Rijden op geluid

De Stirling-motor is vernieuwd. Het prototype is net zo efficiënt als de standaard benzinemotor en hij werkt ook als koeler.

DE AMERIKAANSE natuurkundigen Scott Backhaus en Greg Swift hebben een energie-zuinige motor zonder bewegende delen ontwikkeld. Dat meldden ze twee weken geleden in Nature (27 mei, 1999). Backhaus en Swift, verbonden aan het Los Alamos National Laboratory in New Mexico, hebben hiermee een eenvoudige manier gevonden om warmte in bewegingsenergie om te zetten. Heel wat eenvoudiger dan nu het geval is in de automotor die we dagelijks gebruiken. Daarbij moet het mengsel van lucht en benzine in een cilinder precies op het juiste moment worden aangestoken en ook de timing van de vele kleppen en zuigers luistert heel nauwkeurig.

In de motor die Backhaus en Swift ontwikkelden, wordt warmte omgezet in akoestische energie, in geluid dus. Nu weten glasblazers al eeuwen dat een buis die verwarmd wordt gaat `zingen'. De lucht die zich in de buis bevindt wordt verwarmd, zet daardoor uit, om na te zijn afgekoeld weer in te krimpen. Op deze manier kan in een buis die aan één kant gesloten is een staande geluidsgolf in stand worden gehouden. Eigenlijk is dat niets anders dan wat in een cilinder gebeurt: compressie, ontbranding, expansie.

De efficiëntie van dergelijke `motoren' liet echter nogal wat te wensen over. De situatie verbetert wanneer gebruik wordt gemaakt van een open buis, waarin een lopende geluidsgolf wordt opgewekt. Het was de Amerikaanse natuurkundige Peter Ceperley die eind jaren zeventig bedacht dat je zo een Stirling-motor kon maken. In deze hete-luchtmotor, die al in 1816 werd uitgevonden door de Engelse dominee Robert Stirling, expandeert een afgesloten hoeveelheid gas bij hoge druk om bij lage druk weer te worden samengeperst. Daardoor kan er netto arbeid worden verricht. Dit proces wordt in stand gehouden door van buitenaf warmte toe te voeren. Door bovendien op een slimme manier deze warmte tussentijds op te slaan – in een regenerator – heeft een Stirling-motor een bijzonder hoge efficiëntie. Dat gold in principe ook voor de motor die Ceperley uitvond. Hierin is sprake van een lopende geluidsgolf in een buis waarin een regenerator is geplaatst. Deze zorgt ervoor dat gas efficiënt wordt verwarmd, wanneer het van links naar rechts stroomt, en afkoelt wanneer het de andere kant op gaat. Dat is te illustreren aan de hand van een pakketje lucht dat zich vlak voor de regenerator bevindt. In zijn meest gecomprimeerde toestand bevindt het pakket zich vlak bij de hete kant van de regenerator. Door de warmte die het daarvan opneemt zet het uit. Vervolgens wordt het door de lopende golf meegenomen om aan de koude kant van de regenerator af te koelen en in te krimpen. Het is de klassieke Stirling-cyclus: expansie bij hoge druk, en contractie bij lage druk. Het uiteindelijke resultaat is dat in elke cyclus de geluidsgolven worden versterkt als lichtgolven in een laser.

Ceperley had het briljante idee, maar hij kon het helaas niet in de praktijk verwezenlijken omdat hij tegen een aantal praktische problemen opliep. Zo ondervond het gas te veel weerstand – en dus energieverlies – wanneer het door de regenerator stroomde. Backhaus en Swift slaagden er wél in om dit probleem en nog een aantal andere op te lossen. Zij haalden een efficiëntie van 30% met hun uit stalen pijp geconstrueerde prototype, gevuld met helium. Dat is vergelijkbaar met de efficiëntie van de standaard benzinemotor.

Hoewel de opgewekte geluidsenergie direct kan worden omgezet in elektrische stroom, zien Backhaus en Swift veel grotere toepassingsmogelijkheden voor thermo-akoestische koeling. Het proces waarmee geluid wordt geproduceerd kan namelijk ook worden omgedraaid: geluidsgolven worden zo gebruikt om warmte te `verpompen' van een plek met lage naar een met een hoge temperatuur. Dit soort koelers wordt al toegepast, bijvoorbeeld in airconditioners op schepen en voor het koelen van radarelektronica. In deze gevallen wordt echter eerst elektrische energie met behulp van speciale luidsprekers omgezet in intens geluid. Maar die geluidsenergie kan natuurlijk net zo goed geleverd worden door de nu ontwikkelde `geluidsmotor'. Omdat bovendien de meest efficiënte variant van de thermo-akoestische koeler bestaat uit een afgesloten buis waarin een regenerator is geplaatst, zou het geheel op een uiterst simpele manier kunnen worden verwezenlijkt. Door aan het ene eind van een pijp warmte toe te voeren, tot een temperatuur is bereikt van zo'n 750 °C, wordt het andere eind gekoeld tot -150 °C. En dat in een apparaat zonder bewegende delen. In principe zou het zo mogelijk moeten zijn om op grote schaal temperaturen te bereiken van tweehonderd graden onder nul. Om dit idee uit te werken werd al in 1994 contact gezocht met Cryenco, 's werelds grootste fabrikant van cryogene transportmiddelen (vervoer van vloeibaar gemaakte gassen).

Backhaus en Swift hadden namelijk een concrete toepassing op het oog: het vloeibaar maken van aardgas dat vrijkomt bij de winning van aardolie. Tot nu toe wordt dat meestal verbrand, hetgeen een grote milieubelasting betekent omdat het alleen in vloeibare vorm economisch rendabel kan worden vervoerd. Maar juist dat vloeibaar maken kost energie en dus geld. TADOPTR, zoals de vinding met een onmogelijk acroniem was gaan heten, zou hier uitkomst kunnen bieden. Experimenten in 1998 met het eerste prototype voor het vloeibaar maken van 500 liter gas per dag wezen uit dat met het verbranden van 40% van het vrijkomende gas de overige 60% vloeibaar kon worden gemaakt. Maar die efficiëntie is voor verbetering vatbaar. De volgende versie, die dit jaar getest zal worden, is goed voor tweeduizend liter per dag en verstookt maar 30%. Het uiteindelijke doel is dat percentage nog eens te halveren in units van zo'n 50.000 liter per dag. Inmiddels is ook de Nederlandse machinefabriek Stork betrokken geraakt bij al deze ontwikkelingen. Zij verwierven de exclusieve rechten op toepassing van de techniek binnen de olie- en gaswereld. Ook gaan ze de problemen aanpakken die verbonden zijn met offshore toepassingen of met het werken op afgelegen locaties. Het vrijkomende gas moet bijvoorbeeld voorbehandeld en ontwaterd worden. Op termijn is het de bedoeling dat ook geïnteresseerde oliemaatschappijen een aandeel nemen in het ontwikkelingsprogramma.