Circulaire chemie in het onderwijs

Het Haber-Bosch proces, waarbij uit stikstof en waterstof ammoniak gemaakt wordt, is een klassiek voorbeeld om uit te leggen hoe het chemisch evenwicht werkt. Dit proces, waarmee ongeveer 180 miljoen ton ammoniak per jaar geproduceerd wordt, heeft ook gigantische maatschappelijke invloed. Ammoniak is essentieel voor de productie van kunstmest. Zonder kunstmest zou de helft van de huidige wereldbevolking niet kunnen bestaan; er zou simpelweg niet genoeg voedsel zijn. Tegelijkertijd veroorzaakt dit proces 1-2% van de mondiale uitstoot van broeikasgassen en leidt de grote hoeveelheid stikstof die in de natuur terechtkomt tot eutrofiëring. Dat is weer schadelijk voor de biodiversiteit. Ammoniak is ook de basis van explosieven zoals trinitrotolueen (TNT), dat leidde tot 100-150 miljoen doden in oorlogen in de 20e eeuw. Dit klassieke proces is dus zowel leven bevorderend als vernietigend. Toch gaat het daar niet over als de evenwichtsprincipes worden behandeld.   

Dit is karakteristiek voor de klassieke kijk op scheikunde: een discipline om grondstoffen zoals ertsen en aardolie om te zetten in waardevolle nieuwe stoffen en materialen, hoofdzakelijk in lineaire productieprocessen. Het kan ook anders. Scheikunde kan ook de basis zijn van een circulaire economie en zich richten op hergebruik van materialen en beperking van het gebruik van nieuwe grondstoffen. 

Nieuwe focus 

Daarom moet het scheikundeonderwijs een bredere maatschappelijke oriëntatie krijgen. Naast fundamentele kennis is ook ruimte nodig om uit te zoomen, om het gehele plaatje te bekijken en te zien wat de invloeden zijn van scheikunde en haar processen op de wereld om haar heen. In de huidige examens wordt duurzaamheid benaderd door een proces als voorbeeld te nemen om de ‘groene chemie’ principes toe te passen. Wat is de E-factor van dit proces, wat is de atoomeconomie? Op deze manier worden leerlingen aangemoedigd na te denken over de duurzaamheid van het proces, en hoe dit te verbeteren. Je kunt het ook veel breder trekken. Wat wordt er geproduceerd bij dit proces? Wat voor grondstoffen en energie zijn nodig om het uit te voeren? Is het wel echt nodig, of kunnen we ook zonder? Zo leren leerlingen het proces in context te bekijken. Het leert ze om verbanden te zien en kritisch en analytisch na te denken.  

‘Leerlingen kunnen de R-ladder toepassen op chemische processen’ 

Een handvat bij deze concepten, is de R-ladder. Deze ladder wordt gebruikt om technologieën en innovaties te beoordelen op hun mate van circulariteit. Bovenaan staat ‘Refuse’, wat betekent dat overbodige producten niet worden geproduceerd en/of gebruikt. Dan volgt ‘Rethink’, waarbij producten intensiever gebruikt worden, bijvoorbeeld het delen van een auto via een platform. Helemaal onderaan staat ‘Recover’, waarbij materialen worden verbrand met terugwinning van energie. In een circulaire economie hebben strategieën aan de top van de ladder, gericht op vermindering van consumptie en productie, de voorkeur.

Leerlingen kunnen deze R-ladder toepassen op chemische processen. Vraag ze een alternatief voor een proces of product te verzinnen. Dit stimuleert ook creatief en innovatief denken. Scheikunde is innovatie bij uitstek. Stel daarom meer open vragen aan de leerlingen, in plaats van ze enkel droge berekeningen te laten doen aan rendement. Laat ze nadenken over verbeteringen of alternatieven. Moedig zo het kritisch en creatief denkvermogen aan dat leerlingen opleidt tot de uitvinders van de toekomst.  

Andere kennis 

Ook de fundamentele kennis zelf moet beter aansluiten op de huidige maatschappelijke en scheikundige ontwikkelingen. Zo neemt elektrochemie een steeds belangrijkere positie in binnen de chemie, maar nog nauwelijks in het onderwijs. Met de technologie van elektrolysers wordt groene energie in de vorm van waterstof opgeslagen. Waterstof wordt daarom gezien als de groene energiedrager van de toekomst, voor elektriciteit en warmte en als schone brandstof in de transportsector. Elektrochemie kan ook worden toegepast om CO2, het afvalproduct bij uitstek, om te zetten in nuttige organische moleculen. Bijvoorbeeld grondstoffen voor kerosine en ingrediënten voor cosmetica, verf en harsen. Zo wordt CO2 voor langere tijd vastgelegd.   

Een andere, duurzame manier om organische materialen te produceren, is uit biomassa. Als we restproducten uit de landbouw weten om te zetten in nuttige en waardevolle moleculen en materialen, maakt dit ons minder afhankelijk van de fossiele industrie en kunnen we eindige grondstoffen vervangen. Biomassa zou, dankzij de hoge mate van complexiteit en functionaliteit van deze moleculen, waardevolle precursoren voor de farmaceutische industrie kunnen leveren.  

Al deze onderwerpen zijn hoogst relevant en daarom verdient fundamentele kennis over hun werking een centralere plek in het scheikundecurriculum. Leerlingen kunnen de voor- en nadelen van technologieën onderzoeken en vergelijken, drempels voor implementatie in kaart brengen en manieren bedenken om deze te verhelpen. Dit bereidt leerlingen beter voor op een eventuele carrière in de scheikunde, waarbij deze onderwerpen aan de orde van de dag zijn.  

Maatschappelijke waarde 

In 2014, toen ik in het laatste jaar zat van het vwo, werd in mijn klas gevraagd wat iedereen ging studeren. Vrijwel iedereen die een bètastudie ging doen, wilde geneeskunde studeren. Een studie van grote maatschappelijke waarde. Iedereen was trots op je als je zei dat je dokter ging worden. Bij scheikunde was dit anders. Het riep vragen op zoals: ga je dan nog meer CO2 de lucht in jagen in de petrochemische industrie? De wereld vervuilen? De grote maatschappelijke relevantie van dit vakgebied werd niet gezien, de gigantische innovatieve kracht die het heeft. En dat terwijl de scheikunde onmisbaar is in de transitie naar een duurzamere wereld. Een wereld waarin we grondstoffen niet verbruiken, maar behouden. Een wereld die we niet vervuilen, maar verzorgen. Scheikundigen zijn nodig, nu meer dan ooit. Vernieuw het schoolvak scheikunde met leren circulair te denken, zodat leerlingen begrijpen dat scheikunde bij uitstek kan bijdragen aan een duurzame wereld.  

Tess van Eeden studeerde scheikunde aan de Universiteit van Amsterdam en is nu onderzoeker bij energie-instituut DIFFER in Eindhoven.  

Dit artikel verscheen eerder in NVOX-magazine, editie oktober 2022. De tekst is in overleg met de auteur bewerkt en ingekort.