Van buiten hoor je hooguit een vaag gebrom. Maar in hun binnenste produceren de apparaten van Simon Spoelstra en zijn collega’s een geluid van 170 decibel, hard genoeg om onherstelbare gehoorschade aan te richten. Gelukkig zitten ze potdicht.

De herrie ontstaat in zogenaamde thermo-akoestische motoren uit hitte, of beter gezegd, uit een temperatuurverschil. “Hoe dat werkt, zal ik zo meteen proberen uit te leggen”, aldus Spoelstra. De geluidsgolf reist door een buis en wordt aan de andere kant door een ‘warmtepomp’ weer omgezet in een temperatuurverschil. En dat alles zonder bewegende delen.

Bij het Energieonderzoekscentrum ECN in Petten doet Spoelstra’s groep onderzoek naar de toepassing van dit soort systemen in de industrie. “In fabrieken gaat gigantisch veel energie verloren als restwarmte. Dat zul je nooit allemaal nuttig kunnen gebruiken, maar een deel is wel terug te winnen. Wij denken dat thermo-akoestische systemen daar heel geschikt voor zijn.”

Wereldrecord

De nieuwste versie van het apparaat haalt bij het omzetten van warmte in geluid bijna de helft van het theoretisch maximum, vertelt Spoelstra. “Dat maximum heet het Carnot-rendement, naar de Franse wiskundige Sadi Carnot. Het is een simpel sommetje: het temperatuurverschil gedeeld door de hoogste temperatuur, in graden Kelvin.”

Als je afvalwarmte van 140 graden Celsius hebt, en in de omgeving is het 30 graden, dan kun je maximaal 27 procent van de energie uit die warmte omzetten naar beweging of geluid, rekent Spoelstra voor. “Wanneer je begint bij 550 graden, is het theoretisch maximum veel hoger, namelijk 64 procent. En ons nieuwste apparaat haalt daar bijna de helft van, zo’n 31 procent. Dat is het wereldrecord.”

Het feit dat geluid kan ontstaan uit een temperatuurverschil, is al in de zeventiende eeuw ontdekt, vertelt hij. “Door glasblazers. Die hoorden soms een fluitend geluid als ze een buis in het vuur hielden. Niemand kon verklaren hoe dat geluid ontstond, dat is pas veel later gelukt.”

Extra uitzetting

De crux is, dat geluid bestaat uit een golf van zich verdichtend en weer uitzettend gas. De geluidsgolf wordt versterkt, als er warmte-energie wordt toegevoegd, precies op het moment dat het gas aan het verdichten is, legt de onderzoeker uit. “Het zal door die warmte even later een stukje extra uitzetten, waardoor de geluidsgolf krachtiger wordt.”

Aan de andere kant van de buis doe je het omgekeerde, en draagt het geluid zijn energie over om een temperatuurverschil te vergroten. Spoelstra: “Je kunt het gebruiken om restwarmte heter te maken, bijvoorbeeld van 140 graden naar 190 graden, maar je kunt er ook kou mee maken. Dan heb je dus een koelsysteem, dat draait op restwarmte.”

Niet iedereen gelooft op het eerste gezicht dat je met dit principe energie kunt terugwinnen. “Wij moesten ook overtuigd worden, toen uitvinder Kees de Bok bij ons aanklopte met een demonstratiemodel. Dat was in 1999. Een jaar later begonnen we met dit onderzoeksprogramma, waaraan hij meewerkt.”

Misgelopen subsidie

Het feit dat mensen zich maar moeilijk in de werking van het mechanisme kunnen inleven, blijft lastig, vindt Spoelstra. “Ik weet bijna zeker dat we een paar keer subsidie zijn misgelopen omdat de beoordelaars niet begrepen hoe dat werkt. Je moet het in actie zien om het te geloven.”

Dat gaan we dan ook doen, met de camera erbij. In de werkplaats laat hij eerst een open buis zien en horen, dan een demonstratiemodel van plexiglas en ten slotte de thermo-akoestische motor waarmee het efficiëntierecord is gevestigd. De buis daarvan is gevuld met helium onder hoge druk, om de energie-inhoud van de geluidsgolf te vergroten.

Klaar voor toepassing in de industrie zijn de apparaten nog niet, maar volgend jaar zullen de onderzoekers een grotere versie gaan testen, die 10 kiloWatt aan restwarmte kan benutten. Echt commercieel gebruik van deze techniek zou daarna snel kunnen volgen, hopen Spoelstra en zijn collega’s.

Elmar Veerman