Samen met academische collega’s, maar met ook grote industriële bedrijven, pleit professor Ben Feringa voor het gezamenlijk heruitvinden van de chemie. Niet alles hoeft rigoureus op de schop, vindt de Nobelprijswinnaar van 2016, maar op verschillende vlakken zijn basale veranderingen nodig. En dat vraag om fundamenteel onderzoek, creativiteit van onderzoekers, samenwerking en vooral doorzettingsvermogen.

Tijdens de huidige coronacrisis zijn vaccins veel sneller ontwikkeld dan ooit tevoren. Maar er was ook onwaarschijnlijk veel geld voor beschikbaar en wereldwijd werkten er grote aantallen onderzoekers aan. ‘Dat is normaal niet zo’, stelt professor Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG). ‘Onder normale omstandigheden duurt het al gauw twaalf jaar voordat een nieuw geneesmiddel op de markt komt. En het is belangrijk dat een geneesmiddel goed wordt ontwikkeld en uitvoerig getest.’

Of de acceptatie van medicijnen of andere chemische producten soms misschien wat minder bureaucratisch kan? Feringa doet duidelijk moeite om daar niet te veel op in te gaan. ‘Er is op dat vlak zeker enige tijdwinst te halen. Maar vooral moet de vrijheid van het fundamentele onderzoek niet te veel worden ingeperkt.’ De regelzucht moet volgens Feringa niet als een rem werken op de wetenschap. ‘Geef onderzoekers voldoende vrijheid. En beknot niet de creativiteit van jonge mensen. Ze moeten de vrijheid krijgen om te verdwalen. Want dan kunnen ze ook stuiten op de meest fantastische dingen.’ Vindingen die de toekomst kunnen veranderen.

Professor Ben Feringa: ‘Je bouwt echt niet een innovatief chemisch productieproces in drie jaar.’

Geef wetenschappers tegelijkertijd voldoende tijd, voegt hij daar meteen aan toe. ‘Je bouwt echt niet een innovatief chemisch productieproces in drie jaar. Ik heb begin jaren tachtig nog een aantal jaar bij Shell gewerkt. Toen was het bedrijf al bezig met de ontwikkeling van technologie om schone diesel uit aardgas te produceren. Pas decennia later bouwde Shell ‘s werelds grootste gas-to-liquids (GTL) fabriek in Qatar.’ In 2011 is de eerste lading synthetische diesel verscheept.

feringaBioritme

Tegenwoordig staat Feringa met zijn onderzoek aan de Rijksuniversiteit Groningen nog verder af van commerciële toepassing dan destijds bij Shell. De ontwikkeling van moleculaire machientjes bijvoorbeeld, waarvoor hij vijf jaar geleden samen met twee andere wetenschappers de Nobelprijs ontving. Deze nanomachines zijn niet groter dan een molecuul. Zoals tandwielen in normale machines om een as draaien, kunnen ook moleculen met bewegende onderdelen bestaan. Stel dat deze machines op nanoschaal ook een aan-knop hebben. Op een medicijn, bijvoorbeeld. Na het slikken van een pil reist het medicijn via de bloedbaan door het lichaam, maar veroorzaakt nog nergens vervelende bijwerkingen. Pas als het medicijn bij het juiste orgaan aankomt, druk je op de knop, en begint het zijn helende werk te doen. Overigens kent de natuur talloze van dit soort werkzame moleculen, maar er zelf één maken blijft de uitdaging voor veel wetenschappers.

Vijf jaar later is zo’n medicijn bijvoorbeeld nog steeds niet op de markt. Het kan ook nog een tijdje duren. Wel heeft sinds die tijd het onderzoek op dat terrein een vlucht genomen. Overal in de wereld doen vakgroepen onderzoek naar moleculaire machines en in de laboratoria worden ook successen geboekt. Feringa: ‘Zo slagen we er bijvoorbeeld in om in het laboratorium het bioritme van levende cellen met drie uur aan te passen.’ Dat kan wellicht in de toekomst een oplossing bieden voor jetlag of mensen een handje helpen bij de overgang naar winter-, of juist naar zomertijd. Of sporters die aan de andere kant van de wereld een topprestatie moeten leveren. Feringa: ‘In Tokyo? Ja, als over een paar decennia daar weer Olympische Spelen worden georganiseerd.’

