De plantaardige uitvinder

Planten inspireren bioloog Bob Ursem tot uitvindingen. ‘Je moet denken vanuit de plant.’ Michiel van Nieuwstadt

Dwergdennen die zonnebrandcrème maken. Taxussen die kankermedicijnen uitscheiden in een elektrisch veld. Zoetwatermangroven die Afrikaanse kusten kunnen beschermen. En naaldbomen die vezels leveren voor zelfreparerend beton.

Bob Ursem (51) directeur van de botanische tuin van de TU Delft, houdt kantoor te midden van talloze op planten geïnspireerde vindingen, veel van hemzelf. De man die planten zocht in alle uithoeken van de wereld en zes maanden in een eigen gemaakte boshut in Brits Guyana woonde, besteedt nu zijn tijd aan vergaderen. Met bouwbedrijf BAM bijvoorbeeld, over een op planten geïnspireerde vinding voor het elektrisch afvangen van fijnstof langs autowegen. Met octrooispecialisten over zijn ideeën voor het wegvangen van ammoniak uit varkensstallen en mist op Schiphol. En met de promovendi die met zijn ideeën aan de haal mogen gaan.

Verrassend genoeg is Ursem zelf niet gepromoveerd. “Ik heb tal van promotieonderzoeken bedacht en begeleid”, zegt hij op zijn werkkamer aan de rand van de botanische tuin. “Twee keer was ik paranimf bij een promotie op onderzoek dat ik zelf had bedacht. Ook mijn onderzoek aan lianen in de jungle van Brits Guyana heeft geleid tot een promotie, maar niet van mijzelf. Mijn gedrevenheid in nieuwe dingen doen en nieuwe dingen uitvinden is veel groter dan mijn drang tot schrijven.”

BEZIGE BIJ

Ursem draagt een bril met drukke kleuren die terugkomen in zijn stropdas. Daaronder een hemd met een print van glimmende plantenbladeren waarvan hij de soortnaam niet weet. De directeur van de botanische tuin geniet merkbaar van zijn rol als bezige bij in het netwerk van onderzoekers en ondernemers rond zijn vele op planten geïnspireerde vondsten. Een rondleiding door zijn eigen tuin laat hij aan de beheerder over – geen tijd.

Een duinwandeling met de hond, acht jaar geleden in Hellevoetsluis, zette Ursem aan het denken over elektrostatische afstoting. Tegen het lage zonlicht in zag hij wolken stof en zand landinwaarts waaien. Juist boven een brede bosschage van duindoorns werd het stof opgetild. “Door de wrijving met de lucht krijgt stof die over het land beweegt een overwegend negatieve lading”, zegt Ursem. “Ook de aarde is negatief geladen, net als het struweel dat met zijn wortels in die negatief geladen bodem staat. De meeste lading zit aan de buitenkant, daar waar de scherpe duindoornpuntjes naar buiten steken. Wat ik zag was dus de elektrostatische afstoting tussen het stof en de planten.”

Geïnspireerd door de duindoorns bedachten Ursem en zijn collega’s Jan Marijnissen (directeur van het Aerosol Lab van de TU Delft) en Rein Roos (Université du Maine) dat je stofdeeltjes in uitlaatgassen met een sterk elektrostatisch veld positief zou kunnen laden en invangen met een negatief geladen rooster. Deze maand experimenteerde BAM met deze fijnstofafvang in de 1.100 meter lange Thomassentunnel onder het Rotterdamse Calandkanaal. “Het verliep conform verwachting”, zegt Ursem die nog geen gedetailleerde cijfers wil geven. “Je kunt er zeker van zijn dat onze oplossing beter werkt dan enig fijnstofsysteem dat tot op heden in Nederland is getest.”

Ursem wilde van jongs af aan de natuur begrijpen. “Als heel jong kind was ik al bezig met het verzamelen van planten, of simpelweg hommels volgen. Ik wilde doorzien waarom een plant op een bepaalde plek groeit. En ik wilde altijd graag bijzondere plantjes ontdekken. Daarvoor moet je denken vanuit de plant. Je afvragen: wat heeft een plant nodig om te kunnen groeien?

