Stories of Aerospace Engineering

Lees interviews en verhalen van onderzoekers en studenten aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en ontdek de wetenschappelijke vragen waaraan zij werken en de oplossingen waarmee ze komen.

Formatievliegen op een paar druppels water

Omdat er steeds kleinere satellieten komen, wordt er ook gezocht naar kleinschalige voortstuwingsmethoden. Dr. Angelo Cervone van de afdeling Space Engineering (SpE) richt zich in zijn werk op voortstuwingssystemen op basis van MEMS. “De huidige kleine satellieten beschikken nauwelijks over aandrijving, wat betekent dat ze niet van baan kunnen veranderen en geen complexe manoeuvres kunnen uitvoeren. De ontwikkeling van microvoortstuwingssystemen betekent een hele vooruitgang”, zegt hij. “Daarmee wordt het ook mogelijk om constellaties van satellieten in te zetten die in formatie vliegen.” Universiteiten lopen al geruime tijd voorop bij de ontwikkeling van kleine satellieten. Wat ooit begon als een methode om studenten te leren hoe ze satellieten kunnen bouwen en lanceren, is inmiddels gemeengoed geworden. “Nanosatellieten worden niet meer alleen voor onderwijs en onderzoek gebruikt. Een groot aantal bedrijven lanceert kleine satellieten voor het maken van beelden en andere commerciële toepassingen”, aldus dr. Cervone. In februari 2017 werd het recordaantal van 101 nanosatellieten aan boord van één raket gelanceerd vanaf het Indiase ruimtevaartcentrum Sriharikota. Daarvan waren er 88 van het aardobservatiebedrijf Planet Labs Inc, opgericht door voormalig NASA-medewerkers. “Hun doel is om elke plek op het aardoppervlak dagelijks in beeld kunnen brengen, als een soort Google Earth die elke dag wordt geüpdatet.” Maar geen van de 101 CubeSats aan boord had aandrijving. Met een voortstuwingssysteem zouden zulke nanosatellieten hun koers kunnen bijstellen of op de juiste hoogte blijven, waardoor ze veel langer hun werk zouden kunnen blijven doen. “Als ze in een erg lage omloopbaan zweven, bijvoorbeeld op 300-350 kilometer, dan is er nog steeds wat lucht. Dat creëert luchtweerstand, waardoor ze trager gaan vliegen en uiteindelijk na een paar maanden of zelfs dagen in de atmosfeer terugvallen.” Aandrijving is ook een sleutelfactor voor missies gebaseerd op satellietconstellaties die in formatie vliegen. “Satellieten die in formatie vliegen moeten hun positie ten opzichte van elkaar nauwkeurig behouden. Dat is heel moeilijk voor elkaar te krijgen zonder aandrijving.” Een zwerm satellieten de ruimte in sturen is een langetermijndoel van de afdeling SpE: tijdens de OLFAR-missie moeten satellietjes die in een baan om de maan cirkelen samen een virtuele telescoop vormen om de dark ages van het universum te bestuderen. Cervone werkt al sinds zijn master- en promotieonderzoek aan de universiteit van Pisa aan aandrijving in de ruimte. Na twee jaar postdoconderzoek in Osaka kwam hij in 2012 bij TU Delft werken. Daar verlegde hij zijn focus naar aandrijfsystemen die geschikt zijn voor de kleine satellieten waar de universiteit aan werkt. Dat is niet simpelweg een kwestie van het verkleinen van bestaande grotere systemen. “Niet alles verandert evenredig met de grootte. Verschillende factoren nemen verschillend af of toe, sommige lineair, andere kubiek of kwadratisch. Als je bijvoorbeeld de omvang met een factor tien verkleint, zal de stuwkracht met een factor 100 afnemen, en wordt de kans op energieverlies tien keer zo groot.” Resistojets Hoewel er steeds meer onderzoek wordt gedaan naar micro-aandrijving, kwam Cervone erachter dat het stuwkrachtbereik van 1-10 millinewton (mN) nog grotendeels onontgonnen gebied was – een bereik dat heel bruikbaar is voor CubeSats die van baan moeten veranderen of snel moeten draaien. “Er zijn systemen die meer stuwkracht bieden, maar voor een satelliet zo groot als de CubeSat is dat alsof je een vliegtuigmotor op een auto schroeft: hij is er gewoon te groot voor, waardoor de satelliet onbestuurbaar wordt.” Die stuwkracht kan bereikt worden met de zogenaamde resistojets waar Cervone zijn onderzoek nu op concentreert. “Voor zover wij weten kun je alleen daarmee deze stuwkracht realiseren met een acceptabel brandstof- en energieverbruik. Voor grotere systemen zijn resistojets minder efficiënt, vandaar dat het onderzoek naar deze ogenschijnlijk simpele oplossing nooit echt volledig tot wasdom is gekomen. Maar voor onze vereisten zijn ze precies goed.” In een resistojet wordt stuwstof via een weerstand verhit en dan uitgestoten via een straalpijp. “We gebruiken energie van de zonnepanelen van de satelliet om stroom door een weerstand te sturen. Hierdoor wordt het systeem warm en geeft thermische energie af, die op zijn beurt de stuwstof verwarmt”, legt Cervone uit. “We onderzoeken water als mogelijke stuwstof, omdat het ‘groen’, veilig en makkelijk in het gebruik is. Verrassend genoeg levert het ook uitstekende prestaties. We hebben laatst een artikel gepubliceerd in het ASME Journal of Heat Transfer, waarin we aantoonden dat van alle vloeistoffen die onder bijna normale omgevingsomstandigheden vloeibaar zijn, water het meest efficiënte verbruik had qua volume, en als tweede uit de bus kwam qua massa.” Voor de onderzoekers op dat punt kwamen, moesten ze eerst hun eigen onderzoeksinstrumenten en -installaties bouwen. “Onze eerste taak was het ontwikkelen van een instrument dat de stuwkracht nauwkeurig genoeg kan meten. In gewicht is één millinewton 0,1 gram. Dat is de kracht die je voelt als je een veertje op je vinger legt: vrijwel niets.” Uiteindelijk bedachten ze een systeem dat werkt op basis van een slinger. “We plaatsen ons voortstuwingssysteem op de slinger en geven dan een stoot met de stuwraket. Daardoor gaat de slinger een beetje oscilleren; we kunnen die slingerwijdte meten en relateren aan de kracht.” De volgende belangrijke ontwikkeling is een vacuümkamer, zodat ze hun systemen in vergelijkbare omstandigheden als die in de ruimte kunnen testen. “Bij zulke kleine systemen blijft er veel onzekerheid bestaan als je ze niet in een vacuüm test, omdat de druk van de atmosfeer het effect van de stuwkracht compleet kan opheffen. Om te weten wat er precies in de ruimte zal gebeuren, hebben we een vacuümkamer nodig.” In de tussentijd gebruiken ze een vacuümoven, een kamer waarin er een bepaald vacuüm kan worden bereikt, hoewel dit het bij verre niet haalt bij de omstandigheden in de ruimte. “We denken er ook over om misschien bestaande vacuümkamers te gebruiken, zoals die van ESA-ESTEC, maar daar krijgen we dan natuurlijk maar een beperkte hoeveelheid tijd. We hebben er dus echt zelf een nodig, zodat we kunnen testen wat we willen op het moment dat dat nodig is.” Fabricage Het fabriceren van micro-voortstuwingssystemen is ook een uitdaging, omdat het complete systeem met daarin het verwarmingssysteem, het kanaal voor de stuwstof, de straalpijp en zelfs een watertank soms niet groter is dan een suikerklontje. “We gebruiken onderdelen van een paar millimeter of kleiner, soms zelfs zo dun als één hoofdhaar”, vertelt Cervone. “Bovendien moeten we daarbij de vloeibare, elektronische en structurele onderdelen integreren.” Vandaar dat zijn groep zich heeft gewend tot de technologie voor het produceren van micro-elektromechanische systemen (MEMS), waarvoor ze samenwerken met het Else Kooi microfabricage-lab van TU Delft. Het gebruik van MEMS biedt uitstekende mogelijkheden voor verdere integratie. “Afgezien van het verwarmingssysteem, de straalpijp en het kanaal integreren we ook elektronica zoals sensoren en het besturingssysteem voor de stuwraket”, zegt Cervone. “We overwegen ook om een MEMS-klep toe te voegen, een bewegend onderdeel dat het kanaal opent en sluit en zich nu nog buiten de chip bevindt. De kleppen die we op dit moment gebruiken zijn 1 of 2 centimeter, dus die moeten echt nog wel verder verkleind worden.” Micro-afmetingen stellen ook hoge eisen aan de gebruikte materialen. Zo zijn materialen die te veel uitzetten en krimpen onder invloed van de temperatuur niet geschikt, omdat zelfs kleine veranderingen in de afmetingen een enorme impact kunnen hebben. “MEMS worden voornamelijk van silicium gemaakt, een materiaal dat warmte goed geleidt. Het verspreidt warmte heel snel naar de externe omgeving. Dat is een probleem bij aandrijving: je wilt zoveel mogelijk thermische energie naar de stuwstof sturen, niet de ruimte in”, licht Cervone toe. “Een mogelijke oplossing is het isoleren van het systeem door middel van speciale kleuren of materialen.” Op de lange termijn gaan ze ook kijken naar 3D-printen. “Bij 3D-printen kun je een ontwerp elke gewenste vorm geven en zo ingewikkeld maken als je maar wil. Anders dan de traditionele fabricagemethode, waarbij delen worden verbonden of materiaal wordt verwijderd, maakt een 3D-printer je ontwerp uit één stuk zonder naden of verbindingen. Dat is nog niet mogelijk op micrometerschaal die wij nodig hebben, maar de ontwikkeling gaat heel snel en ik verwacht dat technologie over een paar jaar wel zover is gevorderd.” Satelliet op een chip Verdere verkleining kan uiteindelijk leiden tot concepten als de ‘satelliet op een chip’. “Satellieten op chip-formaat zouden verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor ruimtemissies. Stel je voor dat je zulke kleine chips de ruimte in kunt sturen en er vrijwel alles mee kunt doen wat we nu met gewone satellieten doen. Dan kunnen ideeën die nu nog science fiction lijken, realiteit worden. Neem bijvoorbeeld het Breakthrough StarShot project dat door Stephen Hawking en Mark Zuckerberg wordt gesteund. Hun plan is om chip-satellieten naar Proxima Centauri te sturen, de ster die het dichtst bij ons zonnestelsel staat. Zover zijn we echter nog niet, er is nog wat meer onderzoek nodig.” Wordt vervolgd.