Building Blocks

Fundamenteel onderzoek staat vaak ver van de dagelijkse realiteit van de chemische industrie af. In de fabrieken moet die zo efficiënt mogelijk enorme hoeveelheden materialen en tussenproducten produceren en zijn er heel andere prioriteiten. Daar worden producten gemaakt die volgens Feringa te vaak te negatief worden afgeschilderd. De afgelopen vijftig tot honderd jaar is enorme voortgang geboekt. Kunststoffen maken auto’s lichter, isoleren huizen, maken grotere windturbines mogelijk en noem maar op. Alleen daarom is het een enorme verspilling dat waardevolle plastics als afval in de natuur terechtkomen.

Laten we het kind vooral niet met het badwater weggooien, wil Feringa hiermee zeggen. De uitdagingen op het gebied van afvalplastics, klimaatverandering en biodiversiteit vragen juist om nieuwe grondstoffen, processen en producten. En soms zijn er ook fundamentele veranderingen nodig. Daar heeft de industrie de fundamentele wetenschap hard bij nodig en omgekeerd ook om te komen tot nieuwe duurzame producten en processen. ‘Veel grote chemische bedrijven zijn zich daar steeds meer van bewust’, weet Feringa. Daar werden hij en zijn collega Bert Weckhuijsen van de Universiteit Utrecht ook in bevestigd, toen ze een paar jaar geleden toenadering zochten tot de industrie. Dat wetenschap en industrie nog meer met elkaar moesten samenwerken, was niet alleen een behoefte van de universiteiten. Ook bij de industrie en overheden leefde dat.

Het leidde in 2016 tot de oprichting van het Advanced Research Center Chemical Building Blocks Consortium (ARC CBBC). Daarbinnen werken de chemiebedrijven AkzoNobel, BASF, Nouryon en Shell en de universiteiten van Eindhoven, Groningen en Utrecht samen aan de chemie van de toekomst. Met steun van de Nederlandse overheid wil het consortium ‘oplossingen vinden om de uitstoot van broeikasgassen tegen te gaan en een duurzame maakindustrie en samenleving te creëren.’

Van de boerderij

Op 22 april houdt het consortium een symposium met de titel ‘Reinventing Chemistry Together’. Opnieuw uitvinden van de chemie betekent voor Feringa echter niet dat alles meteen op de schop moet. Zo zijn fossiele grondstoffen als aardolie en aardgas voorlopig niet weg te denken uit de chemie. Door de decennialange doorontwikkeling zijn veel petrochemische processen zeer efficiënt en kosteneffectief geworden. Het valt niet altijd mee voor alternatieve routes om daar mee te concurreren. Willen we versneld van fossiele bronnen af, dan ligt sowieso het grootste potentieel op het gebied van de brandstoffen. Feringa: ‘Ik weet niet precies wat nu de verhoudingen zijn, maar lange tijd ging niet meer dan tien procent van de fossiele grondstoffen richting de chemie.’ Bovendien worden in de chemie van de grondstoffen materialen gemaakt en verdwijnen ze niet zoals bij brandstoffen, meteen na verbranding, als CO2 in de atmosfeer.

Feringa ziet op de kortere termijn vooral mogelijkheden om petrochemische processen nog efficiënter te maken. Bijvoorbeeld met nieuwe katalysatoren, waardoor er minder energie nodig is voor de reacties. Daar wordt momenteel ook veel onderzoek naar gedaan. ‘Neem bijvoorbeeld kunstmest. Slagen we er in om met nieuwe katalysatoren ammoniak voor kunstmest te produceren op 50 graden Celsius in plaats van een veel hogere temperatuur, dan scheelt dat heel veel energie. Sowieso kan de productie van ammoniak, de belangrijkste grondstof van kunstmest veel en veel duurzamer en schoner. Alleen al door de waterstof die daarvoor wordt gebruikt duurzaam te produceren. Vergeet ook het gebruik van kunstmest niet. Ik kom zelf oorspronkelijk van de boerderij en volg de ontwikkelingen in de agrarische sector met belangstelling. Er wordt goed bestudeerd hoe kunstmest veel effectiever en efficiënter kan worden ingezet. Ook in de hele voedselproductieketen draait het niet om één oplossing.’

