Slimme sensoren met impact
Waarom we weerstations in Afrika nodig hebben
Professor Kofi Makinwa maakt sensoren op basis van chiptechnologie. Eén van zijn successen is een windsensor zonder bewegende delen. Die zou hij samen met andere sensoren willen combineren in betaalbare, robuuste weerstations voor Afrika, want daar komen nu heel weinig meteorologische data vandaan. We hebben behoefte aan mondiale weer- en klimaatmodellen, maar van een derde van de wereld weten we nog veel te weinig, aldus de hoogleraar micro-elektronica aan de TU Delft.
Mijn sensoren worden gebruikt in de nieuwste gadgets van Apple. Maar wat is het nut buiten de Westerse wereld, vroeg ik me wel eens af.
Wat zijn dat precies, sensoren op basis van chiptechnologie?
Sensoren vormen de verbinding tussen de echte wereld en computers. Mijn vak is het ontwerp van slimme sensoren: microchips die sensoren en signaalbewerking combineren. Ik maak dus chips die als het ware hun omgeving kunnen voelen, die informatie kunnen verwerken en vervolgens doorgeven aan een computer, alles in één. Met chiptechnologie kunnen we die heel goedkoop maken. Een voorbeeld zijn de banddruksensoren in auto’s. Die meten de druk in een draaiende band en communiceren dat draadloos naar het dashboard. Een andere voorbeeld zijn de temperatuursensoren die overal zitten: in je smartphone, in je auto, in huishoudelijk apparaten. Sensoren die ik op de TU Delft heb ontwikkeld, zijn inmiddels in productie bij bedrijven als SiTime, AMS en NXP en worden onder andere gebruikt in de nieuwste gadgets van Apple. Maar wat is het nut buiten de Westerse wereld, vroeg ik me wel eens af.
Zo kwam je op het idee van een windsensor?
Dat idee was niet van mij, maar van mijn voorganger en promotor, professor Huijsing. Hij bedacht een sensor die wind meet op dezelfde manier dat mensen dat doen, op basis van temperatuur. Als je een vinger in de lucht steekt, waait er wind langs. Eén kant van je vinger wordt dan iets koeler dan de andere, dat voel je en aan de hand daarvan kun je een schatting maken van hoe hard het waait en uit welke richting. Tijdens mijn promotieonderzoek heb ik de elektronica die daarvoor nodig was drastisch vereenvoudigd. Het geheel past nu op een chip van 4x4 millimeter. Het grote voordeel van deze manier van wind meten is dat er geen bewegende onderdelen inzitten, zoals in de traditionele anemometers. Dat maakt het robuust.
Maar één sensor maakt nog geen weerstation…
Klopt, maar een robuuste regensensor bestaat inmiddels wel. Bij de afdeling van Nick van de Giesen (hoogleraar Watermanagement), bedachten ze een akoestische regensensor, de Disdro. Die werkt met een supergoedkoop piëzo-elementje zoals dat ook in muzikale wenskaarten zit. Daarmee kun je het aantal druppeltjes dat erop valt meten. Het doet me altijd denken aan mijn jeugd in Nigeria. Het geluid van tropische regen op een stalen dak is heel geruststellend, daar val je zo van in slaap.
De rest van de sensoren die je nodig hebt, zijn eigenlijk al gemeengoed. Sensoren voor temperatuur en luchtdruk bijvoorbeeld zitten in je smartphone. Het meten van zonne-intensiteit kan met een vereenvoudigde fotocamera, dus dat bestaat ook al. De kostprijs van zulke sensoren is centen. Verbind je die sensoren aan een microprocessor, dan kan die via een gsm-verbinding eens in de zoveel tijd hun informatie afgeven. De data-rate van een weerstation is niet zo hoog. Temperatuur, luchtvochtigheid en nog een paar grootheden; dat past allemaal in één tekstbericht. Je kunt het hele station voeden met een zonnepaneel; zon genoeg in Afrika.
Het doet me altijd denken aan mijn jeugd in Nigeria. Het geluid van tropische regen op een stalen dak is heel geruststellend, daar val je zo van in slaap.
Dus binnenkort staan die weerstations in Afrika?
