Check out our science

Discover the stories of researchers at the
Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering.

Autonoom varen

TU Delft - Professor Rudy Negenborn tells you more about Autonomous vessels In 2030 zit de kapitein aan wal in plaats van op zijn schip. Vanuit zijn uit de kluiten gewassen stuurhut, die vergelijkbaar is met de inrichting van een luchtverkeerstoren, bekijkt hij alle schepen die de haven van Rotterdam willen binnenvaren. Wanneer hij z’n vingers over het touchscreen voor z’n neus beweegt, krijgt hij gedetailleerde informatie over elk vaartuig, bijvoorbeeld welke koers het vaart en wat z’n snelheid is. Met de logistiek hoeft de kapitein zich nauwelijks meer te bemoeien, want de schepen stemmen tegenwoordig zelf hun planning af met containerterminals, sluizen en bruggen. Aan het roer hoeft hij ook al niet meer te staan, net zo min als er matrozen aan boord nodig zijn. In plaats daarvan leggen vaartuigen zelf contact met hun gezagvoerder aan wal, bijvoorbeeld als het erg druk is op het water en ze in een moeilijke situatie verzeild raken. Of als er een onderdeel kapot is. Op dat soort momenten neemt de kapitein de controle weer over. Daardoor is hij in staat om meerdere schepen tegelijk te besturen. Voordelen autonoom varen Het grote voordeel van onbemand varen is dat het goederenvervoer dertig tot veertig procent goedkoper kan. “Daardoor zal de vracht vaker per schip dan per auto vervoerd gaan worden”, zegt Rudy Negenborn, onderzoeker automatische controle voor transporttechnologie en logistiek bij de faculteit 3mE van de TU Delft. Dat is meteen een van de belangrijkste maatschappelijke voordelen van autonoom varen. Bovendien past het bij de Europese doelstelling om het goederentransport duurzamer te maken: door deze van de weg te halen en naar het water en spoor te brengen. Om een voorbeeld van die duurzamere logistiek te noemen: in havens zouden containers meer met autonome schepen verplaatst kunnen worden in plaats van autonome transportwagens. “Als je de vaarkosten verder kunt verlagen, wordt het daadwerkelijk een interessantere optie”. De kosten worden ook op een andere manier verlaagd: doordat schepen, containerterminals, bruggen, sluizen en andere partijen in de haven automatisch informatie met elkaar uitwisselen, kunnen ze met elkaar afstemmen hoe snel ze waar naar toe op welke manier varen om hun cargo op te halen en af te leveren. Op dit moment ontbreekt die centrale coördinatie. “Alle binnenvaartschippers stemmen zelf met elke terminal af hoe laat ze aankomen. Maar als de kraan aan de kade langzamer werkt dan verwacht, dan komen er vertragingen. Die werken door op de planning van alle andere schepen”, zegt Negenborn. Met de komst van steeds grotere vrachtschepen, zullen straks grotere pieken komen in het aantal containers dat wordt aangeleverd en nemen files in de haven alleen maar toe. Hoog tijd dus om te zorgen voor een betere coördinatie, wat zal leiden tot een hogere efficiëntie van het hele havengebied en goederen die beter op tijd worden geleverd. Het is een van de belangrijke onderzoeksrichtingen van de Technische Universiteit Delft. Autonoom varen is ook nog eens veiliger, denken de Delftse wetenschappers. “Op dit moment wordt 75 tot 95 procent van alle ongevallen op zee mede veroorzaakt door de mens”, zegt Robert Hekkenberg, onderzoeker maritieme techniek. Hij laat een afbeelding zien van een ongeluk in het Kanaal, een van de drukste scheepvaartroutes ter wereld, waar twee schepen in de mist op elkaar voeren. “Dat komt door de bemanning die niet goed genoeg heeft opgelet. Nadat het ene schip zonk, zijn er nog drie andere bovenop geklapt. Dit soort menselijke fouten kun je in de toekomst voorkomen door dingen, waaronder de navigatie, te automatiseren”. Ontwerp Maar hoe reëel is autonoom varen eigenlijk, als je bedenkt dat de wet in 150 landen voorschrijft om altijd bemanning aan boord te hebben? Hekkenberg denkt dat het juridische kader rond 2030 wel aangepast zal zijn. Hij vindt het een minstens zo grote uitdaging om schepen volledig te herontwerpen, omdat die nu eenmaal zijn bedacht om te functioneren met behulp van bemanning. “Als er mensen aan boord zijn, kunnen ze tussen de complexe machine-installatie doorlopen, hun hand er tegenaan leggen, luisteren wat er gebeurt, een filter vervangen en kleine reparaties doen. Als er geen mensen meer meevaren, dan gaan de huidige schepen binnen no-time kapot”. En dat is nogal problematisch als je midden op zee zit en er geen haven in de buurt is. De belangrijkste onderzoeksuitdaging van Hekkenberg is dan ook het volledig herontwerpen van het schip en zijn machinekamer. “Heel veel vastigheid die we hebben in het scheepsontwerp is de regelgeving om mensen in leven te houden en bovendien vertrouwen we in hoge mate op de mens om allerlei taken uit te voeren, variërend van onderhoud en navigeren tot het buiten boord gooien van een lijntje, het terugpraten over de radio en het afweren van piraten. Zonder bemanning kan een vaartuig er heel anders uitzien, want een stuurhut is niet meer nodig, net zo min als reddingsboten. Kortom, we hebben over schepen niet meer zo fundamenteel hoeven nadenken sinds we overgingen van houten zeilschepen naar stalen stoomschepen. Door autonoom varen valt ons hele ontwerpkader weg. We zijn feitelijk bezig met een grote systeemverandering”. De Technische Universiteit Delft loopt daarbij in Europa voorop, samen met de Scandinaviërs. In Nederland is ze koploper en werkt nauw samen met de hele scheepsbouwwereld, waaronder onderzoeksinstituten Marin en TNO, rederijen, het loodswezen, mensen die in de haven schepen begeleiden, bedrijven die technische eisen aan schepen stellen, grote scheepsbouwers, leveranciers van equipment, ministeries en brancheverenigingen. Voor het onderzoeken hoe schepen met het bredere transportproces kunnen communiceren, werkt de Technische Universiteit Delft vooral samen met logistieke planners zoals operatoren van containerterminals, havens en binnenvaartschippers. Toch is autonoom varen niet alleen een technische uitdaging voor de Delftse wetenschappers, er zijn ook nog juridische en financiële uitdagingen op te lossen. “Om een schip om zich heen te laten kijken, kun je een standaard radar gebruiken. Die ziet een hoop, maar lang niet alles. Je kunt ook een militaire radar gebruiken, die tien keer zo duur is en alles ziet”, zegt Negenborn. “Hoe gaan we de voordelen halen uit autonoom varen en bedenken we tegelijkertijd een goede business case?”