HELLINKJES

“Ik herinner me dat ik met een vriend van me op vakantie was in het Griekse Olympusgebergte. Ik wilde daar een plantje vinden, Jankea Heldreichii. Uit foto’s in boeken die ik tevoren had bestudeerd kende ik precies de landschappen waarin deze plantjes moesten voorkomen: hellinkjes met ondergrondse waterstromen begroeid door bolvormige moskussens. Ik had het allemaal precies uitgezocht. In een gebied van 50 bij 50 kilometer hebben we er zes gevonden.”

Ursem, in 1990 afgestudeerd als bioloog aan de Universiteit Utrecht, is niet alleen uitvinder, hij wil ook wetenschapper zijn. Collega’s hebben in zijn ogen veel te weinig aandacht voor de invloed op planten van elektrische velden. “Mensen zijn gewend om te kijken naar de invloed van wind en zonlicht”, zegt hij. “Maar neem nu een fenomeen als windbestuiving. Zoiets kun je alleen maar begrijpen als je kijkt naar elektrostatische lading. Stuifmeelkorrels raken opgeladen omdat ze wrijving ondervinden als ze door de lucht zweven.”

BESTUIVING

Elektrostatische kracht verklaart volgens Ursem waarom de stuifmeelkorrels zo ver kunnen reizen en misschien zelfs hoe ze gelijksoortige bloemen kunnen bereiken. Ursem vermoedt dat elektrische velden rond bomen wel eens bepalend zouden kunnen zijn voor de bestuiving. Met grote houten palen en metalen kooien die elektrische velden rond bomen afschermen hoopt hij zijn theorie in de toekomst te gaan toetsen. De Groningse emeritus hoogleraar plantenfysiologie Piet Kuiper noemt het idee dat stuifmeelkorrels niet door toeval, maar door ladingsverschillen op de stempel terecht komen “een originele gedachte” die de moeite waard is om te onderzoeken.

Ursems collega Roos publiceerde al in 1992 een boek over onderzoek naar het belang van statische elektriciteit voor stof- en stuifmeeldeeltjes. “We praten hier over deeltjes van één tot honderd micrometer”, zegt hij aan de telefoon vanuit Frankrijk. “Het is ondenkbaar dat de wind alleen die in de lucht houdt. Zonder statische elektriciteit zouden die stuifmeelkorrels niet meer dan een kwartiertje in de lucht blijven hangen.”

Maar de rol die Roos en Ursem elektriciteit toedichten in de plantenwereld gaat nog veel verder. Zij denken dat dat planten zich richten naar elektrische velden die plantensappen uit hun bladeren trekken: elektrische verdamping.

Een spectaculair voorbeeld van die elektrische verdamping is volgens Ursem het lokale onweer dat kan ontstaan in een dennenbos “Ken je de heerlijk frisse geur die in een dennebos hangt na een onweersbui? Je ruikt ozon en terpenen. Die stoffen zijn te verklaren uit de enorme ladingsverschillen die in een bos tijdens een onweersbui kunnen ontstaan. De spanning in het elektrische veld rond boomtoppen kan oplopen tot wel 20.000 volt per meter. Het elektrische veld rond de dennenaalden trekt de huidmondjes in een punt en zuigt de plantensappen naar buiten. De sappen worden naar de punt van de naalden getrokken en de dennen gaan letterlijk sproeien. Dit fenomeen gebruiken we als we het kankermedicijn taxol uit taxussen halen met een zwaar elektrisch veld.”

KARAMELISEREN

Ursem denkt dat populierenblaadjes zwart kunnen verkleuren door het sapstroomgeweld dat bij onweer in bomen ontstaat. Hout zou oranje worden doordat suikers onder de hitte karameliseren en de opwaartse stormwervel die langs de boom ontstaat door elektrische ontlading aan de top zou de kroon van bomen kunnen losdraaien.

