Slimme materialen maken zelfreparerende steden mogelijk

Slimme materialen kunnen de wijze waarop wij omgaan met infrastructuur ingrijpend veranderen. Onderzoekers werken aan zelfhelende materialen die in staat zijn schade die zij oplopen automatisch te detecteren en deze schade zonder tussenkomst van de mens kunnen repareren. Niet alleen zijn dergelijk zelfhelende materialen erg praktisch, ook kunnen zij veel tijd en geld besparen.

In de Westerse wereld is een enorme hoeveelheid infrastructuur aanwezig. Deze infrastructuur slijt en moet worden onderhouden om deze in goede staat te houden. Dit proces is niet alleen tijdrovend en kostbaar, maar kan ook veel overlast veroorzaken. Denk bijvoorbeeld aan een snelweg die door ontstane (vorst)schade enige tijd voor reparatie gesloten moet worden, maar ook aan een scheur in een wand van een tunnel die hierdoor buiten gebruik moet worden gesteld. 

Zelfhelende materialen

Hoogleraar Mark Miodownik van de University College London (UCL) wijst erop dat veel objecten vandaag de dag simpelweg worden vervangen zodra zij mankementen voorkomen, aangezien reparatie te complex is. Infrastructuur wordt momenteel nog wel gerepareerd, maar ook dit proces wordt volgens Miodownik steeds moeilijker en duurder. Sommige mensen pleiten daarom ervoor materialen minder complex te maken, zodat zij eenvoudiger kunnen worden gerepareerd en minder snel vervangen hoeven worden. 

Miodownik is echter geen voorstander van deze aanpak en wil materialen juist veel complexer maken, zodat zij in staat zijn opgelopen schade zelfstandig te detecteren en deze schade autonoom kunnen verhelpen. De UCL werkt samen met de Universiteit van Leeds aan dergelijke zelfhelende materialen, waarvoor het project ‘Self-Repairing Cities’ is opgezet.

Scheurtjes in vliegtuigrompen automatisch repareren

In een artikel dat Miodownik op FT.com heeft gepubliceerd worden verschillende voorbeelden genoemd van dergelijke zelfreparerende materialen. Zo wijst Miodownik erop dat de luchtvaartsector al langer werkt aan zelfhelende materialen om microscopische scheurtjes in de romp van vliegtuigen automatisch te laten repareren. Dit vergroot niet alleen de veiligheid van vliegtuigen, maar verlengt ook de levensduur van het vliegtuig en verlaagt hiermee de kosten.

De luchtvaartsector maakt hierbij gebruik van een techniek die geïnspireerd op het stollingsmechanisme van het menselijk lichaam. In het materiaal worden microcapsules verwerkt die een vloeibare hars bevatten. Indien een scheur ontstaat in het materiaal, scheuren deze microcapsules open en komt de vloeibare hars vrij. Deze hars komt in contact met de vezels van het composietmateriaal en wordt door een katalysator geactiveerd, waardoor het materiaal uithardt en de barst wordt gerepareerd.

Wat heeft het Self-Repairing Cities project tot nu toe bereikt?

In een deze week vrijgegeven rapport over het Self-Repairing Cities project zetten de universiteiten de voortgang van het project uiteen. Hierbij worden verschillende successen van het project besproken. Het gaat hierbij onder andere om de ontwikkeling van: 

• een inspectierobot voor leidingen die autonoom in leidingen met een diameter van zo’n 2,5 centimeter kan opereren. De robot wordt draadloos opgeladen, waardoor deze langere tijd in leidingen actief kan zijn;
• een drone die met behulp van een geïntegreerde 3D-printer die met behulp van polymeer scheuren en gaten in wegen kan verhelpen. Daarnaast kan de 3D-printer een vorm van asfalt printen die volgens de onderzoekers beter presteert dan traditioneel asfalt;
• een dronesysteem dat de bewegingen van vrachtwagens op bouwplaatsen kan monitoren en coördineren;
• een drone die autonoom kan landen op een straatlantaarn en onderhoudswerkzaamheden kan uitvoeren met behulp van een robotarm;
• een proef om de ecologische impact van robots op hun natuurlijke omgeving in kaart te brengen;
• een simulatie hoe eenvoudige en goedkope ‘wegwerprobots’ kunnen worden ingezet om slijtage aan wegen te detecteren. Het systeem wordt aangestuurd met behulp van een beheersysteem dat is gebaseerd op de hersenen van nematoden (wormen). Gedetecteerde schade kan vervolgens door de eerder genoemde drone met ingebouwde 3D-printer worden gerepareerd.
   

Meer informatie over het project is te vinden op de website selfrepairingcities.com en in het voortgangsrapport dat de Universiteit van Leeds en de UCL hebben vrijgegeven. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Universiteit van Leeds
Bron: University College London
Bron: Self-Repairing Cities project
Bron foto: Pixabay / Kasman