. Maar wacht eens even, wat gebeurt er dan met al die matrozen als ze eenmaal aan wal staan? Worden die allemaal ontslagen? “Lager opgeleiden lijken geleidelijk aan hun baan te verliezen, maar tegelijkertijd is het aantal arbeidsplaatsen in de maritieme sector de afgelopen jaren verdubbeld. Dat aantal zal nog verder omhoog gaan doordat de wereldhandel stijgt en er dus een toename van het aantal schepen nodig is. Omdat die schepen steeds autonomer worden, komen er nieuwe functies in de productiehoek bij”, zegt Hekkenberg. Dat betekent dat niet alleen de kapitein, maar ook de matroos in 2030 voet aan wal zet. In de media Autonoom varen antwoord op dreigend personeelstekort? Maritiemnieuws.nl, 8 december 2016 Autonoom varen mogelijk antwoord op dreigend personeelstekort in de scheepvaart TUdelft.nl, 8 december 2016 Met autonoom varen blijven alle stuurlui aan wal woensdag 14-12-2016, NPO, radio 1 Zelfvarend containerschip verwacht in 2030 BNR radio, woensdag 14-12-2016 ‘Developing the roboat’ TU Delta, 14-12-2016 ‘Onbemand varen is slechts tussenstap’ Schuttevaer, (achter betaalmuur) Autonomous shipping as a possible solution to impending labour shortages in the shipping sector Phys.org Technology, 13-12-2016 Het robotschip komt eraan De Twentsche Courant Turbantia, 23 december 2016 Het robotschip komt eraan Eindhovens Dagblad, 23 december 2016 Het robotschip komt eraan Algemeen Dagblad, 23 december 2016 Slimme schepen varen met 'roboots' Delta, 7 februari 2017 De opkomst van de autonome scheepvaart De Ingenieur, 13 maart 2017 Robert Hekkenberg “We hebben over schepen niet meer zo fundamenteel hoeven nadenken sinds we overgingen van houten zeilschepen naar stalen stoomschepen. Door autonoom varen valt ons hele ontwerpkader weg. We zijn feitelijk bezig met een grote systeemverandering” Rudy Negenborn "Een groot voordeel van onbemand varen is verder dat het goederenvervoer aanzienlijk goedkoper kan. Daardoor zal vracht vaker over het water dan over land vervoerd gaan worden"

Sluit de CO2 kringloop met chemie

Maak er brandstoffen van, met behulp van groene stroom Als we de wereld duurzamer willen maken, moeten we een oplossing vinden voor CO2. Prof.dr.ir. Wiebren de Jong (TU Delft) van de afdeling Process & Energy (sectie Large-Scale Energy storage, LSE) werkt daar hard aan. Hij wil het broeikasgas vastleggen in brandstoffen en andere chemische bulkproducten. In april gaat een project van start om er mierenzuur van te maken. Op de lange duur ziet De Jong mogelijkheden voor transportbrandstoffen en opslag van duurzame elektriciteit. Het is hét probleem van onze tijd: kooldioxide (CO2). Het komt vrij als we benzine, diesel, gas of kolen verbranden, en het hoopt zich op in onze atmosfeer. Daar functioneert het als een warme deken die de aardse temperatuur doet stijgen en het klimaat ontregelt. "Als we het klimaatprobleem willen aanpakken, dan moeten we slimmer omgaan met CO2", zegt De Jong. "De sleutel voor een duurzame toekomst ligt in het sluiten van de CO2 kringloop. Bijvoorbeeld door er weer brandstoffen van te maken, of grondstoffen voor de industrie." Dat klinkt logisch, maar het vergt een flinke dosis technologieontwikkeling. Het probleem is dat het op zich ongevaarlijke, kleurloze gas in de chemische praktijk een soort eindstation is. Het CO2 molecuul is heel stabiel en wie er iets nuttigs mee wil doen, moet er veel energie instoppen. Figuurlijk gezien, maar ook letterlijk. Chemici zijn wat dat betreft flink jaloers op de natuur. Planten gebruiken zonlicht om van CO2 en water suikers te maken, en van daaruit weer andere stoffen. Het kán dus, CO2 benutten, alleen laat zulke biologische fotosynthese zich chemisch niet gemakkelijk nabootsen. Wiebren de Jong gooit het daarom over een andere boeg: "Er komt steeds meer duurzame energie beschikbaar in de vorm van elektriciteit, afkomstig van zonnepanelen en windmolens. Met die groene stroom gaan wij straks de chemische processen aandrijven die CO2 verwerken. Zo kunnen we van CO2 weer brandstoffen maken." Prof.dr.ir. Wiebren de Jong werd op 1 december 2016 benoemd tot hoogleraar 'Large-scale Energy Storage' bij de afdeling Process & Energy van de faculteit 3mE. Enkele maanden eerder werd hij ook al deeltijdhoogleraar ‘Integrated Thermochemical Biorefineries’ aan de Rijksuniversiteit van Groningen. Wiebren de Jong is expert op het gebied van thermische & chemische conversie en bioraffinage. De Jong is aan de TU Delft verbonden sinds de start van zijn promotieonderzoek in 1996. Elektriciteit opslaan Als dat lukt slaat De Jong twee vliegen in één klap. In de eerste plaats wordt het mogelijk om het transport met vrachtwagens, schepen en vliegtuigen een stuk duurzamer te maken. "Elektrische aandrijving is daarvoor te zwaar, en de actieradius is te klein", zegt De Jong. "Met 'CO2-brandstoffen' in de tank kan de transportsector relatief gemakkelijk een gesloten CO2 kringloop realiseren, zonder grote investeringen of veranderingen". De tweede, minstens zo belangrijke toepassing vloeit voort uit het feit dat de processen waar De Jong aan werkt in feite elektriciteit opslaan in de CO¬¬2-brandstoffen. Daarmee is vraag en aanbod van groene stroom in balans te brengen. De productie van groene stroom valt immers zelden samen met de behoefte. Een zonnecel levert stroom als de zon schijnt, maar je doet pas een lamp aan als het donker is geworden. En als je met een windmolen elektriciteit maakt, is het fijn als je die ook in windstille periodes kunt gebruiken. Daar komt nog bij dat in het elektriciteitsnet productie en afname altijd met elkaar in balans moeten zijn. Het heeft weinig zin een land vol zonnecellen te zetten, als er op