Speciaal staal uit NL beschermt auto’s beter tijdens botsing

Auto's zijn in de loop der jaren honderden kilo's zwaarder geworden. Ingenieurs werken dan ook hard om het gewicht van onze vierwielers te verminderen, zonder in te boeten op efficiëntie en zuinigheid. Bernard Ennis, senioronderzoeker bij Tata Steel, is er daar één van. Hij bedacht samen met een collega het concept van kreukelstaal, dat stijf en elastisch tegelijkertijd is. “Het kan botskrachten veel beter opvangen.”

Sinds 2016 zijn nieuwe auto’s maar liefst 400 kilo zwaarder geworden: van 1553 kilo toen naar 1947 kilo in 2023. Een belangrijke oorzaak is de groei van het aantal hybrides, plug-in hybrides en volledig elektrische auto's. Door hun zware batterijen wegen deze voertuigen aanzienlijk meer dan auto's met enkel een verbrandingsmotor. Onhandig, want auto's ‘met overgewicht’ leiden tot een hoger energieverbruik, grotere slijtage en verhoogde kosten voor zowel productie als gebruik.

Toen Ennis een artikel las over metamaterialen, ervoer hij een eurekamoment. Metamaterialen zijn kunstmatige materialen die door specifieke geometrie eigenschappen krijgen die normale materialen niet bezitten. Ze kunnen tegennatuurlijk reageren. Dus waar een traditionele cel uitzet bij druk, kan een metamateriaal zo worden ontworpen dat het krimpt.

‘Slim’ staal

“Tijdens het lezen van het artikel schoot me ineens een idee te binnen”, steekt hij van wal. “Wat gebeurt er als eigenschappen van metamaterialen worden gecombineerd met staal? Zou dat meer veiligheid kunnen betekenen voor in de kreukelzone van de auto?” De kreukelzone, legt hij uit, is het gedeelte van een auto ontworpen om bij een botsing gecontroleerd in te deuken, zodat de energie tijdens de impact wordt geabsorbeerd. Voor auto’s met een verbrandingsmotor, vangt de motor ook energie op, maar een electromotor heeft veel minder massa, en dus moet de energie bij een botsing anders worden opgevangen.

Zijn nieuwsgierigheid bracht hem in 2017 naar Corentin Coulais, een onderzoeker aan de Universiteit van Amsterdam gespecialiseerd in metamaterialen. Samen bedachten ze een ontwerp voor kreukelstaal, met speciaal gevormde gaten in het materiaal. In feite gaat het om materiaal opgebouwd uit verschillende laagjes.

Veiliger én duurzamer

Het belangrijkste voordeel van kreukelstaal is de verbeterde veiligheid voor inzittenden, omdat het de impact van een botsing veel geleidelijker absorbeert. “We ontdekten dat we met dezelfde massa 20 keer zoveel energie kunnen absorberen, zowel bij lage als hoge snelheid,” zegt de uitvinder. Dus: kreukelstaal kan de kracht van een botsing 20x zo goed opvangen. En dan zijn er nog voordelen wat betreft duurzaamheid. Kreukelstaal is immers een stuk lichter dan regulier staal. “Deze constructies zijn lichter en dus duurzamer.”

Opgetrokken wenkbrauwen

De uitvinder, overtuigd van zijn idee, stuitte de afgelopen jaren op veel opgetrokken wenkbrauwen. “Ik heb veel prototypes gemaakt, maar zat daar dan, bij een staalbedrijf, te werken met rubberen voorwerpen. Veel mensen verklaarden me voor gek; ze zagen de potentie van mijn idee niet.” 

Volhouden, dacht hij. Samen met collega’s voerde hij testen uit op laboratoriumschaal en deed hij simulaties. De volgende stap: het ontwerpen van bescherming voor de accu, een zogenaamde battery box, met behulp van metamaterialen. Stel dat een auto in een botsing terechtkomt, dan bestaat er verhoogd risico op brandgevaar vanwege de accu. “Omdat accu’s onder de passagiers liggen, is er weinig tijd om te evacueren. Bescherming van de accu is dus heel belangrijk.”
En: je wilt idealiter zoveel mogelijk energie opvangen, dan wel verspreiden, over een groot oppervlakte. Dat is precies waar de eigenschappen van metamaterialen in uitblinken.  

Ennis: “De belangrijkste vraag is hoe de prijs van deze innovatie zich verhoudt tot de kosten van huidige materialen en processen. Zodra we daar een antwoord op hebben kan de overgang naar productie plaatsvinden.”

In gesprek met de autoindustrie

Ennis is volop in gesprek met de auto-industrie. Namen kan hij nog niet noemen, “maar denk aan bedrijven die onderdelen leveren aan OEM's (Original Equipment Manufacturers). Tata Steel blijft ook een belangrijke speler in dit project.” 

Uitvinder in hart en nieren

Dat het idee voor kreukelstaal is ontstaan in het hoofd van de Tata Steel-ingenieur is allesbehalve toeval. Ennis is uitvinder in hart en nieren en heeft meerdere patenten op zijn naam staan. Naast het kreukelstaal werkte hij aan een aantal andere innovatieprojecten bij Tata Steel. Eerder werkte hij in Engeland aan vacuum schokbrekers - zekeringen die geschikt zijn voor extreem hoge spanningen - voor Alstom. Ook ontwikkelde hij een nieuw soort schakelaar voor hoge spanning voor fabriekscomplexen en legeringen die beter tegen metaalmoeheid in zeewater kunnen.

Maar het kreukelstaal, dat is toch Ennis' juweeltje met veel potentie. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature. In samenwerking met de UvA-onderzoekers heeft Tata Steel ook een nieuwe startup opgericht: Metamaterial Works. De startup gaat werken aan verschillende toepassingen, van het beschermen van accu’s in elektrische auto’s tot het verbeteren van vangrails en constructies die gebouwen beter bestand maken tegen aardbevingen.

De officiële oprichting van het bedrijf staat voor de zomer dit jaar gepland. Ennis’ belangrijkste boodschap? “Geloof in het beeld dat je voor ogen hebt en zorg ervoor dat je de verbinding behoudt met anderen. Jij ziet allang waarom het werkt, maar dat betekent niet dat anderen dat ook zien. Zoals Cruijff het zei ‘Je gaat het pas zien als je het doorhebt.’ Beter kan ik het niet uitleggen,” besluit de uitvinder met een glimlach.

Deze uitvinder helpt chirurgen héél precies te werken

In de serie Innovatie Maestros belichten we technologieën uit Nederland. Vandaag: een AR-projector voor de operatiekamer.

Lees meer