Een veranderende aarde gezien vanuit de ruimte

Voor satellietmissies is het noodzakelijk dat de baanberekeningen zo exact mogelijk zijn. Daar zijn Dr. Ernst Schrama en zijn collega’s al tientallen jaren expert in. Ze gebruiken satellietdata ook voor het monitoren van veranderingen aan het aardoppervlak. En met nieuwe missies met andere meetapparatuur in het verschiet, blijven de uitdagingen komen. “Je zult niet snel stilzitten in dit vak”, aldus Schrama. Dr. Ernst Schrama is al meer dan vijftien jaar verbonden aan de sectie Astrodynamics and Space Missions van de afdeling Space Engineering. Het onderzoek begon destijds met het heel precies berekenen van satellietbanen. Schrama vertelt: “Traditioneel werkt onze groep aan satellietbaanmechanica. Aan de hand van laser-, radar- of radiofrequentiemetingen vanaf de grond weten we waar de satelliet precies is en kunnen we berekenen waar die naartoe gaat.” Vanwege hun grote expertise op dit gebied werkten Schrama en zijn collega’s onder meer mee aan ESA’s GOCE missie in 2009, aan de CryoSat-2 missie in 2010, en aan de SWARM-missie in 2013. Daar blijft het niet bij: de sectie is tevens expert in het interpreteren en gedetailleerd modelleren van meetgegevens die de instrumenten aan boord van de satellieten doorgeven. Een belangrijk toepassing daarvan is het monitoren van veranderingen van het aardoppervlak, zoals de ijskappen en het zeeniveau. Geofysisch onderzoek dus. “Geofysici kijken naar het systeem aarde en hoe dat verandert,” legt Schrama uit. “Het idee is dat we zonder het aardoppervlak aan te raken, toch weten wat voor volume en vorm het heeft en hoe het verandert. Dat kan rechtsreeks met hoogtemetingen, maar ook indirect via metingen van het zwaartekrachtveld.” Radarhoogtemetingen Zo hebben satelliethoogtemeters ons nieuwe inzichten verschaft in hoe de oceanen er precies uitzien onder het wateroppervlak en hoe de oceaanbodem zich in de loop van miljoenen jaren heeft ontwikkeld. Schrama toont een kaart volledig opgebouwd uit radarhoogtemetingen en wijst naar wat een onderzeese vulkaanketen blijkt te zijn, de Hawaii-Emperorketen: “Dat vulkaansysteem is ontstaan boven een warm punt diep in de aarde, een soort kachelpijp. Daar liggen nu vulkanische eilanden en er komen er steeds meer bij. Maar de aardkorst, de Pacifische Plaat om precies te zijn, beweegt heel langzaam een paar centimeter per jaar naar het Noordwesten toe. Dus waar nu Hawaii ligt, beweegt de oceaanbodem langzaam naar het Noordwesten, terwijl er in het Zuid-Oosten nieuwe eilanden gevormd worden. Dit proces is al 300 miljoen jaar gaande, en we herkennen het duidelijk in de zwaartekrachtskaart.” IJsmassa’s en oceanen, bergen en continenten maken het aardoppervlak onregelmatig en ze zijn ook nog eens in beweging. Dat zorgt voor verschillen in massa en dus ook in zwaartekracht, afhankelijk van waar en wanneer je die meet. Mensen voelen die zwaartekrachtverschillen niet, maar satellieten kunnen ze wel waarnemen. Met behulp van zwaartekrachtmetingen kun je dan ook iets zeggen over bijvoorbeeld zeestromingen of gletsjersbewegingen. En twee satellieten weten in zo’n geval meer dan één. “We hebben meegewerkt aan de ontwikkeling van experimenten waarbij je meerdere satellieten in de ruimte brengt,” vertelt Schrama. “Dan kun je hun onderlinge afstand meten en hoe die verandert onder invloed van het krachtenveld dat op die satellieten werkt. Zo kunnen we dat nog beter onderzoeken.” NASA’s GRACE-missie die in 2002 gelanceerd werd is een goed voorbeeld: de tweelingsatelliet heeft de afgelopen vijftien jaar nieuwe inzichten gegeven in de verdeling van land en water over de aardbol. Zeespiegelstijging Vooral die veranderingen in ijsmassa’s en zeeniveau staan volop in de belangstelling, vanwege hun link met klimaatverandering. De huidige zeespiegelstijging is aantoonbaar groter dan zij de afgelopen tweeduizend jaar geweest is, zo weten we uit historische bron. “De Romeinen hadden tanks om vis te vangen. Die hadden een opening ter hoogte van de vloedlijn. Je weet dus waar die tweeduizend jaar geleden gelegen moet hebben, zo’n zestig centimeter onder het huidige zeeniveau”, vertelt Schrama. “Dat is een indicatie dat het zeeniveau de afgelopen tweeduizend jaar circa zestig centimeter gestegen is. We meten nu al dertig centimeter per eeuw, dat is zestig centimeter in twee eeuwen, in plaats van twee millennia. We weten ook dat ijssystemen in omvang afnemen”, gaat hij verder. “Maar wordt die stijging van de zeespiegel nu alleen veroorzaakt door het smelten van ijs of zijn er andere factoren van invloed, bijvoorbeeld het opwarmen en daarmee uitzetten van de oceanen?” Uit Schrama’s onderzoek blijkt dat de helft van die stijging veroorzaakt wordt door het opwarmen en uitzetten van de oceanen en de andere helft afkomstig is van smeltwater van gletsjers op Groenland, Antarctica en kleinere ijssystemen zoals Alaska of de Alpen. Daarvoor combineerde hij verschillende soorten metingen. “Met hoogtemeting boven het ijs en zwaartekrachtmetingen kun je zien wat er met het ijs aan de hand is, maar we doen ook volumeveranderingsmetingen aan de oceanen. Door beide van elkaar af te trekken, weet je welke gedeelte van de zeespiegelstijging je kunt toeschrijven aan welk fenomeen.” Ook combineert hij satellietmetingen met andere technieken. “Er is een heel netwerk van automatische boeien die bijvoorbeeld temperatuur en zoutgehalte van de oceanen meten. Die gegevens gebruiken we dan weer om te kijken of dat in overeenstemming is met wat wij meten en berekenen via de radar- en lasermetingen.” Postglaciale opheffing Om nu veranderingen in de ijskap en de zeespiegel goed te modelleren moet je bovendien rekening houden met postglaciale opheffing. De aardkorst veert immers nog steeds op als gevolg van het smelten van de ijskappen aan het einde van de laatste grote IJstijd die 20.000 jaar geleden eindigde. “De Scandinavische en Noord-Amerikaanse ijssystemen zijn verdwenen, maar dat proces van terugveren is nog niet afgelopen en dat kunnen we goed meten,” aldus Schrama. “Voor Antarctica is dat al veel moeilijker, omdat het systeem veel groter is. Het modelleren van dat proces is ook iets dat we hier doen. Daarvoor combineren we dan meetgegevens van de GRACE-satellieten met bijvoorbeeld GPS-metingen van ontvangers op het land en gegevens over de bodemdruk van de oceaan.” Een onderwerp als klimaatverandering roept ook steeds nieuwe vragen op. “Over de afgelopen vijftien jaar hebben we veranderingsprocessen geconstateerd. Zit daar een versnelling in en zo ja hoe komt dat, of verandert dat over tien jaar weer? Dat willen we kunnen meten en begrijpen. Daar hebben we nieuwe satellietmissies en metingen met nieuwe instrumenten voor nodig.” Die komen er ook aan. “Er wordt aan een GRACE follow-on missie gewerkt, die binnenkort wordt gelanceerd. De huidige missie werkt met microgolven om de onderlinge afstand van de satellieten te meten. Dat wordt straks een microgolven en een laserinterferometer, die naar verwachting 20 keer zo accuraat is. “ Betere instrumenten en hoger datasnelheden brengen ook nieuwe uitdagingen met zich mee. “Hoe gaan we met die kennis om? Sluiten de nieuwe metingen aan op de oude of moeten we correcties doorvoeren? Krijgen we er betere informatie mee?” Nieuwe missies en uitdagingen Een andere missies die in de pijplijn zit, is NASA’s ICESat-2 (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2). “ICESat-1 heeft niet zo lang geleefd, van 2003 tot 2009. Er was een probleem met de lasers, waardoor er niet continu gemeten kon worden. De nieuwe missie belooft het beter te doen,” zegt Schrama. “Dat is allemaal wel in aanvulling op lopende missies. Dat is een hoop meetinstrumenten om gegevens van te verwerken. Je zult niet snel stilzitten in dit vak.” Inmiddels hebben al die missies en instrumenten ook een hoop data opgeleverd. Om daarin overzicht te behouden, beheert de sectie ook RADS, een Radar Altimeter Data System. “We krijgen steeds meer gebruikers voor RADS en we doen ons best het systeem zo goed mogelijk toegankelijk te maken.” Onderwijs Stilzitten in het onderwijs is er al evenmin bij. “Er komen inmiddels meer dan honderd masterstudenten per jaar binnen; tien jaar geleden waren dat er een stuk of veertig. Het traditionele beeld van vooral studenten uit Nederland en België klopt allang niet meer. We zien bijvoorbeeld veel studenten uit Zuid-Europa en ook veel uitwisselingsstudenten via het Erasmusprogramma.” Studenten stellen ook andere eisen tegenwoordig. “ Het online aanbieden van onderwijs is een veranderslag waar we echt mee verder moeten,” vindt Schrama, die inmiddels een online versie van het vak Satellite Orbit Determination gemaakt heeft. Het bouwen en lanceren van (kleine) satellieten, de CubeSats, is ook al traditie bij de afdeling Space Engineering. Daar maakt Schrama gebruik van voor zijn practicumonderwijs. “We laten studenten zelf bij EWI de metingen doen, zodat ze kunnen zien hoe het signaal op een grondstation eruit ziet, en er vervolgens mee kunnen rekenen.” Inmiddels is de afdeling bezig met de ontwikkeling van de nog kleinere PocketQubes. Ook hier denkt graag Schrama graag mee over experimenten. “Daar kan voor ons zinnige informatie uitkomen, bijvoorbeeld over het ruimteweer.” Zo is het destijds ook begonnen met het onderzoek. “Een van mijn vroegere hoogleraren heeft destijds flink gelobbyd bij ESA om een ‘gradiometer’ in de GOCE-satelliet te krijgen. Dit is een instrument om de kromming van het aardse zwaartekrachtsveld te meten. In de jaren tachtig hebben daarvoor hier in Delft de ontwerpstudies gedaan. Wat moet er gemeten worden en wat voor resultaten verwacht je?”, vertelt hij. “Hoe je zo’n instrument vervolgens bouwt, moet je dan aan de industrie overlaten.” Of in dit geval: aan de collega’s. Photo: Greenland icebergs Disko Bay, Ian Joughin, Polar Science Centre, University of Washington.