zonnige dagen voor al die stroom geen afnemers zijn. " Voor een stabiele duurzame elektriciteitsvoorziening is het cruciaal dat je groene stroom kunt opslaan ", zegt De Jong. "Dat kan natuurlijk deels met batterijen. Maar chemische opslag in CO2-brandstoffen maakt het mogelijk echt op grote schaal elektrische energie op te slaan". Een centrale op CO2-brandstoffen kan vervolgens aanvullende stroom leveren op momenten dat zonnecellen en windmolens niet genoeg produceren. De Jong: "Zo buffer je vraag en aanbod en verminder je de afhankelijkheid van conventionele energiebronnen als kolen en kernenergie". Bovendien, zo voegt hij toe, de CO2-brandstoffen kunnen ook een rol vervullen in het 'koppelen van de seizoenen'. Zo wordt het mogelijk om duurzame energie van de zomer (zon) en herfst (wind) te 'bewaren' tot de winter, als er huizen verwarmd moeten worden. Als CO2 eenmaal in de atmosfeer is terechtgekomen, dan is het chemisch gezien niet erg gemakkelijk meer te gebruiken. De Jong: "De concentratie is 400 ppm, een paar honderdste van een procent. Voor het klimaat is dat te hoog, maar procestechnologisch is het niet optimaal". Hij ziet eerder mogelijkheden om CO2 te benutten dat in hoge concentraties vrijkomt, bijvoorbeeld in de schoorstenen van energiecentrales, afvalverbranders en staalfabrieken. Een andere mogelijkheid is om bomen en planten te laten groeien (die nemen immers CO2 op) en die biomassa vervolgens te gebruiken.. Daar besteedt Wiebren de Jong ook veel aandacht aan, met name waar het de benutting van bio-restproducten betreft. Van lab naar fabriek Het onderzoek van De Jong kenmerkt zich door de ambitie om "iets te maken dat werkt", zoals hij het zelf uitdrukt. Zijn kamer grenst aan de proceshal met de 'skids': de technologie-opstellingen om nieuwe processen te ontwikkelen en onderzoeken. "Hier maken we de stap van idee naar werkelijkheid", zegt De Jong. "Wat in een lab bedacht is en op hele kleine schaal in een zuurkast is uitgevoerd, dat werken wij hier uit op zo'n manier dat de industrie er op grote schaal echt iets mee kan doen. Dat betekent bijvoorbeeld dat we optimaal gebruik maken van de warmte-effecten van de chemische omzetting. Zo komen we tot een geïntegreerd proces dat in principe klaar is voor grootschalige toepassing." De industrie, of researchinstituten als TNO en ECN, waar De Jong veel mee samenwerkt, kunnen dan de volgende stap maken met de ontwikkeling van proeffabrieken. Op het gebied van CO2-omzetting is het zover nog niet. Je kunt CO2 met behulp van elektriciteit omzetten in CO, legt hij uit. Dat koolmonoxide is veel minder stabiel en kan daarom als startpunt dienen voor de synthese van brandstoffen en chemische grondstoffen. Zoals zo vaak is het allemaal makkelijker gezegd dan gedaan. Er zijn efficiënte elektrodes nodig om de elektrische energie in de reactor te brengen, het CO2 moet in oplossing gebracht worden, er zijn goede katalysatoren nodig en het is nog een uitdaging om het complexe samenspel van chemische reacties zo te sturen dat vooral het gewenste product ontstaat. "Genoeg werk aan de winkel", zo vat De Jong het samen. Het net twee jaar oude Process & Energy Lab van de faculteit 3mE is de centrale plek voor al het grootschalige onderzoek van de TU Delft op het gebied van proces- en energietechnologie. Het is het enige in zijn soort in Nederland. Het Delftse onderzoek in dit domein vindt plaats binnen zes secties: intensified reaction and separation technology; energy technology; large-scale energy storage; fluid dynamics; multi-phase systems; en engineering thermodynamics. Mierenzuur Een interessant voorbeeld van CO2-benutting is de conversie tot mierenzuur. Dat is een 'brandstof' voor batterijloze elektrische auto's, maar ook een duurzame grondstof voor de chemische industrie. Die wil graag 'vergroenen' en is daarom bereid te investeren. De Jong: "De kennis die we daarmee ontwikkelen is uiteraard ook relevant voor de echt grootschalige processen op de lange termijn, zoals de productie van transportbrandstoffen en 'duurzaam aardgas". In april 2017 gaat een bijzonder project van start, waarin De Jong de route van CO2 naar mierenzuur verder uitwerkt samen met TNO (projectcoördinator), startup bedrijf COVAL Energy, Mestverwerking Friesland, en CE Delft. Ook het Eindhovense studententeam FAST, dat een auto op mierenzuur ontwikkeld, is er bij betrokken. Het onderzoek leverde tot nu toe een eerste prototype op ter grootte van een stoeptegel. "Het is nu zaak het proces in de richting van industriële relevantie te brengen. Dat betekent onder andere grotere elektroden en bijvoorbeeld hogere drukken. Samen met TNO en in nauwe aansluiting op het Voltachem platform voor elektrochemische conversie gaan we uitzoeken wat dat betekent voor de procesvoering." Aan de slag De Jong verwacht veel van onderzoek naar het sluiten van de CO2 kringloop, dat wereldwijd steeds meer aandacht krijgt. Het frustreert hem wel dat er economisch gezien nauwelijks drijvende krachten zijn voor een omschakeling naar duurzame technologie. Fossiele grondstoffen zijn nog erg goedkoop, en CO2 emissierechten zijn veel te laag geprijsd. Hij voelt zelf de urgentie wel degelijk. "Het is onze taak als technologen om oplossingen paraat te hebben als de maatschappij er om vraagt. Het kost tijd om die technologie te ontwikkelen, dus werken we er hard aan." Ondertussen moeten we de maatschappij wat De Jong betreft zelf al flink aan de slag: "Er valt op korte termijn al heel veel te doen", zegt de hoogleraar. "We moeten absoluut energie besparen en het aandeel van duurzame, hernieuwbare grondstoffen vergroten. En het is van belang dat we het CO2 opvangen dat nu vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, en het opslaan". Want, zo legt hij uit, ook met effectieve nieuwe technologie kunnen we het klimaatprobleem zeker niet van de ene op de andere dag oplossen. "Het is net als het sturen van een enorm groot schip; daar zit een forse traagheid in, zo'n schip ligt niet meteen op koers. Daarom moeten we alle zeilen bijzetten en nu al alle maatregelen nemen die mogelijk zijn."

