Uitgelichte publicaties November 2024

Iedere maand publiceert de FSE Science Newsroom een aantal korte berichten over actuele wetenschappelijke publicaties vanuit de faculteit. Hieronder lees je de uitgelichte publicaties van afgelopen maand.

Milieuvriendelijke technologie voor de productie van vloeibare waterstof

Als we waterstof willen gaan gebruiken als brandstof voor auto’s of vliegtuigen, of voor de chemische opslag van duurzame energie, is vloeibare waterstof het meest efficiënt. Maar hiervoor moet de waterstof tot -253°C of 20°K worden afgekoeld en dit kost heel veel energie met conventionele koeltechnieken.

Een team wetenschappers onder leiding van Graeme Blake, universitair docent Anorganische Chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen, heeft onderzoek gedaan naar een energiezuinigere koelingsmethode: magnetocalorische koeling. Bij deze methode worden materialen gebruikt die warm worden als ze aan een magnetisch veld worden blootgesteld. Deze warmte wordt vervolgens overgedragen aan een ‘warmteopnemer’, waarna het materiaal (en de omgeving) kouder zijn zodra het magnetisch veld wordt verwijderd. De methode verbruikt niet alleen minder energie, maar maakt ook koelgassen, die een aanzienlijk broeikaseffect hebben, overbodig.

Blake gebruikte magnetocalorische koeling om een temperatuur van 20°K te bereiken, koud genoeg om waterstof vloeibaar te maken. Dit was al eerder gedaan, maar alleen met materialen die zeldzame aardmetalen bevatten. Het winnen van deze metalen kost veel energie en kan milieuproblemen met zich mee brengen. Wat zo revolutionair is aan het materiaal van Blake is dat het deze metalen niet bevat: ‘Ons materiaal, of een toekomstige variant ervan, zou waarschijnlijk de kosten van deze koeltechnologie verlagen en de milieu-impact ervan verminderen.’

Referentie: J.J.B. Levinsky, B. Beckmann, T. Gottschall, D. Koch, M. Ahmadi, O. Gutfleisch & G.R. Blake: Giant magnetocaloric effect in a rare-earth-free layered coordination polymer at liquid hydrogen temperatures, Nature Communications. 4 november 2024

Microbiologen sluiten zich aan bij de strijd tegen klimaatverandering

Micro-organismen, zoals bacteriën of algen, kunnen een schat aan mogelijke oplossingen bieden om de gevolgen van klimaatverandering te beperken: ze kunnen worden gebruikt om CO2 op te vangen en op te slaan, bijvoorbeeld in de grond en in oceanen, of ze kunnen het krachtige broeikasgas methaan afbreken. Ze kunnen ook worden gebruikt om biobrandstof te produceren, verontreinigende stoffen af te breken of ecosystemen sterker te maken.

Achttien microbiologen, waaronder hoogleraar Joana Falcao Salles van de Rijksuniversiteit Groningen, hebben een redactioneel artikel geschreven waarin ze uitleggen hoe micro-organismen oplossingen kunnen bieden voor problemen die het gevolg zijn van klimaatverandering. Het artikel is in veertien verschillende wetenschappelijke tijdschriften gepubliceerd en is een oproep tot actie van genootschappen en instellingen op het gebied van microbiologie en wordt gesteund door redacteuren en uitgevers. 

‘De belangrijkste boodschap van ons artikel is dat micro-organismen oplossingen kunnen bieden die ons kunnen helpen om klimaatverandering tegen te gaan,’ aldus Falcao Salles. In het artikel wordt uitgelegd dat micro-organismen een centrale maar vaak vergeten rol spelen in klimaatregulering. Daarom stellen de auteurs de oprichting voor van een wereldwijde, op wetenschap gebaseerde klimaattaskforce waarin microbiële ecologen van wetenschappelijke genootschappen en instellingen bijdragen aan de ontwikkeling en implementatie van microbiologische oplossingen op basis van ecologische kennis.

‘Het schrijven van dit artikel heeft al tot een aantal belangrijke discussies geleid,’ zegt Falcao Salles. ‘De volgende stappen zijn om deze discussie voort te zetten tijdens de klimaatconferentie in Brazilië volgend jaar en om ervoor te zorgen dat microbiële ecologen in het IPCC worden opgenomen.’