Nick van de Giesen is met zijn TAHMO-project flink aan het investeren in een netwerk in Afrika. Dat is belangrijk, want projecten in Afrika mislukken vaak vanwege gebrek aan eigenaarschap. Goedbedoelende organisaties installeren iets en gaan weer naar huis in de veronderstelling dat het probleem is opgelost. Dan is er meestal niemand getraind die voor het onderhoud kan zorgen, of weet hoe je er op de juiste manier mee omgaat. En laat je iets duurs achter, dan belandt het vaak op de zwarte markt. Er worden nu weerstations neergezet bij scholen met een educatief pakket erbij. Op die manier creëer je eigenaarschap, want dan zeggen mensen: dat is voor onze kinderen, daar moet je vanaf blijven. Maar als je elke dertig kilometer een weerstation wilt plaatsen, heb je er enkele tienduizenden nodig. Daarvoor moeten ze behalve robuust ook goedkoop zijn, liefst onder de honderd euro per stuk. Dat lukt alleen als die goedkope regen- en windsensor er ook inzitten.
Wat moet daar nog voor gebeuren?
De laatste grote horde is hoe we die regen- en windsensoren op een goedkope manier kunnen kalibreren. Voor een temperatuursensor hoef je alleen iets kleins op te warmen en af te koelen, maar voor een windsensor is dat ingewikkelder. Voor het meten van windsnelheid moet je een bepaald volume lucht in beweging brengen en dat blijkt niet eenvoudig te zijn. Het moet ook in een windtunnel gebeuren en dat kost tijd. Bovendien moet je de sensoren stuk voor stuk kalibreren, vanwege allerlei maaktoleranties die van sensor tot sensor verschillen. Hoe langer je bezig bent, hoe duurder het natuurlijk wordt. Ik heb nu twee ideeën. Je zou het ontwerp en de fabricage dusdanig kunnen standaardiseren dat elke sensor een bepaalde basisnauwkeurigheid heeft. Een andere denkrichting is, of we misschien door het strategisch plaatsen van warmtebronnen het effect van de wind systematisch kunnen nabootsen. Dan kun je ze in een veel kleinere opstelling kalibreren. Bij de regensensor speelt iets vergelijkbaars. Hoeveel millimeter is er precies per oppervlakte gevallen? Om dat te kalibreren, zou je een zeer gecontroleerde douche moeten hebben.
Toch hebben we die weerstations hard nodig…
Jazeker, om te beginnen voor Afrika zelf. Weersvoorspellingen zijn heel belangrijk voor boeren, vooral in deze tijden van extreem weer. Zo merk ik dat in Nigeria, waar ik vandaan kom, het weer verandert. Er zat altijd een onderbreking in het regenseizoen, de zogenaamde ‘August break’, maar in plaats daarvan komt het droge seizoen nu eerder. Dat is desastreus voor boeren die zaaien op basis van het bekende groeiseizoen. Ook in Zuid-Afrika, waar ik pas was, hadden ze in Kaapstad al twee jaar lang ongekende droogte. Een van de redenen dat we zoveel vluchtelingen hebben, is dat het zo penibel is in hun land van herkomst. Mensen zijn wanhopig. Het klimaat en de weerspatronen zijn aan het veranderen. Regeringen falen. Die mensen moeten we hoop geven. We moeten een vooruitzicht schetsen dat hard werken en je inzetten beloond wordt met een – al is het maar een heel klein beetje – beter leven.
We hebben dus meer weer- en klimaatdata nodig. Dat is ook in ons eigen belang. Hoe beter wij het veranderende klimaat in kaart brengen, hoe beter voor ons allemaal. Observaties vanaf satellieten zijn daarvoor niet genoeg; we moeten gronddata hebben om onze modellen te verifiëren.
Als we er hier zelf ook belang bij hebben, waarom zijn die weerstations er dan nog niet?
Dankzij de smartphone en de auto hebben we al een aantal sensoren van voldoende kwaliteit. Voor wind en regen hebben we ook de principes, maar zijn de productiemethodes nog niet goedkoop genoeg. Dat is een oplosbaar probleem, maar om het te kraken hebben we geld en inzet nodig. Het is geen hele grote markt en de toegevoegde waarde voor de consument is gering. Je wordt dus niet de volgende Bill Gates of Mark Zuckerberg als je hierin investeert. Blijkbaar vinden we zaken als onze mobiliteit een stuk belangrijker dan weerstations in Afrika.
Tekst: Agaath Diemel | Foto: Mark Prins | Oktober 2017