Hoger en verder

Dr. Axelle Viré is universitair docent bij de afdeling Aerodynamics, Wind Energy & Propulsion (AWEP). Ze werkt aan de numerieke modellering van drijvende en vliegende windturbines. “De toekomst van windenergie ligt hoger in de lucht en verder op zee. Daarmee worden nieuwe markten aangeboord en komen we letterlijk op onontgonnen gebied”, zegt ze. Modellen voor drijvende en vliegende windturbines moeten rekening houden met de zogeheten vloeistof-structuurinteracties. “In het geval van drijvende windturbines beweegt het systeem onder invloed van wind, golven en oceaanstromingen”, legt dr. Axelle Viré uit. “En de constructie van een vlieger is een flexibel membraan dat vervormt door de lucht die eromheen stroomt. In beide gevallen willen we weten hoe deze interacties de prestaties van de systemen beïnvloeden.” Niet-lineaire gebeurtenissen Bestaande snelle modellen kunnen de dynamica van dergelijke systemen simuleren in realtime of voor de verwachte levensduur van een systeem. Dergelijke modellen zijn echter meestal alleen geschikt voor lineaire verschijnselen, met eenvoudige bewegingen als kleine golven. “Wij zijn meer geïnteresseerd in niet-lineaire gebeurtenissen, zoals sterke wind of grote golven”, legt Viré uit. “Als je een ontwerp voor een vlieger of een drijvende turbine hebt, wil je zeker weten dat het systeem tegen zulke extreme omstandigheden kan. We willen bijvoorbeeld berekenen wat de invloed is van brekende golven op de constructie van drijvende windturbines.” Een ander probleem is dat golven zich niet altijd voortbewegen in de richting van de wind. “De combinatie van niet-extreme winden en golven kan dan toch voor extreme belastingen zorgen. Maar snelle modellen veronderstellen meestal dat wind en golven niet sterk zijn en bovendien dezelfde richting hebben.” “Onze modellen moeten verfijnder worden”, concludeert Viré, die de leiding heeft over de ontwikkeling van de ‘high-fidelity’ numerieke tools die hiervoor nodig zijn. Ze kijkt onder andere naar de modellering van het gedrag van vliegende apparatuur, waarbij interacties tussen aerodynamica, structuurdynamica en vluchtdynamica een rol spelen. “We hebben hier al simpele modellen voor, maar om die te verfijnen willen we ze koppelen aan numerieke stromingsleer. We bevinden ons hiermee nog maar op een heel fundamenteel niveau. Voor zover we weten wordt nergens anders ter wereld hieraan gewerkt.” High-fidelity modellen Zulke high-fidelity simulatiemodellen zijn traag en kosten veel rekenkracht, maar de resultaten kunnen ook worden gebruikt om de kwaliteit van de snellere modellen te verhogen. “We kunnen niet met een high-fidelity model naar de hele levensduur van een systeem kijken, maar we kunnen ons wel concentreren op specifieke omstandigheden en de manier waarop het systeem zich daarin gedraagt. Daarmee krijgen we dan nauwkeurigere waarden die we weer in onze snellere modellen kunnen stoppen”, legt Viré uit. “In onze vliegermodellen gebruiken we nu bijvoorbeeld ruwe benaderingen van de opstuwing en weerstand van de vleugel. Met de nieuwe methode die we nu ontwikkelen, hopen we die te verfijnen.” Maar dat is nog een hele uitdaging. “Je hebt dan een soort representatie van je gedetailleerde model in je grotere model nodig, maar hoe knoop je die twee aan elkaar vast? Die uitdaging heb je vaak met vraagstukken op meerdere schalen.” Ontbrekende schakel Als postdoctorale research fellow bij het Imperial College in Londen werkte Viré aan de numerieke modellering van drijvende windturbines, een onderwerp dat in Delft nog ontbrak toen zij er kwam. “Ik wil drijvende windturbines ontwikkelen als onderzoeksgebied bij de TU Delft. Als sectie Wind Energy moeten we daar aandacht aan besteden”, vindt ze. “Drijvende windturbines zitten dichter tegen vermarkting aan dan vliegerenergie. Er zijn al prototypen die op het net aangesloten zijn en energie leveren.” Het eerste drijvende windenergiepark ter wereld wordt in Noorwegen gebouwd door Statoil in, dat in 2009 zijn eerste Hywind-turbine installeerde. In Portugal willen ze in 2018 drie of vier drijvende windturbines operationeel hebben met het project WindFloat Atlantic (WFA). “Noorwegen en Portugal hebben diep water dicht bij de kust. Dat zijn precies de omstandigheden waarin drijvende turbines de oplossing kunnen zijn. Het is er te diep om turbines op monopalen te plaatsen, maar dicht genoeg bij de kust voor een gemakkelijke aansluiting op het net.” Buiten Europa is Japan op dit vlak actief. Daar zijn bij Fukushima ter vervanging van de gesloten kerncentrale al drie drijvende windturbines geïnstalleerd. Nederlandse belangstelling Tot voor kort was er in Nederland slechts beperkt belangstelling voor drijvende windturbines. Misschien werd er gedacht dat we ze niet nodig hadden, omdat de Noordzee ondiep genoeg is voor monopalen. Dat maakte het moeilijk om voor dit specifieke onderwerp onderzoeksfinanciering op nationaal niveau te krijgen. “Dat is nu aan het veranderen. In Nederland is onlangs een marktonderzoek gepubliceerd naar drijvende windturbines, en Nederlandse bedrijven zien het nu als een kans”, zegt Viré. En terecht, want ook al ligt de markt voor drijvende windturbines bij gebieden met diep water, je kunt volgens Viré wel de kennis ontwikkelen als exportproduct. Die boodschap lijkt nu in Nederland te zijn doorgedrongen. Er kunnen ook lokale voordelen zijn. “Met drijvende platforms kun je verder uit de kust