Een nieuwe glassoort die 10 keer groener is en beter bestand tegen beschadigingen

Wereldwijd produceert de glasindustrie het minst 86 miljoen ton van koolstofdioxide per jaar. Een nieuw type glas genaamd LionGlass, ontwikkeld door onderzoekers van Penn State, biedt echter het potentieel om deze koolstofuitstoot met 50% te verminderen. Dit innovatieve glas heeft niet alleen veel minder energie nodig om te produceren, maar het is ook beter bestand tegen beschadigingen dan traditioneel natronkalksilicaatglas. De wetenschappers achter deze doorbraak hebben onlangs een octrooiaanvraag ingediend, waarmee de eerste stap is gezet om LionGlass op de markt te brengen.

“Ons doel is om de glasproductie duurzaam te maken op de lange termijn”, zegt John Mauro, de Dorothy Butt Enright Professor of Materials Science and Engineering aan Penn State en hoofdonderzoeker van het project. “LionGlass elimineert het gebruik van koolstofhoudende hulpstoffen en verlaagt de smelttemperatuur van glas aanzienlijk.”

Natronkalksilicaatglas, het gebruikelijke glas dat wordt gebruikt in alledaagse voorwerpen, van ramen tot glazen serviesgoed, wordt gemaakt door drie basismaterialen te smelten: kwartszand, natriumcarbonaat en kalksteen. Natriumcarbonaat is natriumcarbonaat en kalksteen is calciumcarbonaat, en beide geven kooldioxide (CO2) af, een broeikasgas dat warmte vasthoudt, terwijl ze smelten.

“Tijdens het glassmeltproces vallen de carbonaten uiteen in oxiden en produceren ze koolstofdioxide, dat vrijkomt in de atmosfeer”, zei Mauro.

Maar het grootste deel van de kooldioxide-uitstoot komt van de energie die nodig is om de ovens te verwarmen tot de hoge temperaturen die nodig zijn om glas te smelten. Met LionGlass dalen de smelttemperaturen met ongeveer 300 tot 400 graden CelsiusMauro legde uit dat dit leidt tot een reductie van het energieverbruik van ongeveer 30% in vergelijking met een traditioneel natronkalkglas.

LionGlass is niet alleen milieuvriendelijker, het is ook sterker dan traditioneel glas. De onderzoekers zeiden dat ze verrast waren toen ze ontdekten dat het nieuwe glas, genoemd naar de mascotte van de Nittany Lion in Pennsylvania, een hogere scheurweerstand had dan conventioneel glas.

Bepaalde armaturen voor glaspanelen zijn zo sterk bestand tegen barsten dat het glas niet barst, zelfs niet onder een krachtbelasting van één kilogram Vickers-diamantbuis. LionGlass is minstens tien keer scheurbestendiger dan standaard natronkalkglas, dat scheuren vormt onder een belasting van ongeveer 0,1 kilogram kracht. De onderzoekers legden uit dat de limieten van LionGlass nog niet waren gevonden, omdat het de maximale belasting had bereikt die de inspringapparatuur zou toelaten.

“We bleven het gewicht op LionGlass verhogen totdat we de maximale belasting bereikten die de apparatuur zou toelaten”, zegt Nick Clark, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Mauro. “Het gaat gewoon niet kapot.”

Mauro legde uit dat scheurvastheid een van de belangrijkste eigenschappen is om in glas te testen, omdat het materiaal op deze manier uiteindelijk faalt. Na verloop van tijd ontwikkelt het glas kleine scheurtjes langs het oppervlak, die zwakke punten worden. Wanneer een stuk glas breekt, is dit te wijten aan de zwakheden die worden veroorzaakt door de aanwezige microscheurtjes. Hij voegde eraan toe dat glas dat in de eerste plaats bestand is tegen de vorming van microscheuren van bijzondere waarde is.

“Schadebestendigheid is een bijzonder belangrijke eigenschap van glas”, zegt Mauro. “Denk aan alle manieren waarop we vertrouwen op de sterkte van glas, in de auto- en elektronica-industrie, in de architectuur en in communicatietechnologie zoals glasvezelkabels. Zelfs in de gezondheidszorg worden vaccins opgeslagen in sterke, chemisch resistente glazen containers.”

Mauro hoopt dat de verbeterde sterkte van LionGlass betekent dat producten die ervan zijn gemaakt nog lichter kunnen zijn. Omdat LionGlass tien keer beter bestand is tegen beschadigingen dan huidig ​​glas, kan het aanzienlijk dunner zijn.

“We moeten in staat zijn om de dikte te verminderen en hetzelfde niveau van schadebestendigheid te hebben”, zei Mauro. “Als we een lichter product hebben, is dat beter voor het milieu, omdat we minder grondstoffen gebruiken en minder energie nodig hebben om het te produceren. Zelfs stroomafwaarts, voor transport, vermindert het de energie die nodig is om het glas te verplaatsen, dus het is een win-win- win situatie.”

Mauro merkt op dat het onderzoeksteam nog steeds het potentieel van LionGlass aan het beoordelen is. Ze hebben een octrooiaanvraag ingediend voor de hele glasfamilie, wat betekent dat er veel samenstellingen zijn binnen de LionGlass-familie, elk met zijn eigen specifieke kenmerken en potentiële toepassingen. Ze stellen nu verschillende formuleringen van LionGlass bloot aan een reeks chemische omgevingen om te bestuderen hoe ze op elkaar inwerken. De bevindingen zullen het team helpen een beter begrip te ontwikkelen van hoe LionGlass over de hele wereld wordt gebruikt.

“Mensen leerden meer dan 5000 jaar geleden hoe ze glas moesten maken, en sindsdien is het noodzakelijk geworden om de moderne beschaving te brengen waar ze nu is”, zei Mauro. “Nu bevinden we ons in een tijd waarin we de toekomst moeten helpen vormgeven, aangezien we te maken hebben met wereldwijde uitdagingen zoals milieukwesties, hernieuwbare energie, energie-efficiëntie, gezondheidszorg en stedelijke ontwikkeling. Glas kan een cruciale rol spelen bij het oplossen van deze problemen, en we zijn klaar om bij te dragen.”