Auto's zijn straks uit te deuken met ketel warm water; Demagie van geheugenmetaal

Dieter Stockel, marketing-manager van het Californische bedrijf Raychem, had als goochelaar geen gek figuur geslagen. Maar wat de Westduitser in zijn werkkamer in Menlo Park laat zien is dan ook bijna pure magie. Uit een koffertje vist hij een veertje van nikkel-titaan dat aanvoelt als soldeerdraad. Hij rekt het enkele centimeters uit en houdt het boven de vlam van zijn aansteker. Onmiddellijk neemt het veertje zijn oorspronkelijke vorm weer aan. Maar nu voelt het plotseling hard aan. Wat Stockel demonstreert is vormgeheugenmetaal. Vormgeheugenmetalen zijn nog erg duur, maar worden steeds vaker toegepast. De markt voor de legeringen groeit op dit moment met zo'n 30 procent per jaar. Vormgeheugenmetalen komen voor in twee kristalvormen (austeniet en martensiet) en kunnen reversibel van de ene in de andere structuur overgaan. Ze danken die eigenschap aan hun speciale legering en een voorafgaande (eenmalige) behandeling met veel hitte of mechanisch geweld. Is die gelukt dan is een overgangstemperatuur vastgelegd waarboven de legering (tamelijk gewone) austenitische kristallen bezit en waaronder de eigenaardige martensitische structuur optreedt. De ligging van de overgangstemperatuur bepaalt de toepassing.

Vormgeheugen metalen zijn interessant door de bijzondere eigenschappen van het martensiet dat onder meer een uitzonderlijk grote rek en vervorming toestaat: super- of pseudo-elasticiteit. Daarnaast vertonen de vormgeheugen metalen geheugen-achtige verschijnselen op het moment dat ze, onder verwarming, de overgangstemperatuur passeren en weer in austeniet overgaan (en daarbij de onder hitte vastgelegde oervorm weer aannemen). Als martensiet opgerekt metaal zal onder verwarming tot austeniet krimpen.

Het fenomeen vormgeheugen is al lang bekend. Chinese onderzoekers ontdekten het in 1932 in goud-cadmium, in 1953 werd het ook opgemerkt in nikkel-titaan dat voor onderzeeboten werd gebruikt. In 1962 vroeg de Amerikaanse onderneming Naval Ordnance Laboratory octrooi aan voor het nikkel-titaan-geheugenmetaal Nitinol. Kort daarna zag Raychem (dat tot dan toe voornamelijk in plastics grossierde) commerciele mogelijkheden voor geheugenmetaal. Het bedrijf ontwikkelde in 1967 twee metaallegeringen, Bettaloy en Tinel, waarvan ook nu nog koppelingen, connectors, sluiters en veren worden gemaakt. 'In het begin werden de meeste toepassingen door ons bedacht, 'zegt Stockel. 'Nu worden we bijna dagelijks benaderd voor toepassingen die we met de beste wil van de wereld niet zelf hadden kunnen bedenken. Het heeft ook wel even geduurd voordat de industrie begreep wat geheugenmetaal eigenlijk was. Het is immers niet gebruikelijk dat metalen door verhitting krimpen of sterker worden.' Geheugenmetalen worden vooral veel gebruikt voor het koppelen van pijpen of assen. Een vormgeheugen mof die, goed gekoeld, als martensiet is opgerekt (en dan nauw over de pijpeinden past) krimpt onder verwarming en bijt zich dan stevig vast. De koppeling kan het tijdrovende lassen vervangen. Een nadeel is dat de koppelingen meestal sterk gekoeld moeten worden getransporteerd. Volgens Stockel zijn de koppelingen absoluut veilig: 'Van de 2 miljoen die er in de afgelopen twintig jaar in vliegtuigen zijn geinstalleerd, is er nog niet een kapot gegaan.'

In januari 1978 zijn voor het eerst gasleidingen in de Noordzee met dit soort koppelingen gerepareerd. Er zijn ook ringen en connectors die bij verhitting gaan krimpen. Veel geintegreerde schakelingen bezitten zulke connectors. Ringen van vormgeheugenmetaal klemmen pluggen aan kabel vast. Draad van vormgeheugenmetaal kent talloze toepassingen. Het Japanse bedrijf Furukawa heeft een robotarm ontwikkeld die met behulp van draad wordt bestuurd. Hiertoe hoeft alleen maar wat stroom door de draden van de vingers en de pols van de robot te worden geleid. Ook voor de gebitsregulatie is nikkel-titaandraad heel goed te gebruiken. Men kan er beugels van maken die niet telkens aangespannen hoeven te worden, zoals nu nog het geval is met beugels die van staal of chroom-nikkel-legeringen worden gemaakt. Vormgeheugen botklemmen worden ook steeds meer populair.

En men kan natuurlijk motoren maken van vormgeheugen metalen. Het prototype van de uitvinder F. E. Wang toont het principe. Draad van nikkel-titaan is als een elastiekje erg strak om twee wieltjes gespannen. Een van die wieltjes wordt in een glas heet water gehouden. Doordat het draad beurtelings krimpt en wordt opgerekt zet deze 'thermobiel' zich langzaam in beweging. Overigens is het rendement van de Wang-machine erg laag.

Raychem zelf verwacht dat er steeds meer consumentenprodukten zullen komen waarin geheugenmetaal verwerkt wordt. Bustehouders met geheugenmetaal zijn in Japan een groot succes. Het comfort dat de superelasticiteit levert wordt er zeer op prijs gesteld.

Goed nieuws ook voor computergebruikers: harddisks worden kleiner, omdat de schrijf- en wiskoppen nu met behulp van geheugenmetaal kunnen worden opgetild, waardoor elektromechanische constructies achterwege kunnen blijven. In feite kan elk apparaat dat bestaat uit thermokoppels, versterkers, relaissystemen en motoren door een enkele veer van geheugenmetaal worden vervangen. Onderdelen van geheugenmetaal vindt men nu al in personenauto's. Sommige mistlampen zijn voorzien van beschermende jaloezieen die met geheugenmetalen veren worden geopend en gesloten. Daimler-Benz heeft vorig jaar veren van geheugenmetaal verwerkt in Mercedessen met automatische versnelling.

Veranderingen in de door dieselmotoren geleverde energie en temperatuur kunnen de werking van hydraulische systemen nadelig beinvloeden. Compensatie is mogelijk door het verlagen of te verhogen van de oliedruk. Drukregelkleppen worden door twee veertjes op hun plaats gehouden. Bij stijging van de temperatuur zet het veertje dat van geheugenmetaal is gemaakt uit, waardoor de klep wordt weggeduwd. Dergelijke regulateurs zijn ook zeer geschikt voor het koelen van de motor, het openen en sluiten van gaskleppen in de carburateur en het automatisch regelen van de air conditioning. Nu nog worden daar thermostatische bimetalen (twee op elkaar gewalste stroken metaal met elk een verschillende uitzettingscoeffient), servomotoren en solenoiden (draadspoelen) voor gebruikt. Dieter Stockel sluit niet uit dat de hele auto nog eens van geheugenmetaal wordt gemaakt. Autoschadebedrijven zijn vast gewaarschuwd. In de toekomst wordt uitdeuken een fluitje van een cent. Een plens kokend heet water doet dan wonderen.