Nauwkeurige structuren maken op hele kleine schaal

Aantrekkelijk gereedschap voor biomedisch en farmaceutisch onderzoek Stel je voor dat een kleine sensor een alarm laat afgaan wanneer er een infectie bij een herstellende wond optreedt, of dat een experimenteel geneesmiddel niet wordt getest op dieren of mensen, maar op een kleine chip vol biologische cellen en sensoren. Het biomedisch vakgebied gaat steeds meer gebruikmaken van technologie op zeer kleine schaal. Dr. Luigi Sasso van de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) werkt aan mogelijkheden om dergelijke kleinschalige technologieën op grote schaal te produceren. De jongste toevoeging aan zijn verzameling gereedschappen is een geavanceerde 3D-printer (de ‘Nanoscribe’) die probleemloos zeer kleine voorwerpen van zo’n 20 nanometer (1 nanometer = 1 miljoenste millimeter) maakt. “We zijn heel blij dat we nu het volledige resolutiebereik tot onze beschikking hebben”, zegt Sasso. Orgaan op een chip Een spannende richting in de gepersonaliseerde geneeskunde is om behandelopties voor individuele patiënten te testen met een kleine hoeveelheid cellen of weefsel. Hoe breng je voedingsstoffen of geneesmiddelen in bij deze cellen en hoe lees je in realtime de reactie op de geneesmiddelen uit? Sasso gebruikt zachte plastics, polymeren genaamd, om kleine structuren te bouwen waarin kanalen zitten voor het transport van vloeistoffen, en die ook sensoren bevatten. “Polymeren zijn biocompatibel: cellen reageren er beter op dan op andere materialen. Ze kunnen ook elektrische stroom geleiden, zodat er elektrochemische sensoren van kunnen worden gemaakt.” Deze sensoren zijn gevoelig voor biomedische parameters zoals de zuurgraad (pH), temperatuur en glucosewaarden. Sasso: “De glucosewaarde van het bloed geeft bijvoorbeeld informatie over de stofwisseling van een cel. En veranderingen in de pH van een wond die aan het herstellen is, kunnen erop wijzen dat de wond geïnfecteerd is.” Wanneer zulke sensoren zijn ingebed in een structuur die cellen kan bevatten en vloeistoffen kan transporteren, ontstaat er een miniatuurlaboratorium (een zogenaamd ‘orgaan op een chip’), dat een heel aantrekkelijk gereedschap is voor biomedisch en farmaceutisch onderzoek. Replicatie Inmiddels zijn de basisconcepten bewezen in laboratoriumomstandigheden. De uitdaging voor Sasso en zijn team is nu om de systemen nauwkeurig en betrouwbaar te repliceren, zodat de weg wordt geopend voor grootschalige productie en gebruik. Als belangrijkste techniek voor de replicatie van polymeerstructuren passen ze soft embossing toe, waarbij een mal wordt gemaakt om de gewenste structuren als het ware te stempelen in het polymeermateriaal. De lengteschaal van deze structuren kan variëren van micro (1 micrometer = 1 duizendste millimeter) tot nano (1 nanometer = 1 miljoenste millimeter). “Hoe kleiner en nauwkeuriger de structuur kan worden gemaakt, en vooral ook gerepliceerd, hoe beter”, legt Sasso uit. Ontwikkeling van medicijnen Neem bijvoorbeeld onderzoek naar medicijnen die nierstenen helpen voorkomen. Nierstenen ontstaan door stoffen in urine die eerst kristallen vormen en vervolgens macroscopische stenen. Om geneesmiddelen sneller te kunnen testen zijn biomedisch onderzoekers op zoek naar kleine testsubstraten voor het basismateriaal waaruit deze kristallen ontstaan. In deze substraten kunnen ze het geneesmiddel inbrengen, zodat het effect op de kristalvorming kan worden bekeken. De vorming van niersteenkristallen op polymeersubstraten kan worden gecontroleerd bij een zorgvuldig ontwerp van de oppervlaktestructuur: hoe meer het oppervlak lijkt op de kristalstructuur van het niersteenmateriaal, hoe sneller het materiaal groeit en hoe eerder het kan worden gebruikt voor de beoordeling van nieuwe geneesmiddelen. Sasso’s werk aan massaal geproduceerde polymeersubstraten met fijne structuren kan daarom bijdragen aan een snellere ontwikkeling van medicijnen. 3D-printen op nanoschaal Een zo hoog mogelijke resolutie is cruciaal voor Sasso’s werk. Daarom is zijn nieuwste gereedschap, de ‘Nanoscribe’ (genoemd naar de leverancier) zo’n belangrijke aanwinst. “Alle relevante lengteschalen zijn nu binnen bereik, van 20 nanometer tot millimeterschaal.” Om op dergelijke kleine schalen 3D-structuren te printen gebruikt de Nanoscribe een techniek die geïnspireerd is op de fabricage van conventionele chips. Bij de fabricagestap die ‘lithografie’ wordt genoemd, wordt een dunne polymeerlaag gedeeltelijk verlicht met ultraviolet licht. Het licht verandert de plaatselijke chemische structuur van de laag zodanig dat in een volgende stap de niet-verlichte delen kunnen worden opgelost en verwijderd, waarna alleen de delen overblijven die in de lithografiestap werden verlicht. In plaats van UV-licht gebruikt de Nanoscribe 2-fotonenabsorptie om de polymeerlaag te verlichten, één 3D-pixel van 20 nm tegelijk. “Het is geweldig dat we de Nanoscribe kunnen gebruiken. Deze opent echt nieuwe wegen voor onze groep. Mijn studenten waren al druk projecten aan het plannen nog voordat hij daadwerkelijk gearriveerd was.” De kleinste Rietveldstoel ter wereld De Nanoscribe zal worden getest om te controleren of hij inderdaad de gewenste objecten van 20 nanometer kan produceren. Als eerste oefening in het gebruik programmeerde Sasso de machine om een 3D-print te maken van een Rietveldstoel ter grootte van 100 micrometer (een tiende millimeter). “Dit is enorm groot in vergelijking met de kleine schalen die de Nanoscribe aankan, maar het leek ons leuk om eenvoudig te beginnen. Het resultaat is prachtig.” De nieuwe machine zou heel Madurodam zo kunnen printen dat het park niet groter wordt dan een paar vierkante centimeter. Diversiteit