Kunnen algen vliegtuigen redden?

Santiago Garcia (links) en Paul Denissen gebruiken algen om roestwerende coatings te maken. (Foto: Sam Rentmeester)

Onderzoekers ontwikkelen nieuwe coatings met eencellige algen. Deze moeten corrosie in aluminium vliegtuigonderdelen voorkomen.

En hier zijn onze huisdieren. Het zijn er duizenden.” Promovendus Paul Denissen geeft een rondleiding door het lab van Novel Aerospace Materials, een onderzoeksgroep die zijn naam eer aandoet. De ‘huisdieren’ waar Denissen het over heeft, zijn diatomeeën (of kiezelwieren), een familie van eencellige algen. De promovendus pakt een glazen bakje met troebel zeewater van de vensterbank. Hij en zijn begeleider, universitair hoofddocent Santiago Garcia, gebruiken de algen om een revolutionair nieuw type roestwerende coatings te maken.

‘We constateerden volledige bescherming tegen corrosie, ook na 30 dagen blootstelling.’

Kiezelwieren hebben de unieke eigenschap dat ze zeer geordende holle, poreuze exoskeletten van silica vormen, zogenoemde frustules. Een typische frustule bestaat uit twee symmetrische zijden en vormt een ‘pillendoosstructuur’. Kiezelwieren trekken de laatste tijd veel aandacht in het biomedische vakgebied, vanwege hun beschikbaarheid, hun morfologische kenmerken en hun potentiële toepassing als dragers voor geneesmiddelen.

Maar ze staan niet alleen op medisch terrein in de belangstelling. Bij Novel Aerospace Materials gebruiken de onderzoekers de microalgen als dragers van corrosieremmers. Deze remmers zijn chemische stoffen die bij toevoeging aan een vloeistof of gas de corrosiesnelheid van metalen verminderen.

Kankerverwekkend zout

Een berucht voorbeeld van een corrosieremmer is chroom-6. Dit zout is uiterst effectief, maar ook kankerverwekkend. Vanwege de toxiciteit is chroom-6 in de EU verboden. Er is één uitzondering. Chroom-6 is toegestaan in situaties waarin goede alternatieven ontbreken, zoals bij corrosiepreventie in vliegtuigen. De TU Delft onderzoekt hoe ze de externe skeletten van kiezelwieren kan gebruiken bij de ontwikkeling van een milieuvriendelijk alternatief.

Chroom-6 is een zogeheten actieve corrosieremmer. Wanneer een met chroom-6 behandeld oppervlak beschadigd raakt, bijvoorbeeld door krassen, komen er chroom-6-ionen vrij. Deze vormen vervolgens een dun laagje chroomoxide op het blootgelegde metalen oppervlak, waardoor verdere corrosie wordt voorkomen.

Er zijn alternatieve, milieuvriendelijkere corrosieremmers die eveneens goed in staat zijn een beschermende laag te vormen. Neem bijvoorbeeld de ceriumzouten waarmee de onderzoekers al jaren experimenteren. Deze alternatieve remmers verschillen echter in zoverre van chroom-6 dat ze maar één keer oxideren en de beschermingslaag niet blijvend is. Voor langdurige bescherming is daarom permanente afgifte van deze remmers vereist. En daar verschijnen de diatomeeën ten tonele.

Als je de exoskeletten vult met de alternatieve corrosieremmers en de geladen frustules toevoegt aan de grondverfcoating, voorkomt de pillendoosstructuur de ongewenste chemische reactie tussen remmer en coating, redeneerden de Delftse onderzoekers. Daarbij komt dat de poriën de directe en blijvende afgifte van deze remmers mogelijk maken als de beschermingslagen beschadigd raken en het metaaloppervlak blootgelegd wordt.

De frustules of ‘algenschelpen’ zijn gemakkelijk en tegen geringe kosten te verkrijgen. Je kunt diatomeeën kweken in bioreactoren. Maar je kunt ook grond gebruiken die bestaat uit de fossiele resten van diatomeeën. Diatomeeën uit deze aarde worden vaak gebruikt als filtreermiddel en als mild schuurmiddel in producten en tandpasta. De onderzoekers experimenteren nu met diatomeeënaarde. Een nadeel van dit materiaal is dat de meeste micro-algen in stukjes gebroken zijn en dat complete skeletten niet van dezelfde soort zijn en daardoor niet dezelfde vorm en grootte hebben.

Veelbelovend 

Toch lijken de voorlopige uitkomsten van de experimenten met diatomeeënaarde veelbelovend. De onderzoekers hebben een test uitgevoerd waarbij ze krassen van één millimeter breed op monsters van vliegtuigaluminium hebben aangebracht en die vervolgens hebben behandeld met verschillende experimentele ‘algencoatings’. De monsters zijn daarna blootgesteld aan een zeer corrosieve omgeving. “We constateerden volledige bescherming tegen corrosie, ook na 30 dagen blootstelling. Slechts een paar alternatieve oplossingen komen zo dicht in de buurt van de resultaten die we met chroom-6 behalen”, aldus Denissen.

De volgende stap in het proces wordt de keuze van één specifieke diatomeesoort met de optimale vorm, grootte en nanoporiën, om die te gaan kweken als vervanger van de diatomeeënaardekorrels met hun enorme variëteit in vormen en groottes. “Daarvoor moeten we in het lab een bio-reactor installeren”, vertelt Garcia. “Ook gaan we samenwerken met marien biologen die hier stage lopen.”

Toch zijn er nog veel horden te nemen voordat de diatomeeën definitief zijn opgenomen in coatings. Denissen: “Het ministerie van Defensie eist dat wordt aangetoond dat een alternatieve methode 20 jaar bescherming biedt aan militair materieel, maar er bestaan geen goede manieren om het proces te versnellen en in korte tijd te evalueren en valideren.” Daar komt bij dat veel tests waarmee de werkzaamheid van nieuwe coatingmaterialen wordt beoordeeld, specifiek ontworpen zijn voor chroom-6. “Het is geen gelijk speelveld. Het betekent dat je moet bewijzen dat je alternatieve coating zich net zo gedraagt als chroom-6, niet per se dat hij adequate bescherming biedt.”

Toch wachten vliegtuigbouwers niet langer totdat coatingproducenten het chroom-6 hebben vervangen, maar zijn ze nu ook actief begonnen hun eigen oplossingen te ontwikkelen. De onderzoekers van de TU Delft staan midden in die ontwikkelingen.