werken, zodat er minder bezwaren vanuit de bevolking zullen zijn. Er kan dan op veel meer locaties worden gewerkt dan nu.” De eerste windturbines die op zee werden gebouwd, waren gebaseerd op oude ontwerpconcepten, maar daarbij kunnen problemen optreden. “Traditioneel staan turbines op monopalen. Bij installatie op zee moet de paal de zeebodem in en moet je de bodemconditie kennen”, zegt Viré. “Zelfs als we iets kunnen bouwen wat diep genoeg gaat, is dat een dure aangelegenheid. Maar voor een drijvend platform dat je vastlegt aan de zeebodem, heb je alleen kabels en ankers nodig. Dat is veel minder kostbaar dan een volledige constructie en heeft minder invloed op het milieu.” Viré denkt dat beide toepassingsgebieden, drijvende windturbines en vliegerenergie, in de toekomst één worden. “Vliegers zijn goedkoper dan conventionele turbines. Dat is aantrekkelijk wanneer je offshore werkt, waar de kosten hoger zijn. Je hebt schepen nodig om de turbines te bereiken en dat is moeilijk bij slecht weer, zodat de beschikbaarheid lager ligt dan bij windenergie die aan land wordt opgewekt. Het zou dus best kunnen dat vliegers op drijvende platforms de meest kosteneffectieve oplossing zijn.” Samenwerking Viré vindt het interessant dat er verschillende vakgebieden bij haar werk betrokken zijn: “Er zijn zoveel verschillende aspecten. We werken met de faculteit CiTG aan de deelconstructies, en met EWI en 3mE aan de besturing en de elektrotechniek. DUWIND is een goed platform om al deze vakgebieden te verbinden.” Ze coördineert ook een cursus voor professionals over offshore windenergie. De cursus duurt zeven weken en begint in mei, met docenten uit de diverse betrokken vakgebieden. “Het is een multidisciplinair terrein en vaak zijn mensen opgeleid in maar één van de vakgebieden. Het doel van de cursus is om ze kennis te laten maken met die andere vakgebieden en te leren hoe al die onderwerpen worden geïntegreerd in het ontwerp van een windmolenpark.” Viré onderhoudt nog steeds nauwe contacten met haar vroegere onderzoeksgroep op het Imperial College in Londen, waar ze honorary fellow is. “We proberen bijvoorbeeld samen financiering aan te vragen en er zijn uitwisselingsbezoeken. In Londen kunnen ze profijt hebben van onze expertise op het gebied van wind, omdat zij zich van oudsher meer bezighouden met oceanen en getijdenenergie.” Ook heeft ze onlangs een financieringsvoorstel geschreven voor een consortium met onder meer de Noorse en Portugese projecten met drijvende windturbines. “Het gaat op dit moment nog om fundamenteel onderzoek, maar we moeten toch laten zien dat het gericht is op de praktijk en maatschappelijk belangrijk is. Het wordt steeds moeilijker om financiering te vinden voor fundamenteel onderzoek zonder daar partners uit het bedrijfsleven bij te betrekken.” Maar dat is het niet de enige reden om de Portugezen en de Noren erbij te willen hebben. “Zij hebben data, en dat is een belangrijk voordeel. In een zo nieuw onderzoeksgebied is het soms moeilijk om met zakelijke partijen in contact te komen. Zij zullen hun bedrijfsgeheimen of patenteerbare kennis niet met ons delen. Maar of ze nu een basisontwerp of een eindontwerp met ons delen, wij kunnen het gebruiken voor onze simulaties. Hoe meer data we hebben, hoe beter.” Verder vooruitkijken “Mijn werk heeft sterke banden met toepassingen”, vervolgt Viré. “Dat inspireert mij, ook al kijk ik naar oplossingen voor de langere termijn.” Terwijl het bedrijfsleven meestal vanuit de korte termijn denkt, vindt Viré dat je altijd verder vooruit moet kijken, ook naar oplossingen met een hoger risico. “Als je alleen werkt aan verbeteringen van wat al bestaat, kom je niet tot grote veranderingen of doorbraken.” Haar werk gaat nu nog vooral over nieuwe benaderingen van bestaande concepten. “Zo ontsluiten we nieuwe markten en kunnen we meer offshore locaties benutten. Maar als we echt stappen willen zetten en werkelijk iets willen betekenen, moeten we radicaler innoveren.” Ook terugkijken kan daarbij nuttig zijn. “Oplossingen die jaren geleden zijn verworpen, kunnen weer interessant worden”, zegt Viré, en ze noemt als voorbeeld verticale windturbines. “Die worden vanwege hun lagere rendement nauwelijks gebruikt. Maar voor drijvende platforms kunnen ze interessant zijn, omdat hun zwaartepunt lager ligt”, legt ze uit. “Je kunt je indenken dat een bewegende turbine op een drijvend platform dynamisch niet erg stabiel is. Als je de massa van het systeem lager kunt leggen, vergroot je de stabiliteit.” Helaas zal het bedrijfsleven nog niet direct in de rij staan om dit idee te implementeren, omdat alle huidige turbines, en dus ook alle ontwerp- en productiefaciliteiten, gebaseerd zijn op horizontale technologie. “We zijn nu aan het onderzoeken wat de beste schaal is voor een drijvend platform voor de huidige windturbines. We kunnen wel gebruikmaken van kennis uit de olie- en gasindustrie, maar de schalen in ons onderzoeksgebied zijn heel anders. De vraag is hoe de schaal van het platform zich moet verhouden tot de capaciteit van de windturbine. Wat is het optimale ontwerp van een drijvende windturbine? Misschien liggen de antwoorden wel in een totaal andere benadering. Dat is wel degelijk toegepast onderzoek, hoewel het misschien nooit echt in praktijk zal worden gebracht. Daarom hebben we meer financiering nodig voor zulk risicovol onderzoek.”

Sabbatical bij de R&T industrie: ‘Zo groot is het verschil niet’