In de ontwikkelingsketen van idee tot product richt Sasso zich op de technologie, door methoden en technieken te ontwikkelen die cruciaal zijn om in de toekomst producten op grotere schaal te kunnen produceren, met name gereedschappen voor biomedisch onderzoek. Met andere woorden, hij slaat een brug tussen laboratoriumconcepten en gebruikers over de hele wereld. Sasso licht toe: “Delft is een heel vruchtbare omgeving voor dit type onderzoek. Bij de afdeling Precision and Microsystems Engineering heerst een goede samenwerkingsgeest. Samen zijn de onderzoekers deskundig in alle relevante vakgebieden, van theoretische modelvorming tot experimentele methoden. Door deze diversiteit kunnen we uitdagingen vanuit verschillende hoeken bekijken. En met onze technische mentaliteit zijn we een aantrekkelijke partner als aanvulling op de expertise van biomedici.” Volgende doel Sasso’s volgende doel in zijn zoektocht naar oplossingen voor reproduceerbare structuren en een grotere functionaliteit van deze structuren is de toepassing van composietmaterialen. Er worden niet-polymere materialen, zoals nanodeeltjes, aan het arsenaal toegevoegd, zodat nieuwe functionaliteiten binnen bereik komen. Dit betekent echter ook nieuwe uitdagingen voor het productie- en replicatieproces. “Die uitdagingen gaan we graag aan”, besluit Sasso. NERI De afdeling PME heeft het NanoEngineering research Initiative (NERI) geïnitieerd. NERI is een platform voor langetermijnsamenwerking tussen wetenschap en bedrijfsleven om nanowetenschap te vertalen naar toepassingen die relevant zijn voor het bedrijfsleven: Moving nano from lab to app. Moving nano from lab to app vereist een nieuwe basis voor kennis en technologie waarmee reproduceerbare en betrouwbare functies en toepassingen worden ontwikkeld en gemaakt op een schaal die relevant is voor het bedrijfsleven. Dit is een uitdaging waarvoor wetenschap en bedrijfsleven de handen ineen moeten slaan. Luigi Sasso

Fotonica voor een sneller Internet

Een grote uitdaging binnen de fotonica is het nauwkeurig uitlijnen van de fotonische chips, lenzen en spiegels die in minuscule componenten worden gebruikt. Onderzoeker Marcel Tichem werkt aan een methode om dit onderdeel van de assemblage binnen de component zelf te laten plaatsvinden, zogenaamde ‘on-chip assembly’. Daarmee kan de productie nauwkeuriger en veel sneller verlopen dan met de huidige handmatige productieprocessen. Een veelbelovende toepassing voor dit nieuwe assemblageconcept zijn componenten voor de overdracht van data via glasvezelkabels. Marcel Tichem is als universitair hoofddocent verbonden aan de afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) van de TU Delft. Zijn vakgebied is de wereld van de hightechsystemen, waar precisie, snelheid en betrouwbaarheid essentieel zijn. “Bedrijven als ASM International, NXP, ASML en FEI produceren complexe machines en instrumenten die topprestaties leveren. Wij ontwikkelen nieuwe concepten voor de positionering en besturing van precisiesystemen en microsystemen en voor geautomatiseerd ontwerp”, vertelt Tichem. “Zulke concepten maken het mogelijk om te voldoen aan de hoge eisen die optische systemen stellen aan bijvoorbeeld de nauwkeurige uitlijning van lenzen en spiegels.” Dataoverdracht via glasvezel Een van de toepassingen van Tichems werk is dataoverdracht via glasvezel. De bandbreedte van traditionele koperkabel is beperkt, net als de hoeveelheid data die kan worden verzonden, maar de vraag naar dataverkeer blijft groeien. Internet dreigt zelfs vast te lopen als gevolg van de explosieve toename van online video en mobiel dataverkeer. En dan is er nog de factor duurzaamheid. “Kopertechnologie is niet echt energie-efficiënt”, legt hij uit. “Daarom hebben grote datacentra altijd nog veel grotere koelsystemen, vaak in een havengebied zodat er voldoende koelwater beschikbaar is.” Glasvezel kan een oplossing vormen voor beide problemen. “Je kunt via een glasvezelkabel veel meer data doorgeven, zonder dat er overtollige warmte wordt gegenereerd.” Chip ontwerp: TJ Peters, Beeld: Hans de Lijser “Fotonische chips werken met licht in plaats van elektrische signalen. Ze kunnen lichtgolven waarnemen en produceren, die van golflengte veranderen enzovoort”, vertelt Tichem. “Maar zulke functies op microformaat zijn bijzonder lastig te produceren. Stel je eens voor: je moet een piepkleine laserbron maken die een stabiele straal uitzendt en dat gedurende jaren kan blijven doen.” Maar na jarenlang onderzoek is Nederland een van de koplopers geworden op het gebied van de ontwikkeling van fotonische chips, en PIC’s ( Photonic Integrated Circuits , de optische versie van traditionele elektronische microchips) kunnen voor een redelijke prijs worden geproduceerd. Maar fotonica is een orde van grootte complexer dan elektronica. Fotonische componenten, ook wel ‘packages’ genoemd, bevatten naast PIC’s ook micro‐optica en elektronische onderdelen. On-chip MEMS voor de uitlijning van fotonica “Zo’n package is in feite een complex fotonisch systeem. Met name doordat alle onderdelen moeten worden geïntegreerd en uitgelijnd is de assemblage bijzonder complex, en de industrie beschikt nog niet over de technologie om dat proces te automatiseren”, aldus Tichem. Maar daar gaat hij verandering in brengen: zijn huidige onderzoek is gericht op micro-elektromechanische systemen (MEMS) voor de uitlijning van fotonische onderdelen op een chip. “We integreren piepkleine mechanische systemen op de chip, die kunnen helpen met de uitlijning van de fotonische onderdelen.” Dit onderzoek maakt deel uit van een project van STW en het door de EU gefinancierde project PHASTFlex ( Photonic Hybrid Assembly Through Flexible