuur kunnen krijgen. Maar een probleem is dat het de verkeerde textuur oplevert.’

En daar komt de magie om de hoek kijken. Al decennia geleden is ontdekt dat toevoegen van nanodeeltjes bestaand uit sulfiden (en later ook nitriden) de textuur veranderen kan, en beter transformatorstaal oplevert. Alleen, hoe dat precies werkt is onduidelijk. Kooi: ‘Heel lang was dit niet zo belangrijk, maar de regels rond efficiëntie van transformatoren voor hoogspanning worden steeds verder aangescherpt, een beetje vergelijkbaar met de milieueisen voor auto’s.’ De route naar verbetering via ‘trial and error’ is ongewis, dus zet Tata in op meer begrip. Samen met stichting FOM financieren ze daarom een promovendus in de groep van Kooi, via een onderzoeksprogramma voor High Tech materialen.

‘Die sulfiden en nitriden vormen kleine kristalletjes in het staal, van minder dan 100 nanometer groot’, vertelt Kooi. ‘Op een zeker moment in het proces lossen ze op, en juist dan beginnen de staalkristallen in de voor transformatorstaal meest gunstige oriëntatie ineens snel te groeien. Terwijl ze daarvoor minder dan een duizendste van het materiaal beslaan, gaan ze ineens enorm domineren.’