Universitair docent van de TU Delft Roeland De Breuker werkte vanaf oktober 2016 vier maanden bij Airbus Group Innovations in München. Zijn ‘wetenschappelijke route’ bij de TU Delft (student – PhD – docent) was toe aan een onderbreking. Hij nam een sabbatical op om zijn horizon te verbreden, en dat beviel. Een dubbelinterview met De Breuker en zijn toenmalige manager bij Airbus, Andreas Wildschek. Roeland de Breuker is universitair docent bij de Aerospace Structures and Computational Mechanics groep van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, TU Delft. ‘Ik loop al een tijdje rond op deze faculteit. Ik heb hier gestudeerd, ben daarna gepromoveerd en werk nu als docent. Inmiddels werk ik hier meer dan tien jaar en ik vond dat het tijd was om een nieuwe persoonlijke en professionele ervaring op te doen. Het leek me interessant om eens een kijkje in de keuken te nemen bij een bedrijf, maar ik wilde niet weg bij de TU.’ Roeland de Breuker De TU Delft biedt de mogelijkheid om een sabbatical op te nemen. De Breuker: ‘Daar hebben we een duidelijke procedure voor. Je gaat eerst in gesprek met Human Resources en je rechtstreekse leidinggevende en uiteindelijk keurt de decaan het goed. De TU erkent dat een sabbatical waardevol kan zijn voor de medewerker en voor de TU zelf. Bij Airbus was het nog niet eerder gedaan, in München tenminste, en het heeft dan ook een paar maanden geduurd voordat alles geregeld was. Mijn badge bij Airbus had zelfs een kleur die niemand anders had, ze wisten niet waar ze me moesten indelen.’ Nieuw terrein dus, voor Airbus Group Innovations. Maar nu het eenmaal gedaan is, is het voor herhaling vatbaar, geeft Wildschek aan. ‘Roeland heeft een hoop nieuwe ideeën ingebracht, en het was verfrissend om iemand van buiten naar ons werk te laten kijken. Hij was een waardevolle toevoeging aan ons onderzoeksteam.’ Andere gesprekken De Breuker ontdekte dat samenwerken mét de industrie toch iets anders is dan werken bíj de industrie. ‘Ik heb een beter gevoel gekregen voor wat zij belangrijk vinden en hoe ze naar de toekomst kijken. Nu ik er ook echt zit, heb ik andere gesprekken, en dat is interessant. Blijkbaar maakt het een verschil of je aan de tafel zit als wetenschapper of als collega-ingenieur.’ Ook over de manier van werken bij Airbus Group Innovations viel De Breuker iets op. ‘Ze hebben altijd het eindproduct in hun achterhoofd. In eerste instantie dacht ik dat de houding zou zijn: het maakt niet uit hoe het werkt, als het maar het probleem oplost. Maar mijn beeld is nu anders. Het onderzoek is behoorlijk toegepast, maar ze willen echt weten hóe iets werkt, en ze nemen de tijd om een langetermijnvisie te ontwikkelen. Het hoeft niet allemaal per se binnen vijf jaar op een vliegtuig te zitten. Ook hier wordt aandacht besteed aan innovaties op een lager TRL-niveau (Technology Readiness Level, geeft aan in welk stadium van idee tot toepassing een technologie is), net zoals bij de TU. Zo groot is het verschil niet.' Wildschek: ‘We hebben gezamenlijke onderzoeksonderwerpen en –doelen. Door onze kennis en krachten te bundelen maken we veel sneller vooruitgang en werken we efficiënter. Dit heeft ook geleid tot een agenda voor toekomstige onderzoekssamenwerking.’ ‘En een gezamenlijke promovendus’, meldt De Breuker. ‘Er was een promovendus bij Airbus die voorheen al betrokken was bij een gezamenlijk Europees project van ons. Hier hebben we verder over gepraat toen ik bij Airbus kwam te zitten, en nu is Chiara (red.: Bisagni, hoogleraar Aerospace Structures and Computational Mechanics bij de TU Delft) zijn promotor, en ik ben zijn co-promotor.’ 'Samenwerken is echt de sleutel tot vooruitgang' Lessons learned? De Breuker: ‘Wij mogen ook wel eens wat meer het eindproduct in ons achterhoofd houden. Fundamentele vragen zijn belangrijk, maar we moeten ons als ingenieurs – want dat zijn we in de eerste plaats – altijd blijven afvragen: waarom hebben we dit antwoord nodig? Je moet vermijden dat je onderzoek doet, je resultaten publiceert en dat het vervolgens in een la verdwijnt. Wij hebben de verantwoordelijkheid om op die grens te blijven balanceren: ontdekken, maar ook creëren. Zouden ze het anderen aanraden? Wildschek is stellig: ‘Samenwerken is echt de sleutel tot vooruitgang. En dat werkt nu eenmaal het beste als je daadwerkelijk ergens aan tafel zit, in ieder geval voor een bepaalde periode.’ De Breuker sluit zich daarbij aan: ‘En ik raad iedereen die het wil doen aan om goed van te voren te bedenken wat je eruit wilt halen, naast persoonlijke ontwikkeling. Als je dat vanaf dag één in je achterhoofd houdt, kun je binnen korte tijd misschien wel een hele duurzame en waardevolle samenwerking opbouwen.’ Werk je bij de TU Delft en ben je ook benieuwd naar de mogelijkheden om een sabbatical te nemen? Kijk op het medewerkersportal.

PocketQubes hebben de wetenschap veel te bieden

Artist impression van Delfi-PQ Sinds iedereen met één muisklik Google Earth kan inzetten, vinden we satellieten heel gewoon. Op dit moment cirkelen er zo’n 3.600 satellieten in een baan om de aarde. In 2018 hoopt Jasper Bouwmeester dat aantal nog verder te vergroten met zijn kleine PocketQube-satellieten. WorldView-4 is een van de vele satellieten die beelden voor Google Earth produceren; hij weegt 2.500 kilo en zijn afmetingen zijn 7,9 bij 5,3 meter. De satellieten van Bouwmeester zijn daarentegen slechts 5 x 5 x 18 centimeter. Ze behoren tot een groep satellieten die bekendstaat als PocketQubes. CubeSats zijn oorspronkelijk in 1999 ontwikkeld door California Polytechnic State University en Stanford University. Ruimteagentschappen als de NASA en de ESA lanceren grote satellieten, maar universiteiten beschikken vaak niet over de financiële middelen om zulke grote apparaten de ruimte in te schieten – en vaak is daar ook geen behoefte aan. De gedachte achter CubeSats was dat studenten satellieten zouden kunnen ontwerpen en testen. Daarvoor was een veel kleinere schaal een vereiste. CubeSats passen in de lege ruimtes in raketten die grote satellieten dragen en door de ESA en andere organisaties worden gelanceerd. De grootte bestaat uit een of meerdere standaard eenheden van 10 x 10 x 10 cm. De CubeSat werd een decennium geleden ontwikkeld en het ontwerp werd daarna populair bij universiteiten en meer recent ook bij bedrijven die actief zijn op het gebied van ruimtevaarttechnologie. “De TU Delft heeft geen concurrentiepositie”, aldus Bouwmeester, die is verbonden aan de onderzoeksgroep Space Systems Engineering van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Bedrijven die actief zijn op het gebied van ruimtevaarttechnologie, met name die in de VS, ontvangen honderden miljoenen aan financiering uit durfkapitaal. Universitaire onderzoeksgroepen hebben geen toegang tot dergelijke bedragen en de verdere ontwikkeling van de CubeSat wordt op dit moment dan ook voornamelijk gefinancierd door de particuliere sector. Volgens Bouwmeester had de TU Delft drie opties: het onderzoeksveld verlaten, alleen zeer gespecialiseerde satelliettoepassingen ontwikkelen of schaalverkleining. Het plastic prototype van 5 x 5 x 18 centimeter op zijn bureau is het resultaat van die beslissing. PocketQubes zijn nog kleinere miniatuursatellieten met een vergelijkbaar ontwerp als de CubeSats. Aan de TU Delft worden ze ontwikkeld volgens een methode die veel door softwarebedrijven wordt gebruikt. “We hebben ons wendbaar opgesteld”, aldus Bouwmeester. “In plaats van de satellieten zeer uitvoerig te ontwerpen en te testen en de resultaten vast te leggen, gebruiken we de ruimte zelf als ultieme testfaciliteit.” Uiteraard worden de satellieten ook op aarde getest, waarbij wordt gekeken naar hun functioneren en prestaties, onder andere met betrekking tot vibraties. “Als er tijdens de lancering iets zou afbreken, zou dat risicovol richting andere meeliftende satellieten zijn”, aldus Bouwmeester. Delfi-n3Xt model Ondanks hun geringe formaat hebben PocketQubes de wetenschap veel te bieden. Dankzij het eenvoudige ontwerp en de lage prijs kunnen ook jonge onderzoekers en zelfs studenten ermee werken, wat ruimte schept voor creativiteit. PocketQubes worden momenteel gebruikt om onderdelen en systemen te testen die hopelijk in grotere satellieten zullen kunnen worden toegepast. Maar vanwege hun geringe omvang worden ze door sommigen beschouwd als een educatief speeltje, in plaats van een serieus wetenschappelijk instrument. Bouwmeester wil dat denkbeeld veranderen. Bouwmeesters werk is voornamelijk gericht op het platform zelf. “We willen een capabel en betrouwbaar platform creëren”, vertelt hij. Dat is logisch, want reparaties in de ruimte zijn meestal niet mogelijk. “Je kunt ze niet even met de hand uit- en weer aanzetten”, aldus Bouwmeester over zijn satellieten. Zijn onderzoek is met name gericht op het ontwerpen van satellieten die geen harde reset en geen reparaties zullen vereisen. Dankzij 3D-printtechnologie kan er snel een prototype van een satellietontwerp worden gemaakt. “Als een student een idee heeft om het ontwerp van de constructie te verbeteren, kunnen we dat hier met onze 3D-printer printen”, vertelt hij. “Als we dat testen en het blijkt niet te werken, dan is dat ook goed: de waarde van het huidige ontwerp is dan in ieder geval duidelijk.” Het meeste werk aan de PocketQubes aan de TU Delft wordt momenteel binnen de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek verricht, maar Bouwmeester wil de onderzoeksbasis uitbreiden. “We zijn in gesprek met onderzoekers van andere faculteiten en zelfs met een aantal bedrijven om hun expertise bij deze projecten te betrekken”, vertelt hij. Zijn onderzoeksgroep is van plan de eerste PocketQube begin 2018 te lanceren. Daarna verwachten ze een à twee keer per jaar satellieten te lanceren. Foto door Marcel Krijger .