Waveguides ), waarbij onderzoek wordt gedaan naar geautomatiseerde assemblagesystemen om in te spelen op de behoeften van de datacommunicatiesector. Binnen dit project wordt samengewerkt met belangrijke Europese spelers die actief zijn op het gebied van toepassingen en fotonische chips (LioniX, Oclaro) of precisie-assemblage (ficonTEC, Aifotec). Beeld: TJ Peters” Micromachines 2016 , 7(11), 200; doi: 10.3390/mi7110200 Een eerste mijlpaal op de weg naar volledige automatisering zou de automatische uitlijning van twee PIC’s binnen één package zijn. “Bij het assembleren van elektronica kunnen machines duizenden chips per uur oppakken en plaatsen. Bij de assemblage van optica wordt dat nog altijd door een mens gedaan, met behulp van microscopen en zogenaamde precisie manipulatoren”, vertelt Tichem. Binnen het PHASTFlex-project wordt gewerkt aan een proces dat uit twee stappen bestaat. Eerst pakt een machine de PIC’s op en plaatst deze met een nauwkeurigheid van enkele micrometers op een substraat. De machines kunnen dat, maar voor een echt perfecte plaatsing is dat nog veel te onnauwkeurig. Dat is de taak van de MEMS op de chip. “Op een van de chips integreren we een assemblagemachine die bestaat uit piepkleine actuatoren. Met behulp daarvan kun je de positionering van de lichtgolven van de flexibele golfgeleiders op de ene chip heel nauwkeurig uitlijnen ten opzichte van de andere chip.” Zoals de naam suggereert wordt deze functionaliteit puur met assemblage als doel toegevoegd. “Die gebruik je maar één keer. Dit neemt ruimte in beslag op je chip en kost geld, maar je moet dat zien in vergelijking met de huidige productiemethodes, die heel arbeidsintensief zijn.” PME De afdeling Precision and Microsystems Engineering (PME) is een van de afdelingen van de TU Delft die werken aan technologieën die kunnen worden toegepast binnen de optica. De missie van PME is om fenomenen en technologieën van de kleine lengteschaal te benutten om baanbrekende innovatie te realiseren op het gebied van slimme materialen, systemen en apparaten. “We houden ons met name bezig met mechatronica, ofwel systemen die heel nauwkeurig moeten kunnen bewegen”, legt Tichem uit. “De optica is slechts één toepassingsgebied. Slimme materialen geven nieuwe mogelijkheden voor verbeterde prestaties van systemen. Tichem: “Binnen de optica is de uitlijning van spiegels en lenzen van kritiek belang. Die uitlijning kan echter veranderen, bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen. Je kunt de gevolgen daarvan minimaliseren door een constructie te ontwerpen waarvan bepaalde onderdelen niet uitzetten onder de invloed van warmte.” Dat wordt topologie-optimalisatie genoemd, een vakgebied dat ook van belang is voor de moderne technologie van 3D-printen. Optische technologieën – in de context van optische microsystemen ook wel fotonica genoemd – zijn in opkomst. Een toekomstige leerstoel van deze afdeling zal zich uitsluitend toeleggen op micro-optica en opto-mechatronica. De afdeling werkt al aan de ontwikkeling van belangrijke ondersteunende technologieën “Veel van wat we hier doen kan door anderen worden gebruikt om optische systemen te verbeteren, van medische instrumenten en inspectiecamera’s tot meetinstrumenten.” De afdeling PME heeft het NanoEngineering research Initiative (NERI) geïnitieerd. Het doel van NERI is nanowetenschap te vertalen naar industrieel relevante toepassingen: Nano from lab to app . Deze uitdaging vereist lange-termijn samenwerking met bedrijven, academia en andere onderzoek instellingen. PME neemt ook deel aan het recent geïnitieerde Dutch Optics Center (DOC). Kijk voor meer informatie op http://www.phastflex.eu/ of neem contact op met dr. Marcel Tichem ( m.tichem@tudelft.nl ). Marcel Tichem

Mechatronica 2.0: duurzame vorm van alles-in-een

Nederland is goed in mechatronica, het multidisciplinaire veld dat draait om geïntegreerde mechanische systemen die hun werk doen door een slimme combinatie van sensoren, actuatoren en regeltechniek. Prof.dr.ir. Just Herder, hoogleraar Interactieve Mechanismen en Mechatronica en kersverse voorzitter van de Afdeling Precision and Microsystems Engineering aan de TU Delft, kijkt graag verder, naar wat in de wandelgangen ‘mechatronica 2.0’ wordt genoemd. Waar mechatronische onderdelen traditioneel los van elkaar staan, probeert Herder ze verregaand met elkaar te integreren. “Het kan kleiner en preciezer, en met minder materiaal -en energieverbruik”. Crowdsurfen “Waarom heeft een mobiele telefoon aparte onderdelen om met nullen en enen om te gaan, om de buitenwereld af te tasten, en om een trilsignaal af te geven?” vraagt Herder. Zijn onderzoeksgroep probeert de uiteenlopende functies van mechanische systemen op slimme wijze met elkaar te integreren. Een belangrijk voordeel van deze benadering is dat het zich beter leent voor miniaturisatie. En zo is Herder beland in de wondere wereld van de nanotechnologie. “Als we steeds kleinere computerchips willen maken, zullen de apparaten die dat doen ook steeds preciezer moeten worden, zonder dat hun energieverbruik explodeert.” Herder schetst een stip aan de horizon van zijn vakgebied: “Nu chips met een nauwkeurigheid van miljoensten millimeters (de schaal van de nanometer) worden gefabriceerd, moeten we ook nadenken over vervormingen op nanoschaal in de bewegende houder die de chip tijdens het fabricageproces van A naar B verplaatst. Een actieve actuatorlaag tussen houder en chip kan vervormingen op nanometerschaal in de houder compenseren, om zo de chip te beschermen. Maar kunnen we de houder ook helemaal vervangen door duizenden minuscule vingers, die de chip met de grootst mogelijk precisie laten crowdsurfen? Misschien kunnen die