Collega-plantwetenschappers reageren wat lacherig op fenomenen als elektrische verdamping. Emeritus hoogleraar Kuiper wil er als enige serieus op ingaan. “Ursem loopt veel te hard van stapel”, zegt hij. “En dat is jammer, want hij heeft vaak ook goede ideeën. Ik ken een publicatie in Plant Science uit 2006 waarin collega’s van Ursem een correlatie hebben aangetoond tussen de verdamping uit planten en het elektrisch potentiaalverschil, maar dat stuk had eigenlijk nooit de peer review mogen overleven. De realiteit is dat we elektrische velden helemaal niet nodig hebben om de verdamping uit planten via de huidmondjes van bladeren of naalden te verklaren.” De bron van de drijvende kracht achter de verdamping is volgens Kuiper het energieverschil tussen water in de dampfase en water in de vloeibare fase.

MISTDRUPPELTJES

Ursem ziet een parallel tussen de elektrische stormen in een dennenbos en het systeem dat hij ontwikkelde voor het verplaatsen van mistdruppeltjes. Maar zijn vindingen leunen niet op zijn controversiële theorievorming op dit terrein. Ursem: “Francis Hauksbee heeft in 1709 al aangetoond dat je een kaars kunt uitblazen met een elektrische wind. Hauksbee gebruikte twee platen, de ene met een positieve lading en scherpe punten, de andere met een negatieve lading.”

Rond de punten van de positieve plaat vindt zogeheten corona-ontlading plaats, zo legt collega Marijnissen uit. Dicht bij de positief geladen punten worden elektronen die in de lucht aanwezig zijn dusdanig versneld, dat ze, bij botsing, een elektron vrijmaken uit een luchtmolecuul. Zo ontstaan meer elektronen, die naar de naald toe bewegen en positieve ionen, die er juist vanaf bewegen. De van de draad weg bewegende positieve ionen botsen met luchtmoleculen, waardoor een luchtbeweging ontstaat, de zogeheten elektrische wind.

“In het lab hebben we gezien dat dit principe werkt over een afstand van tien meter”, zegt Ursem. “De elektrische wind die op een luchthaven zou ontstaan in een veld van 50 kilovolt zou voldoende moeten zijn om de mist te verdrijven en letterlijk af te laten druipen via een fijn gaas aan de rand van de landingsbaan.”

De commerciële toepassing van een variant op deze vinding – voor de afvang van ammoniak in stallen – is vergevorderd. In dit systeem, bedacht door Ursem, Marijnissen en Roos, wordt mist gecreëerd door water te laten verstuiven uit grote bakken met ultrasoon geluid of een elektromagnetisch veld. “Het ammoniak dat rondzweeft in stallen is wateroplosbaar”, zegt Ursem. “Er ontstaat ammoniumhydroxide. Om meer dan 99 procent van de ammoniak uit stallen te verwijderen is een spanning van tien kilovolt voldoende. Het ammoniumhydroxide kun je dan gebruiken als loog of omzetten in salmiak, drop dus, dat je in theorie nog zou kunnen opeten ook.”

ENERGIEBESPARING

Het bedrijf IMG Europe in Gassel heeft Ursems octrooi in licentie genomen en test nu een prototype in een varkensstal in Deurne. “Dit systeem is interessant voor de circa achtduizend varkensboeren in Nederland”, zegt directeur Lia van de Voorle. “Ammoniak wordt nu uit de lucht gehaald met energie verslindende chemische en biologisch luchtwassers. Ons systeem kan een enorme energiebesparing opleveren.”

Gezien de eindeloze reeks toepassingen is het nauwelijks een verrassing dat het de botanische tuin van de TU Delft voor de wind gaat, in tegenstelling tot veel andere wetenschappelijke tuinen in Nederland. “Wij hebben de tuin nodig om ideeën die we hebben in de industrie toe te passen”, zegt Ursem. “Zonder de tuin kan ik niet testen. Maar van de bezuinigingen bij andere tuinen begrijp ik niets. Bedenk je dat in de nieuwe verdragen over biodiversiteit steeds minder ruimte is voor het overbrengen van plantenmateriaal naar Westerse landen. Neem een land als Brazilië. Daar komt al haast geen plant meer uit. De planten die je verliest door het opdoeken van collecties of onoordeelkundig beheer krijgen we nooit meer terug. Daarmee vergooit Nederland zijn wetenschappelijke toekomst.”