Studenten TU Delft ontwerpen nieuw vliegtuig voor geo-engineering als laatste redmiddel

Als de wereldwijde inspanningen gericht op het verminderen van de koolstofuitstoot hun doel missen en de temperatuur stijgt, zou er als laatste redmiddel kunnen worden gekozen voor methodes op basis van geo-engineering, zoals het injecteren van aerosolen in de stratosfeer. Dat leidt tot de vorming van stratosferische wolken die een deel van het binnenkomende zonlicht weerkaatsen . Studenten van de TU Delft hebben de praktische aspecten van deze optie onderzocht, inclusief het ontwerp van een nieuw vliegtuig om de aerosolen in de stratosfeer te brengen én een ruwe schatting van de kosten: 11 miljard dollar per jaar. Solar Radiation Management Uit de huidige klimaatmodellen blijkt dat de kans bestaat dat de maatschappelijke respons op de opwarming van de aarde niet snel genoeg in de praktijk wordt gebracht en niet snel genoeg effectief zal zijn om de temperaturen binnen een veilig bereik te houden. In dat geval zal het wellicht nodig zijn om door middel van een interventie de temperatuurstijging tijdelijk te onderbreken totdat de preventieve oplossingen voor de lange termijn hun effect bereiken. Stratosferische geo-engineering, Solar Radiation Management (SRM) om precies te zijn, is zo’n tijdelijke interventie. Eén mogelijke implementatie van SRM is het injecteren van aerosolen in de stratosfeer, waardoor stratosferische wolken ontstaan die een deel van het binnenkomende zonlicht weerkaatsen. In feite wordt er een vulkaan nagebootst door zwavelzuur in de atmosfeer te spuiten. De dunne, langdurig aanwezige nevel reflecteert een klein deel van het zonlicht en houdt ons op die manier koel. Zonsondergang in Hongkong, een jaar na de uitbarsting van de Pinatubo op de Filipijnen, waarop zichtbaar is hoe aerosolen die vrijkomen bij een vulkaanuitbarsting het milieu kunnen beïnvloeden (foto: JackyR, Wikipedia) Laatste redmiddel Om de kosten en effecten van een dergelijk systeem inzichtelijk te maken hebben studenten van de TU Delft (faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) een onderzoeksrapport opgesteld* met een beschrijving van een voorlopig technisch en operationeel ontwerp van een vloot van speciaal gebouwde Stratospheric Aerosol Geoengineering Aircraft (SAGA’s) – vliegtuigen die per jaar vijf megaton aan aerosolen naar hoogtes tussen 18,5 en 19,5 km kunnen brengen. Dr. Steve Hulshoff, begeleider van dit studentenproject, vertelt: “Ik wil benadrukken dat dit wat ons betreft geen manier is om het wereldwijde probleem van opwarming van de aarde ‘op te lossen’. Nog afgezien van het verloren gaan van de blauwe hemel heeft SRM potentieel ernstige gevolgen voor het milieu. In de eerste plaats moeten we de koolstofuitstoot beperken. Als we daar wereldwijd niet in slagen en de temperaturen stijgen tot gevaarlijke hoogte, dan zou het een optie kunnen zijn om methodes voor geotechnologie zoals SRM te gebruiken om de temperatuurstijging te stoppen. Maar dan alleen als laatste redmiddel.” Stratospheric Aerosol Geoengineering Aircraft Toch heeft de groep studenten onderzoek gedaan naar een aantal praktische aspecten van dit ‘laatste redmiddel’. Het ontwerpen van een vliegtuigsysteem om aerosolen mee in de stratosfeer te brengen heeft waardevolle inzichten opgeleverd in de praktische aspecten van geo-engineering. Het vliegtuig is speciaal ontworpen voor geo-engineering toepassingen – en verder niets. Het is ontworpen voor extra hoogte, maar zal geen grote afstanden hoeven vliegen: het bereik is iets meer dan de helft van dat van een jumbo. Alle aspecten van het ontwerp van de SAGA-missie zijn gericht op vlieghoogte en een grote nuttige lading. Allereerst is er een operationeel scenario ontwikkeld, waarbij gebruik wordt gemaakt van 344 onbemande vliegtuigen die samen goed zijn voor 572 vluchten per dag, met speciale nadruk op het zo efficiënt mogelijk naar de stratosfeer brengen van 5 megaton zwavelzuur in aerosolvorm, wat theoretisch voldoende zou moeten zijn om temperatuurstijgingen tegen te gaan. Isometrische afbeelding van het SAGA-vliegtuig zoals voorgesteld door de studenten Grote hoogte Volgens het plan van de studenten van de TU Delft wordt er zwavelzuur in de gasfase uit het vliegtuig gestoten om de efficiënte vorming van aerosoldeeltjes mogelijk te maken. Het transport van aerosolen bij hogere temperaturen in combinatie met verdamping aan boord maakt verspreiding in de gasfase mogelijk, zodat het systeem energiezuinig werkt. De aerosol wordt in de tropen verspreid op hoogtes tussen 18,5 en 19,5 km. De hoogte waarop de verspreiding plaatsvindt is een belangrijke factor voor het ontwerp van het vliegtuig. Een dergelijk grote hoogte vraagt om efficiënte stijging en een relatief hoge stuwkracht. Vanwege de behoefte aan efficiënte stijging is het ontwerp voorzien van een combinatie met een vleugeloppervlak van 700 m2. De structurele integriteit van deze lange, slanke vleugel wordt gegarandeerd met behulp van een verstevigingsstijl. Vier speciaal gebouwde motoren, die op zeeniveau elk 600 kN aan stuwkracht leveren, moeten de SAGA-vliegtuigen efficiënt van het nodige (stuw)vermogen voorzien. Kosten De kosten van SAGA zullen naar schatting bestaan uit aanloopkosten van 93.3 miljard Amerikaanse dollar en operationele kosten van 11 miljard dollar per jaar – volgens de studenten zijn dat acceptabele bedragen gezien de kosten die de opwarming van de aarde met zich meebrengt. Op het ergste voorbereid Het Climate Institute van de TU Delft is de plek waar klimaatonderzoekers en klimaatonderzoek binnen de TU Delft samenkomen om nieuwe wetenschappelijke kennis te ontwikkelen. Prof. Herman Russchenberg, directeur van het instituut, prijst en stimuleert het soort ‘outside the box’ denkwerk dat de studenten hebben laten zien, “aangezien de internationale gemeenschap nog steeds niet genoeg doet om de klimaatverandering onder controle te houden”. Volgens Russchenberg moeten we wel terughoudend zijn met het gebruik van dit soort technieken, aangezien we niet weten wat voor gevolgen deze zullen hebben voor ons ecosysteem, we niet voldoende hebben gekeken naar de juridische en ethische aspecten, en zelfs de kans bestaat dat we het probleem verergeren door de temperatuurstijging tijdelijk te maskeren. “Maar er komt misschien een moment waarop we dit soort technieken nodig hebben, leuk of niet. Hoe sneller we onderzoek doen naar de praktische aspecten, de mogelijke valkuilen en de gevolgen, hoe beter beslagen we ten ijs komen.” Meer informatie *De Design Synthesis Exercise (DSE) is de afsluiting van het bachelorgedeelte van het onderwijs binnen de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in Delft. Het rapport over SAGA is geproduceerd door een van de groepen studenten die deelnamen aan de meest recente editie van deze DSE. Begeleider: dr. Steve Hulshoff, 015 27 81538, S.J.Hulshoff@tudelft.nl , http://staff.tudelft.nl/S.J.Hulshoff/ Prof. Herman Russchenberg, directeur TU Delft Climate Institute, 015 27 86292, H.W.J.Russchenberg@tudelft.nl, Het rapport is beschikbaar voor journalisten. Neem daarvoor contact op met Roy Meijer, adviseur wetenschapscommunicatie TU Delft, 015 2781751, r.e.t.meijer@tudelft.nl .