vingers ondertussen de chip ook inspecteren.” Het fabriceren en aansturen van dergelijke slimme vingers is bij uitstek een uitdaging voor de nieuwe mechatronica. Buigzaam Een belangrijk gereedschap zijn elastische mechanismen met een extreem lage stijfheid. Door traditionele mechanische systemen, bijvoorbeeld op basis van lagers, te vervangen door deze buigzame alternatieven, ontstaat er een materiaaloppervlak waar actieve lagen op aangebracht kunnen worden. Elektro-actieve polymeerlagen kunnen bijvoorbeeld dienst doen als sensoren, en piëzo-elektrische lagen als actuatoren om bewegingen te genereren. Op deze manier worden beweging, actuatie en sensing in één continue structuur gecombineerd. Deze structuur verspilt minder energie en is bovendien ook goed te verkleinen. Herder: “Dit is een andere manier om naar werktuigbouwkundige machines te kijken. Momenteel zien we dat machines steeds groter worden om een grotere nauwkeurigheid te bereiken en om die reden steeds meer ruimte, materiaal en energie gebruiken.” Energy harvesting Een bijzondere eigenschap van de mechanismen met extreem lage stijfheid die in Herder’s groep worden onderzocht, is dat ze gebruikt kunnen worden om energie te ‘oogsten’ uit trage bewegingen. “Denk bijvoorbeeld aan een zeecontainer,” legt hij uit. “Om te weten waar die zich bevindt, wil je eigenlijk een GPS tracker inbouwen die af en toe een signaal afgeeft. Maar je wil niet telkens de batterijen moeten vervangen. Een simpel mechanisch systeem dat energie haalt uit de bewegingen die de container maakt terwijl het de oceaan oversteekt, heeft geen batterij nodig.” De toepassingen zijn legio, en Herder werkt nauw samen met industriële partners. Het spin-off bedrijf dat voortkwam uit Herder’s onderzoek naar flexibele mechanische onderdelen, Flexous BV, heeft inmiddels dochterbedrijf Kinergizer BV gestart dat zich specifiek richt op energy harvesting toepassingen. Autonome microrobots Herder: “Over 5 jaar hoop ik dat we erin geslaagd zijn om deze lage-stijfheid mechanismen volledig te integreren in micro-elektromechanische systemen (MEMS), gefabriceerd door middel van de gangbare chipfabricagetechnieken. “Als we deze veelgebruikte technieken kunnen inzetten om ook geïntegreerde MEMS/mechatronische systemen te bouwen, gaat er een wereld van mogelijkheden open.” In dezelfde tijd verwacht hij voortgang op het gebied van biogeïnspireerde robotjes voor zich, die autonoom in ongestructureerde omgevingen, zoals over bepaalde organen in het lichaam, kunnen manoeuvreren om deze langdurig en volcontinu te inspecteren. “De natuur maakt geen gebruik van propellers om beweging door een vloeistof te genereren. In plaats daarvan zien we dat trilhaartjes of staartjes die taak uitvoeren. De combinatie van mechatronica en nanotechnologie biedt mogelijkheden om dergelijke systemen te bouwen op de kleinst mogelijke lengteschaal. Op groter formaat hebben we al de eerste resultaten verkregen. In de komende jaren hoop ik dat prototypes zich autonoom kunnen verplaatsen, een beetje zoals een robotstofzuiger dat doet.” Nano-Engineering Research Initiative Herder is enthousiast over het potentieel van de combinatie van mechatronica en nanotechnologie binnen zijn afdeling. “Ik denk dat we nog veel meer kunnen. Talloze interessante fenomenen liggen voor het oprapen nu we nanotechnologische expertise in het vakgebied van de mechatronica injecteren. Hiermee kunnen we materialen, instrumenten en apparaten maken die werken dankzij nanotechnologie ( nano-enabled ), en, omgekeerd, machines ontwikkelen die op grote schaal producten op basis van nanotechnologie maken ( enabling nano ).” Hij verwacht dan ook veel van het Nano-Engineering Research Initiative (NERI) initiatief. “Het mooie aan NERI is de combinatie van expertisegebieden in één afdeling. “Ik heb maar weinig verstand van nanotechnologie maar wel van automatisering. Voor anderen is dat precies andersom. De lijnen zijn kort. We bedenken de meest exotische plannen en komen er telkens achter dat die plannen best haalbaar zijn als we het samen doen.” In aanvulling op de vele projectmatige samenwerkingsverbanden met het bedrijfsleven ziet Herder in NERI een nieuwe manier om de samenwerking vloeiender voort te zetten en om continuïteit te garanderen op de langere termijn. “Het idee is om groepsgewijs bepaalde onderzoeksrichtingen te steunen. Bedrijven uit verschillende branches met interesse in hetzelfde onderzoeksthema slaan de handen ineen. Doordat de deelnemers verschillende toepassingen voor ogen hebben, is er alle ruimte voor samenwerking in plaats van concurrentie.” Momenteel zijn Herder en collega’s volop bezig met de eerste NERI-contracten. “Dit is een kantelpunt. Met NERI kunnen we laten zien wat we in huis hebben en wat we waard zijn.” Prof. Just Herder

Beter begrip staal bevordert kwaliteit vervoersmiddelen

De Titanic was het grootste schip ter wereld. In 1912, tijdens zijn eerste reis, botste het tegen een ijsberg en zonk het binnen drie uur. Ruim 1500 passagiers kwamen om het leven. “Het is de bekendste scheepsramp in de geschiedenis, omdat iedereen dacht dat het niet kon zinken. Maar in die tijd wist men nauwelijks iets over staal”, zegt Jilt Sietsma, hoogleraar Microstructure Control in Metals op de afdeling Materials Science and Engineering. “Alle kennis over staal was destijds gebaseerd op ervaringskennis. Zo gooide een smid een nieuw zwaard in het water om het af te koelen en hield het vervolgens in het vuur om er met een hamer op te slaan en het van vorm te veranderen. Die smid had geen idee van wat zich allemaal in het materiaal afspeelde.”