Een lichtere autovelg, dankzij het glazen harnas van kiezelwier


Foto: Prof. Gordon T. Taylor, Stony Brook University

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Mensen maken al glas sinds de tijd van de oude Egyptenaren, zo’n 4000 jaar geleden. Kiezelwieren of diatomeeën kijken daar niet van op of om. Zij fabriceren het al meer dan 100 miljoen jaar. Kiezelwieren zijn eencellige algen en onderdeel van het plankton. Ze vormen een zeer gewilde voedselbron voor kleine plankton­eters zoals kreeftjes. Vanwege deze hachelijke positie zijn de diatomeeën al hun hele bestaan in een evolutionaire wapenwedloop verwikkeld met hun ‘vijanden’. Ze ­beschermen zich met een uitwendig skelet – exoskelet – gemaakt van silica ofwel: ze hebben een harnas van glas.

Kiezelwieren zijn mini-groene-planten en hebben zonlicht nodig voor hun fotosynthese. Ze zweven in het water en bewegen mee met de stroming. Ze hebben zelf geen mogelijkheid tot voortbewegen en daarom is het belangrijk dat het exoskelet niet te zwaar is: anders zinkt de diatomee naar de bodem. Als op die plek onvoldoende licht komt, overleeft de microalg dat niet. Het glazen harnas is daarom op een slimme sponsachtige wijze geconstrueerd, zodat het niet ­alleen licht van gewicht is, maar ook uitzonderlijk sterk. Het kan tot het equivalent van 700 ton per vierkante meter dragen zonder te breken.

Dit betekent dat alleen grotere kleine kreeftjes sterk genoeg zijn om de kiezelwieren te eten. Bovendien hebben deze roofdiertjes gespecialiseerd ‘gereedschap’ moeten ontwikkelen om de diatomeeën te kraken, zoals vlijmscherpe met silica bedekte ‘tanden’ die als een drilboor kunnen vibreren. Een beter harnas vraagt in de wapenwedloop tussen prooi en roofdier immers om betere wapens. En dat vraagt weer om een betere bepantsering.

Dat het glazen harnas vruchten afwerpt, is te zien in de extreme algenbloei die in sommige omstandigheden optreedt. Deze wordt gedomineerd door kiezelwieren. Diatomeeën zijn veilig voor de kleinste planktoneters, maar andere onbeschermde soorten microalgen niet.

Kiezelwieren zijn niet de enige eencelligen met een harnas. Ook stralendiertjes (radiolaria) en kalk­algen hebben een beschermend exoskelet. In de wapenwedloop ontwikkelden enerzijds de roofdieren allerlei gerei om de harnassen te breken en evolueerden anderzijds de exoskeletten tot vormen die daar beter tegen bestand zijn. Dit heeft tot een enorme diversiteit aan structuren geleid die als voorbeeld kan dienen voor lichtgewichtconstructies. Hoewel de eencelligen microscopisch klein zijn, laten de vormen zich goed opschalen naar macroscopische objecten.

Onderzoekers in Duitsland hebben deze ‘voor-geoptimaliseerde’ lichtgewichtconstructies geïnventariseerd. Ze ontwikkelden een database met meer dan 90.000 verschillende eencelligen met een exoskelet. De database bevat van elke eencellige een 3D-structuur en informatie over hoe het harnas zich houdt onder standaardbelastingen. Deze catalogus is onderdeel van de werkwijze genaamd ‘Evolutionary Light Shell Engineering’ (ELiSE).

ELiSE wordt toegepast op allerlei gebieden, zoals de fundering van windmolens op zee, wasmachines, scheepsrompen en auto-onderdelen. De gewichtsbesparingen hierbij zijn indrukwekkend en lopen op tot wel 50 procent. De methode leverde zelfs een klein paviljoen op met wanden van slechts 4 millimeter dik dat weer en wind doorstaat.

Ook werd het gewicht van een autovelg met 20 procent gereduceerd. Dit scheelt niet alleen in het brandstofverbruik, maar zorgt ook voor beter wegcontact op oneffen terrein. Als voorbeeld-structuur werd gezocht naar een vorm die op een wiel lijkt en die bovendien luchtdoorlatend is voor koeling van de remschijven.

Uit de database werden de sterke punten van twee verschillende diatomeeën gecombineerd, werden overbodige onderdelen geëlimineerd en het geheel geoptimaliseerd De lichte en fraaie velg sleepte diverse prijzen in de wacht.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Aardolie en aardgas ontstaan door natuurlijke processen waarbij organische resten onder hoge temperaturen en druk veranderden in de fossiele brandstoffen. Een grote bijdrage aan de organische resten is geleverd door miljoenen jaren aan ontelbare hoeveelheden gestorven en naar de zeebodem gezonken diatomeeën. De slogan van de oliemaatschappij van weleer: ‘Stop een tijger in je tank’, was dan ook accurater geweest met iets in de trant van ‘Een tank vol diatomee, daar kom je een heel eind mee’.

De organische resten van kiezelwieren kunnen alleen tot aardolie verworden in zuurstofloze omstandigheden, waardoor er geen ontbinding van het organisch materiaal kan plaatsvinden. Het anorganische silica vergaat echter nagenoeg niet en in zeer vele jaren hebben zich hier dikke lagen sediment mee gevormd. Door de geologische werking van de Aarde zijn diverse van deze lagen drooggevallen en ze worden nu door mensen gewonnen als diatomeeënaarde, oftewel kiezelaarde. Het wordt gebruikt in isolatiemateriaal, filters, absorptiemateriaal en vanwege een mild schurende werking in metaalpoets en tandpasta.

Kiezelaarde heeft zelfs geholpen bij de totstandkoming van de Nobelprijzen. De financiering hiervan komt uit de nalatenschap van Alfred Nobel, die zijn fortuin vergaarde als de uitvinder van het dynamiet . Wil een explosief goed bruikbaar zijn, dan kan het niet te pas en te onpas ontploffen. Nobel ontdekte dat het zeer explosieve nitroglycerine veel stabieler wordt als het door kiezelaarde is geabsorbeerd. Hij vroeg er in 1867 patent op aan en werd mede dankzij de diatomeeën een rijk man.

Van kiezelwieren en hun structuren bestaan vele mooie foto’s zie bijvoorbeeld de fotogalerij van Drexel University of overzichtsfoto’s zoals deze en deze. Ook van stralendiertjes zijn vele mooie foto’s te vinden zoals deze overzichtsfoto.

De Duitse bioloog en illustrator Ernst Haeckel heeft vele schitterende lithografische prenten nagelaten en diverse daarvan tonen kiezelwieren of stralendiertjes.


Foto: Christian Hamm

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 30 oktober 2015

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84