Terugblik en vooruitblik met Gijs van Kuik

Op 7 december 2016 sprak hoogleraar Windenergie Gijs van Kuik zijn afscheidsrede met de titel 'Wind verwacht: zet je schrap' uit in de Aula (Auditorium) van de TU Delft. Tijdens zijn bijna veertig jaar lange carrière heeft Gijs van Kuik op verschillende plekken in Nederland gewerkt, maar hij begon en eindigt zijn loopbaan aan de TU Delft. “Dat is mijn universiteit”, zegt hij. Gijs van Kuik begon in 1969 aan een studie luchtvaart- en ruimtevaarttechniek aan de TU Delft. “Dat was de enige plek waar ik vliegtuigen kon bestuderen.” In 1976 – een paar jaar later dan gepland – studeerde hij af. “We hebben het over de jaren zeventig,” vertelt hij, “dus heb ik een deel van mijn tijd besteed aan de studentenbewegingen in plaats van mijn studie.” Maar hij keerde al snel terug naar de studieboeken en na zijn afstuderen kwam hij in dienst bij de nieuw opgezette windenergie groep onder leiding van Theo van Holten. “Ik was op de juiste plek op het juiste moment”, aldus Van Kuik. Als gevolg van de oliecrises in de jaren zeventig groeide de interesse in wat we nu hernieuwbare energie noemen en destijds bekend stond als alternatieve energie. Maar al snel verruilde hij Delft voor een promotieplaats aan de TU Eindhoven. Hij promoveerde in 1991 en vroeg zich daarna af – zoals zoveel pas gepromoveerden – of er leven was na de promotie. Voor Van Kuik luide het antwoord op die vraag gelukkig “ja”. Bijna vijftien jaar lang was hij werkzaam in het bedrijfsleven, waarna hij terugkeerde naar de academische wereld en de TU Delft. Enkele jaren voor hij weer fulltime aan de universiteit ging werken, werkte hij zelfs tegelijk voor de TU Delft en voor Stork Product Engineering. Maar twee banen was een beetje te veel van het goede en hij besloot om van de TU Delft zijn thuis te maken. Zijn onderzoek aan de universiteit had met name betrekking op de ontwikkeling van rotortechnologie voor gebruik in windturbines. Het streven was, aldus Van Kuik, “om meer intelligentie in de rotor in te bouwen”. Windturbines, met name als die voor de kust worden gebruikt, zijn zeer slecht toegankelijk. Door de duurzaamheid te verbeteren kunnen de onderhoudskosten worden verlaagd. Van Kuik heeft met eigen ogen kunnen zien hoe lastig het onderhoud kan zijn toen hij, om bepaalde certificatieprocessen te controleren, enige tijd doorbracht in de motorgondels van verschillende turbineprototypes. “Ik was toen veel jonger”, zeg hij over die tijd, toen hij regelmatig de klim van zestig meter maakte. Hoewel zijn onderzoek voornamelijk om windturbines draaide, heeft Van Kuik in de loop der jaren ook een aantal meer persoonlijke onderzoeksprojecten uitgevoerd, zoals de bijna tien jaar durende strijd om een Russische wetenschapper erkenning te laten krijgen voor de ontdekking van een constante die van fundamenteel belang is in de aerodynamica. De wet van Betz – vernoemd naar de Duitse natuurkundige Albert Betz – voorspelt hoeveel energie er maximaal aan de wind kan worden onttrokken. Volgens Van Kuik was deze wet tegelijkertijd ontdekt door een Russische wetenschapper genaamd Nikolaj Zjoekovski . Na jarenlang Russische wetenschappelijke teksten te hebben doorgepluisd heeft hij kunnen aantonen dat Zjoekovski zijn wet in hetzelfde jaar had gepubliceerd als Betz. Van Kuik spreekt geen Russisch, en het enige wat hij in de artikelen kon lezen waren de wiskundige gedeeltes, maar dat bleek voldoende om Zjoekovski ook erkenning voor de ontdekking te geven. Tijdens zijn aanstelling aan de universiteit was hij wetenschappelijk directeur van DUWIND, een multidisciplinair onderzoeksinstituut dat zich bezighoudt met windenergie. Windenergie is een steeds populairder onderwerp geworden: aan het begin van Van Kuiks loopbaan kwamen er vijf tot tien studenten opdagen voor de inleidende colleges over windenergie; nu zijn dat er ruim tweehonderd. Na zijn pensionering is Van Kuik van plan zijn tijd in ieder geval voor een deel te vullen met beeldhouwen. Dat doet hij al sinds 2001. Hij raakte erin geïnteresseerd toen hij besloot dat hij naast zijn dagelijkse werk nog iets anders moest doen. Omdat hij iets met zijn handen wilde doen, volgde hij een cursus beeldhouwen. Sindsdien maakt hij grote creaties van steen. Een daarvan heeft hij zelfs geschonken aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, waar het in oktober 2016 werd onthuld. “Het was een enorm ding en moest ergens een plekje vinden. Een betere plek dan de faculteit bestaat hiervoor niet”, zegt hij over zijn werk, dat nu in de lobby van de faculteit te bewonderen is. Van Kuik kijkt met genoegen terug op zijn tijd aan de TU Delft. “De studenten zal ik missen: omgaan met jonge mensen houdt je jong.”

We willen vliegtuigen niet alleen ontwerpen maar ook bouwen

Luchtvaartdeskundige Joris Melkert van de TU Delft is één van de eerste vier Education Fellows van de TU Delft. De Delft Education Fellowships worden jaarlijks toegekend aan docenten die een substantiële en waardevolle bijdrage leveren aan het onderwijs van de TU Delft. In het kader van het Fellowship gaat Melkert studenten betrekken bij het bouwen van echte vliegtuigen. Melkert: ‘De actuele vraagstukken in de luchtvaartindustrie liggen vooral bij productie. Daar spelen wij op in.’ Het keuzevak dat Melkert ontwikkelt past binnen het kader van het facultaire ‘Pioneering Innovations’-project ‘Building Aircraft’ en zal binnen de master track Flight Performance and Propulsion en de ASM-track worden aangeboden. Melkert: ‘Er zit een behoorlijk gat tussen alle geweldige ideeën die aan deze universiteit worden ontwikkeld en daadwerkelijke toepassing. De luchtvaartindustrie is momenteel vooral bezig met productie en minder met design. Ik denk dat het belangrijk is dat docenten hierover nadenken, zodat onze studenten klaargestoomd zijn na hun afstuderen. They should hit the ground running .’ Voor het nieuwe vak dat Melkert ontwikkelt, wordt de entresol van de Vliegtuighal heringericht om de omgeving van een vliegtuigfabriek na te bootsen. De faculteit schaft een bouwpakket aan van een VAN RV12. Het is dus niet puur toneelspelen – er wordt daadwerkelijk een vliegtuig gebouwd waar na voltooiing mee gevlogen kan worden of dat verkocht kan worden aan particulieren. Melkert: ‘Het is een unieke ervaring waarbij studenten gaan meemaken hoe het is om te werken binnen de streng gecontroleerde omgeving van een vliegtuigfabriek. Ze moeten rekening houden met luchtwaardigheidseisen, kwaliteitscontroles, de dynamische omgeving van omgaan met collega’s met verschillende belangen en ook nog proberen uiterst innovatief te zijn. Daarnaast zullen ze het project ook op een gegeven moment moeten overdragen aan een nieuwe groep.’ Een uitdagend project De bedoeling is dat het vak drie per jaar gegeven zal worden en ongeveer 20 weken duurt (6 ECTS). Het vak zal naar verwachting in februarii gaan starten. Ongeveer 15-20 studenten kunnen per ronde meedoen. Melkert: ‘Studenten zullen worden geselecteerd voor het vak op basis van een motivatievideo, cijferlijst en interview. Verder gaan we ook rekening houden met de teamsamenstelling: de diversiteit binnen een groep is ook belangrijk.’ Als teamlid zullen de studenten niet alleen sterke technische vaardigheden ontwikkelen, maar daarnaast ook inzicht verkrijgen in de veiligheidscultuur rondom het produceren en certificeren van een vliegtuig. Daarnaast zullen ze te maken krijgen met organisatorische kwesties, zoals project- en certificatieadministratie en het regelen van een goede overdracht aan het volgende team. Melkert: ‘Kortom, een project om echt je tanden in te zetten.’ Vooralsnog zijn er geen bedrijven betrokken bij de ontwikkeling van het vak. ‘Maar’, zo zegt Melkert, ‘dat zou wel ontzettend nuttig zijn voor beide partijen. We staan nog aan de basis van dit ambitieuze project. Ideeën, vragen en ondersteuning zijn welkom. Uit een eerste inventarisatie blijkt al wel dat er ook behoorlijk wat belangstelling is.’ Foto door Marcel Krijger