Referentie: Raquel Peixoto et al. Microbial solutions must be deployed against climate catastrophe Nature Microbiology (and 13 other journals), 11 november 2024

Robot vliegt als een vogel

Heb je je ooit afgevraagd waarom een vliegtuig een verticaal kielvlak of staartvlak heeft? Dat heeft het vliegtuig nodig om zich te stabiliseren tijdens het vliegen. Omdat vliegen zonder kielvlak veel minder energie kost, is de luchtvaartindustrie al geruime tijd bezig om dit mogelijk te maken, tot zover zonder succes. Maar vogels hebben geen kielvlak nodig. Hoe doen zij het dan? 

David Lentink, hoogleraar Biomimetica aan de Rijksuniversiteit Groningen, heeft een robotvogel ontwikkeld met echte duivenveren om te laten zien hoe vogels zich stabiliseren. In eerder onderzoek heeft hij ontdekt dat vogels de vorm van hun vleugels en staart voortdurend aanpassen. In zijn meest recente artikel laat hij zien dat zijn duifachtige robot deze bewegingen kan repliceren.

Zuinige vliegtuigen

Een algoritme stuurt negen servomotoren aan die de veren bewegen zodat de vorm van de vleugels en de staart voortdurend verandert. Het algoritme simuleert reflexen waarvan wordt gedacht dat vogels ze gebruiken om zich te stabiliseren. In 1929 opperde de Duitse wetenschapper Franz Groebbels dat vogels op deze manier kunnen vliegen als ‘automatische vliegtuigen’. Bijna een eeuw later bevestigt de robotvogel ‘PigeonBot II’ dit idee na een succesvolle test in een windtunnel en een zelfstandige vlucht in de open lucht.

Lentink heeft niet alleen aangetoond hoe vogels zonder kielvlak kunnen vliegen, maar ook de weg bereid voor het ontwerp van zuinigere vliegtuigen: ‘De Europese Airbus Group heeft een concept gecreëerd dat visualiseert hoe een dergelijk vliegtuig eruit zou zien. Ons onderzoek biedt de kennis om hun ideeën te realiseren.’ Bovendien vermindert het nieuwe ontwerpconcept de radarsignatuur van een vliegtuig, wat de werking van straaljagers kan verbeteren.

Referentie: Eric Chang, Diana D. Chin, David Lentink: Bird-inspired reflexive morphing enables rudderless flight. Science Robotics, 20 november 2024.

Wat kwam eerst, leven of evolutie?

Darwiniaanse regels werken ook bij levenloze moleculen

We weten dat Darwiniaanse evolutie effect heeft op alle levensvormen. Maar is er ook een effect op levenloos materiaal? In een artikel dat op 29 november is gepubliceerd in Nature Chemistry laat RUG-hoogleraar Systeemchemie Sijbren Otto zien dat ook in een eenvoudig systeem met moleculen de belangrijkste principes van Darwiniaanse evolutie, zoals survival of the fittest, een rol kunnen spelen.

Otto en zijn team gebruikten hiervoor drie verschillende soorten moleculen die zichzelf vermenigvuldigen. Onder de juiste condities kunnen ze groeien én zichzelf delen. Wanneer de omstandigheden zo gekozen zijn dat ze met elkaar concurreren, bijvoorbeeld omdat ze allemaal dezelfde chemische bouwsteen nodig hebben voor hun groei, zal slechts één ervan uiteindelijk overblijven. Dit is een voorbeeld van survival of the fittest. Maar wanneer ze verschillende bouwstenen nodig hebben kunnen de drie soorten moleculen allemaal overleven, en samen bestaan. Dit is vergelijkbaar met verschillende soorten die samenleven, elk in een eigen ecologische niche.

Deze resultaten laten zien dat de principes van Darwiniaanse evolutie ook gelden voor niet-levende systemen, wat er op wijst dat evolutie bestond voor er leven was. De volgende stap is om uit te zoeken wat evolutie allemaal kan bewerkstelligen in niet-levend materiaal. Otto: ‘Dit onderzoek werpt een nieuw licht op hoe leven kan zijn ontstaan uit niet-levende materialen. En het is een belangrijke stap in het maken van nieuwe vormen van leven in het lab.’

Referentie: Marcel J. Eleveld, Yannick Geiger, Juntian Wu, Armin Kiani, Gaël Schaeffer & Sijbren Otto: Competitive exclusion among self-replicating molecules curtails the tendency of chemistry to diversify. Nature Chemistry. 29 november 2024.