. Inmiddels weten we niet alleen waarom staal bij hogere temperaturen goed vervormbaar is, maar ook dat het bij lage temperaturen heel bros wordt, waardoor het relatief gemakkelijk kan scheuren. Schepen die tussen ijsschotsen door varen, moeten dus gemaakt zijn van materiaal dat daar tegen kan. “We weten dat staal niet meer bros mag worden bij temperaturen rond het vriespunt, maar hoe we dat precies voor elkaar moeten krijgen, weten we niet”, zegt Marcel Sluiter, Universitair Hoofddocent op dezelfde afdeling als Sietsma. “Dat is één van onze grootste onderzoeksuitdagingen. Kortom, we staan nog middenin het fundamentele onderzoek naar staal”. Bij de faculteit 3mE proberen materiaalkundigen de structuur van staal steeds beter te begrijpen. Met structuur bedoelen ze dat ieder atoom zich graag omringt met bepaalde andere atomen. Net als het Atomium in Brussel waar één atoom acht atomen om zich heen heeft; zo’n structuur heet ook wel een kristal. Het Atomium visualiseert de kristalstructuur van ijzer, maar een korreltje keukenzout is net zo goed een kristal. Kristallen zitten ook in staal, alleen zijn die veel kleiner dan in keukenzout en kleven ze keihard aan elkaar vast. Daardoor ervaren we dit materiaal als één stuk. (Foto: Dochter van de Smid. Foto gemaakt door Richard Alma) Verwarm je staal, dan hebben de atomen de neiging om een andere structuur aan te nemen. Dit fenomeen heet fase-transformatie. Veel mensen denken hierbij aan de overgang van gas naar vloeistof naar een vaste stof of andersom. Maar binnen een vaste stof komen dit soort fase-transformaties ook voor. Deze zijn belangrijk om te begrijpen, want de structuur van een materiaal bepaalt uiteindelijk alles: hoe sterk het is, hoe goed vervormbaar het is en hoe goed het tegen corrosie kan. Marcel Sluiter bestudeert die structuur op atomaire schaal en Jilt Sietsma doet hetzelfde op micrometer-schaal, een iets grotere schaal dus. Jilt: “Stel dat een materiaal een aantal eigenschappen zou moeten hebben, waaronder een sterkte van 384 Megapascal. Dan moet je eerst bepalen wat de ideale structuur is en vervolgens hoe je die structuur in de praktijk voor elkaar krijgt”. De grootste paradox in het gebruik van staal is dat het al duizenden jaren gebruikt wordt, onder meer in de bouw, in auto’s en in blikjes van de verpakkingsindustrie, maar dat we er pas in de laatste decennia wat meer van zijn gaan begrijpen. Jilt: “Pas in 1905 werd röntgenstraling ontdekt, waarmee we nu analyseren hoe de materiaalstructuur in elkaar zit. Voor die tijd konden we dus helemaal niet zien uit welke kristallen staal was opgebouwd. We gebruiken staal dus wel makkelijk, maar het begrijpen is een stuk moeilijker”. Toch is in het verbeteren van de eigenschappen van staal veel meer vooruitgang geboekt dan de meeste andere metalen. Een voorbeeld daarvan is de auto: moderne staalsoorten kunnen veel beter de energie bij een botsing absorberen dan vroeger. Kwam je in 1970 in botsing met een auto, dan bood de auto nauwelijks bescherming. Tegenwoordig komt een groot deel van de energie van zo’n botsing niet meer in je lichaam terecht, maar blijft het in de kreukelzone hangen, omdat het huidige staal veel meer vervormingsenergie kan opslaan. Gelukkig weten Delftse wetenschappers steeds beter wat er gebeurt in staal. Inmiddels durven ze te dromen over wat ze in de toekomst voor elkaar zouden willen krijgen. “We willen bijvoorbeeld begrijpen hoe scheuren ontstaan in treinwissels. Als we dat helemaal zouden snappen, dan zouden we ervoor kunnen zorgen dat wissels nooit meer kapot gaan. Wellicht zouden we dan het gebruik van het openbaar vervoer kunnen bevorderen”, zegt Sietsma. Dat klinkt eenvoudig, maar voor de wissels die de afgelopen veertig jaar in Nederland zijn gelegd, zijn allerlei verschillende staalsoorten gebruikt. Een andere toekomstdroom is nog betere kreukelzones in auto’s, bijvoorbeeld ook voor zijwaartse botsingen. De meest ambitieuze toepassing voor staal is bij kernfusie, ofwel het opwekken van energie. Marcel: “Daar zijn enorme hoge temperaturen en stralingsniveaus. Materialen zijn daar echt de bottleneck , omdat de temperatuur waaraan je ze kan blootstellen beperkt is en nog onbekend is hoe ze de stralingsschade ondergaan”. Het fundamentele onderzoek naar staal wordt voor een groot deel uitgevoerd in samenwerking met Tata Steel. Jilt: “Als we de fundamentele basis van staal beter kennen en goed kunnen modelleren, kunnen we veel efficiënter nieuwe staalsoorten ontwikkelen en zijn we niet meer afhankelijk van trial and error. Tata Steel vertaalt ons fundamentele werk naar hun researchafdeling en naar toepassingen in hun fabriek, zoals het maken van staal voor auto’s en verpakkingsstaal”. Ook met ProRail doet 3mE projecten: aangezien alle rails en wissels van staal zijn gemaakt, gaat het onderzoek over waar schade ontstaat, waarom en hoe dat samenhangt met de structuur van staal. Het liefst zouden de Delftenaren willen dat alle ingenieurs een beter begrip van krijgen van materiaalkunde. Bij voorkeur al vanaf dat ze student zijn. Marcel: “Alles is van materialen gemaakt en elke ingenieur zou daar meer over moeten weten. In de praktijk blijken ze vaak niet in staat om het optimale materiaal te kiezen, bijvoorbeeld voor een spoorwissel, een biomedische toepassing of een brug. Voor al die gebieden heb je andere wensen: in de buitenlucht en in het menselijk lichaam moet het materiaal niet corrosiegevoelig zijn, terwijl staal in een auto een hoge sterkte en een hoge vervormbaarheid moet hebben. Het gaat er bovendien niet alleen om dat je het beste materiaal kiest, maar ook dat het op lange termijn goed blijft. Ingenieurs moeten goed gaan begrijpen dat materiaal uit meer aspecten bestaat dan die ene tabel waarin staat hoe sterk het precies is”. Jilt Sietsma Marcel Sluiter
/* */