Een gitaar voor de toekomst

Toen Max Roest als vierjarige kleuter met gitaarlessen begon, wist hij natuurlijk niet dat hij twintig jaar later zelf een gitaar zou maken voor het afstudeerproject van zijn master bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Hij speelt al heel lang gitaar en heeft zelfs een album geproduceerd met de titel ToneWood , dat in 2012 uitkwam. Roest heeft aan nationale competities meegedaan, maar had geen professionele ambities met zijn gitaar: het bleef een hobby. Toen Roest na zijn bachelor Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek bij de TU Delft een masteropleiding ging doen, was hij op zoek naar een afstudeerproject. Hij werd geïnspireerd door de winnaar van de prijs voor de Beste Afstudeerder in 2010. Maarten Kamphuis, student Industrieel Ontwerpen, had een trainingszwaard gemaakt voor middeleeuws zwaardvechten. Kamphuis was zelf een vaardig zwaardvechter en Roest vond het een aantrekkelijk idee om op die manier werk en hobby te combineren. Hij nam eerst contact op met dr. Otto Bergsma, hoogleraar bij de afdeling Structures and Materials. Die wilde Roest wel begeleiden bij zijn afstudeerproject. Houten gitaren geven weliswaar een warmer geluid, maar alle akoestisch gitaristen weten dat hout ook nadelen heeft: het is erg gevoelig voor veranderingen in temperatuur en luchtvochtigheid. Muzikanten die moeten reizen met hun instrument, weten dat een gitaar soms schade oploopt, ook als er goed voor wordt gezorgd. Er zijn weliswaar al gitaren van composietmaterialen op de markt, maar Roest zegt hierover: “De klank is kil en mist het karakter van een houten gitaar.” Geïnspireerd door de IO-afstudeerder die een zwaard had gemaakt, stelde Roest dus voor om zijn afstudeerproject te wijden aan de ontwikkeling van een composietmateriaal waarmee de klank van een houten gitaar zou worden nagebootst, en dan zonder de nadelen van het grillige hout. “Hout weegt veel minder dan de meeste composieten”, zegt Roest. “Die lichtheid was nog het lastigst om voor elkaar te krijgen.” Ook moest het materiaal dezelfde stijfheid en interne demping hebben als hout. Hij begon met een polyethyleen, maar moest daar wegens problemen met de hechting vanaf zien. Roest probeerde ook bestaande composietmaterialen met een schuimlaag ertussen, maar daarbij was de demping onvoldoende. Na drie maanden experimenteren ontdekte hij dat vezelversterkt schuim aan zijn criteria leek te voldoen. Toen moest hij echter een testmethode ontwerpen om de akoestische eigenschappen van zijn nieuwe materiaal te controleren. Gelukkig ontmoette hij Farbod Alijani, hoogleraar bij 3mE, bij wie toevallig een masterstudent in zijn groep begon die aan een vergelijkbare testmethode voor een ander project werkte. “Ik heb echt mazzel gehad dat ik Luka Marinangeli heb ontmoet.” Samen ontwikkelden ze een productiemethode die resulteerde in panelen die heel erg op hout lijken. En niet zomaar hout, maar moon spruce , dat wil zeggen hout van sparren die op basis van maancycli worden geveld. Dit vindt Roest het beste materiaal voor een gitaar. Maar Roest was niet tevreden met alleen de productie van het materiaal. Hij wilde een complete gitaar bouwen. Alles bij elkaar zou dat ongeveer € 10.000 gaan kosten, dus Roest ging eerst in gesprek met dr. Rinze Benedictus, hoofd van de groep Structural Integrity. “Hij ondersteunde me, op voorwaarde dat ik ook voor de faculteit een gitaar zou maken.” Dat deed Roest, en de gitaar pronkt nu op zijn kamer in de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Zodra er financiering was voor het project, ging Roest praten met de technici van het Delft Aerospace Structures and Materials Lab. “Deze technici worden ondergewaardeerd op de universiteit. Zonder hun hulp had ik dit project nooit kunnen voltooien.” Met hun hulp maakte hij een gitaarvorm van sterk plastic en kon hij de panelen bevestigen. In het belang van de wetenschap testte Roest zijn nieuwe gitaar in de echovrije kamer, ook wel ‘dode kamer’ genoemd, bij de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Hij was daar niet voor het eerst: met zijn traditionele gitaar had hij er al eerder gespeeld. Een video daarvan is te zien op YouTube. Museum of Sound II - Anechoic Room - Max Roest Het project was meer dan alleen een leuke uitdaging. Veel van het hout van hoge kwaliteit voor gitaren komt uit de Amerikaanse staat Alaska, waar door ontbossing steeds minder hout beschikbaar is. “Zoals het nu gaat, zou dit hout over tien jaar wel eens op kunnen zijn”, zegt Roest. Weliswaar wordt maar een klein deel van het hout voor de bouw van gitaren gebruikt, maar een bruikbaar alternatief zou toch goed zijn voor de sector.

Clark Borst: ‘Onderzoek en onderwijs hebben elkaar nodig’

Tijdens de opening van het academisch jaar 2016-2017 in de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek is Clark Borst, docent en MSc track coördinator van Control and Operations door studenten uitgeroepen tot LR Docent van het Jaar. Wat typeert hem als docent? Hoe combineert hij zijn onderwijstaken met onderzoek? En hoe ziet hij de toekomst van het onderwijs eigenlijk voor zich? ‘Automatisering is een beetje eng. Het is onpersoonlijk, zonder emotie. Automatisering kan ons vooruit helpen, maar het kan ons ook dommer maken. Denk maar aan de grafische rekenmachine. Scholieren leren niet altijd meer hoe een bepaald antwoord tot stand komt. Ze slaan een stap over. Ik wil automatisering maken die de mens slimmer maakt en niet dommer. Dat drijft mij in wat ik doe.' Vragen leren stellen 'Ook in het onderwijs speelt automatisering een grote rol. We hebben natuurlijk online onderwijs, en studenten kunnen tegenwoordig alle informatie snel vinden en zich prima navigeren in de digitale wereld. Maar denken ze ook na over die informatie? Als docenten ligt daar voor ons een taak. Wij moeten ervoor zorgen dat onze studenten die kritische attitude aanleren. Dat is ontzettend belangrijk, of ze nu uiteindelijk de wetenschap ingaan of de universiteit verlaten. Zo’n houding heb je hoe dan ook nodig. Ik probeer studenten dan ook altijd zo snel mogelijk duidelijk te maken dat er geen domme vragen zijn. Ik vind het eerder dom als je iets niet begrijpt en geen vragen stelt. Dat is ook de sfeer die ik probeer te creëren in een collegezaal: één van openheid. En er mag ook best gelachen worden.’ Hoorcolleges worden meer waard ‘Je kunt als docent hele gave dingen met online onderwijs en media, al ben ik van Collegerama niet zo’n fan. Puur een college opnemen en online zetten, dat begrijp ik niet zo goed. In de huidige digitale, onpersoonlijke wereld worden hoorcolleges en de interactie die daarbij ontstaat alleen maar belangrijker naar mijn idee. Juist in een wereld waarin we elke dag een overdaad aan informatie tot ons nemen, is er behoefte aan context en uitleg. Je kunt als student boeken uit je hoofd gaan leren, maar snap je het dan ook echt? Trouwens, het nut van media voor het onderwijs zit ‘m denk ik juist in het gebruik van andere beelden: theorie visueel kunnen maken. Hiermee kun je dingen verhelderen. Zelf vond ik het vroeger altijd fijn als een docent iets ingewikkelds simpel wist te maken. Dat is dus ook mijn eigen ambitie als docent. Ik vind het leuk om de eenvoud te zoeken in iets moeilijks. Zo maak ik voor het vak Avionics bijvoorbeeld filmpjes met animaties. Dat is ontzettend tijdrovend om te doen, maar wel leuk en vooral nuttig. Ik kies de moeilijke onderwerpen uit om zulke ‘tutorials’ voor te maken. Studenten waarderen dit gelukkig.’ Elkaar versterken ‘Onderwijs is ontzettend belangrijk. We zijn een universiteit! Wij leiden de ingenieurs van de toekomst op en het is onze taak om nieuwe generaties te inspireren. Maar onderwijs heeft onderzoek ook nodig, anders raak je out of touch . Met je onderzoek kun je als het ware je onderwijs ‘voeden’ met relevante en actuele ontwikkelingen in je vakgebied. Het is dus de combinatie die meerwaarde biedt. Andersom kan het geven van onderwijs je onderzoek namelijk ook versterken. Want we moeten niet vergeten dat wij ook van studenten kunnen leren door de vragen die zij ons stellen. Wat ik doe als ik geen antwoord heb op een vraag? Dan zeg ik dat ik het niet weet, maar dat ik het ga uitzoeken. Het college erna kom ik er dan op terug. Dat soort kritische vragen houden mij scherp, als docent én als onderzoeker.’ Dr. ir. C. Borst c.borst@tudelft.nl