Je kunt een windmolentje in je tuin zetten als je zelf stroom wilt opwekken. Of zonnepanelen op je dak. Maar als het aan de Zwitserse onderzoeksgroep van de Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt en de ETH Zürich ligt, loop je gewoon wat heen en weer over je parketvloer. Je kunt namelijk dankzij het zogenoemde piëzo-elektrisch effect, door het vervormen van vaste stoffen elektriciteit opwekken. Je moet wel dat hout een speciale behandeling geven.
De Zwitserse onderzoekers hebben onder leiding van Ingo Burgert herhaaldelijk aangetoond dat hout meer is dan alleen maar een bouwmateriaal of brandhout. Ze ontwikkelden geheel nieuwe toepassingsgebieden, zoals hout met een hoge sterkte, met waterafstotende eigenschappen of magnetiseerbaar hout.
In het laatste onderzoeksproject, dat het team samen met de Empa-onderzoeksgroep onder leiding van Francis Schwarze en Javier Ribera heeft uitgevoerd, lag de nadruk op een eenvoudige, milieuvriendelijke methode om elektrische spanning op te wekken met behulp van een soort houten spons.
Stijve houtstructuur oplossen
Piëzo-elektriciteit is niets nieuws. Dit verschijnsel werd tot dusver vooral gebruikt in de meettechniek. Bijvoorbeeld bij sensoren die een signaal afgeven bij mechanische belasting. Deze sensoren werken echter vaak met stoffen als loodzirkonaattitanaat (PZT). Ze zijn daarom niet geschikt voor gebruik in de biogeneeskunde. Lood is niet geschikt voor gebruik op de huid.
Dat ligt helemaal anders bij het natuurlijke piëzo-elektrische effect van hout. Het zou zelfs gebruikt voor duurzame energieopwekking. Hout moet daarvoor echter eerst de juiste eigenschappen bezitten.
Houtcelwanden bestaan uit drie basisstoffen: Lignine, hemicelluloses en cellulose. “Een boom heeft de lignine vooral nodig om te kunnen groeien,” legt Burgert uit. “Zonder lignine als stabiliserende stof zou dit niet mogelijk zijn.”
Om hout om te zetten in een gemakkelijk vormbaar materiaal, moet de lignine ten minste gedeeltelijk worden opgelost door het in een mengsel van waterstofperoxide en azijnzuur te leggen. De lignine wordt vervolgens verder opgelost in het zuurbad. Wat overblijft is een witte houten spons die bestaat uit dunne laagjes cellulose. Deze kunnen gemakkelijk worden samengedrukt, waarna ze weer uitzetten tot hun oorspronkelijke vorm. Burgert: “We maken gebruik van de bestaande structuur van het hout. We gaan niet, zoals bij de papierproductie het geval is, alles eerst oplossen om vervolgens de vezels weer aan elkaar te moeten krijgen.”
Parketvloer
De testkubus met een zijlengte van ongeveer 1,5 cm onderging ongeveer 600 belastingscycli. Tijdens het proces vertoonde het materiaal een “verbazingwekkende stabiliteit”. De onderzoekers hebben bij elke belasting een spanning van ongeveer 0,63 V gemeten. Dat zou genoeg zijn om sensoren van stroom te voorzien. Bij verdere experimenten toonden de onderzoekers aan dat 30 van dergelijke houten blokken, wanneer zij parallel met het lichaamsgewicht van een volwassene werden belast, al een simpel LCD-scherm konden doen oplichten.
Als je het proces verder optimaliseert, kun je een parketvloer ontwikkelen die loop-energie omzet in elektriciteit. De wetenschappers testten ook de geschiktheid als drukgevoelige sensor op de menselijke huid. Zo konden zij aantonen dat een toepassing op medisch gebied ook mogelijk zou zijn.
Duurzamer proces
Voor de toekomst willen de onderzoekers echter nog een stap verder gaan. Zij willen het proces verduurzamen zodat er geen agressieve chemicaliën meer nodig zijn. Zij vonden een geschikte kandidaat in de natuur: de schimmel Ganoderma applanatum. Deze veroorzaakt witrot in hout.
“De schimmel breekt de lignine en hemicellulose in het hout af,” zegt Empa-onderzoeker Javier Ribera. Bovendien kan het proces gemakkelijk in het laboratorium worden gecontroleerd. Het zal nog wel even duren voordat het “piëzo”-hout in de praktijk kan worden gebruikt als sensor of stroomopwekkende parketvloer. De wetenschappers werken echter al aan verder onderzoek en zijn in gesprek met mogelijke samenwerkingspartners. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift “Science Advances”.
Foto: Al met geringe druk kun je elektrische spanning opwekken in de houtspons. Foto: © ACS Nano / Empa
Ook interessant:
Slim hout kan het bouwmateriaal van de toekomst worden
Vervanging aardolie door olie uit hout economisch haalbaar
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