Elektrochemische routes

In de chemische industrie ziet Feringa interessante kansen op het gebied van elektrochemie en de elektrificatie van bijvoorbeeld krakers en andere installaties. ‘Elektrochemie is momenteel zeer in opkomst, maar natuurlijk niet echt nieuw. In Delfzijl en Rotterdam produceert Nouryon al heel lang chloor met elektrolyzers. Net na de tweede wereldoorlog zijn vooral in Duitsland veel elektrochemische routes ontwikkeld.’ Juist de mogelijkheid om met elektrificatie het energieverbruik te verduurzamen geven momenteel een nieuwe impuls aan dit gebied.

Professor Ben Feringa: ‘Slagen we er in om met nieuwe katalysatoren kunstmest te produceren op 50 graden Celsius, dan scheelt dat heel veel energie.’

Geen afval

Naast verbeteren van de bestaande – vooral op aardolie gebaseerde – chemie ziet Feringa nog drie belangrijke innovatieve ontwikkelingen om fossiele bronnen als grondstof voor de chemie te vervangen. Dat kan ten eerste door de inzet van biomassa, maar ook met recycling van plastics. De derde optie is CO2 als bouwsteen voor brandstof of zelfs grondstof voor de chemie. Ook Feringa zijn de recente ontwikkelingen op het gebied van synthetische kerosine niet ontgaan. ‘Natuurlijk mooi dat Shell nu vijfhonderd liter kerosine uit CO2 gemaakt heeft. Maar het zal nog een tijd duren voordat er significante hoeveelheden op deze manier worden geproduceerd.’

Daarom moet in het onderzoek ook stevig worden ingezet op circulaire en vooral ook biobouwstenen. Feringa: ‘Suikers en cellulose uit biomassa kunnen in veel gevallen uitstekend worden ingezet als grondstof voor de chemie. Dus vooral niet verbranden. Dat is ongeveer het domste wat je kunt doen.’ Overigens vindt Feringa dat de chemie wel selectief met biomassa moet omspringen. Het heeft weinig nut als de bioroute duurder is, meer energie kost of producten oplevert van mindere kwaliteit. ‘Het mooiste is natuurlijk als er nieuwe materialen worden ontwikkeld met andere bruikbare eigenschappen bijvoorbeeld beter te recyclen plastic. Of dat er minder stappen en energie nodig zijn om tot een product te komen.’

Afgelopen december haalde de vakgroep Feringa nog het nieuws op dit vlak. Binnen een van de programma’s van het ARC CBBC ontwikkelden scheikundigen van de RUG samen met collega’s van AkzoNobel een nieuw route om biomassa om te zetten in een coating van hoge kwaliteit. Het proces werkt met alleen zichtbaar licht, zuurstof en een eenvoudige katalysator. Deze aanpak kan op den duur grondstoffen uit aardolie, zoals acrylaat, vervangen door duurzame bouwstenen voor de productie van coatings, harsen en verf. Een specifieke grondstof is lignocellulose, de meest voorkomende vorm van biomassa op aarde. Ongeveer twintig tot veertig procent van de houtige delen van planten bestaat eruit. Maar vooralsnog wordt dit doorgaans verbrand in energiecentrales of gebruikt voor de productie van biobrandstof. Dan heeft de productie van coatings een veel hogere toegevoegde waarde. Feringa: ‘Ook ontstaat er geen afval. Het enige bijproduct is methylformaat, dat weer nuttig is als vervanger van Cfk’s in andere processen. Hoe mooi is dat.’