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.

Lijm ten behoeve van de kunst

Onlangs ontving Hans Poulis (Hechtingsinstituut TU Delft) financiering van NWO voor zijn onderzoeksvoorstel op het gebied van lijmveroudering. De voorstellen zijn gehonoreerd binnen de eerste financieringsronde van het Netherlands Institute for Conservation, Art and Science (NICAS). Poulis: “Voor het eerst gaat het Hechtingsinstituut een nieuwe lijmsoort ‘from scratch’ ontwikkelen.” Op dit moment wordt er bij de restauratie van kunstvoorwerpen gebruik gemaakt van allerlei verschillende standaard lijmsystemen. Synthetische lijmen zijn soms stabieler dan natuurlijke lijmen, maar toch vaak niet helemaal geschikt. Ze zijn niet specifiek ontwikkeld voor conserveringsdoeleinden en hebben daarom nooit alle juiste eigenschappen. We weten dus ook meestal niet hoe ze zich in de tijd gedragen, chemisch, nog mechanisch. Met andere woorden, hoe de stoffen verouderen in de tijd onder invloed van de omgeving. Zo kunnen ze bijvoorbeeld vergelen of kunnen de kleefeigenschappen veranderen. Gat in de markt Het is een kleine markt, dus het is voor bedrijven commercieel gezien niet interessant genoeg. Voor het verdoeken van schilderijen wordt nog wel relatief veel lijm gebruikt, maar voor het terug plakken van kleine schilfertjes verf is maar heel weinig lijm nodig. Het Hechtingsinstituut gaat zich richten op dat laatste proces, en dan met name kijken naar achterglas schilderijen en olieverf- en gouache composities. Deze werken zijn representatief voor vele werken die op korte termijn gerestaureerd zullen moeten worden als we ze willen behouden voor komende generaties. Het is niet rendabel voor een bedrijf om hiervoor een specifieke lijmsoort te ontwikkelen. Poulis: ‘Allereerst gaan we met twee post-doc onderzoekers het veld in. In maart wil ik een brainstormsessie organiseren met mensen die al lang in het vak zitten, inclusief conservatoren. Zij weten het beste aan welke eisen de lijm precies moet voldoen. Aan de hand van die sessie gaan we de ingang van het onderzoek definiëren. Het gaat dan met name om de vraag: welke chemische basisstof ga ik gebruiken? Dat is het hoofdingrediënt. Vervolgens gaan we verschillende mengsels maken en het receptuur al naar gelang de eisen aanpassen. Middels diverse laboratoriumtesten gaan we uitzoeken hoe de mengsels zich gedragen, initieel en in de tijd.’ Van test naar product Door verouderingstesten uit te voeren moeten we erachter komen hoe mengsels zich gedragen na een x aantal jaren. Met behulp van lichtexpositie testen kunnen we kijken hoe zo’n stof vergeelt na verloop van tijd. Daarvoor kunnen Xenon lampen worden gebruikt. Die genereren UV licht en zetten daarmee een versneld verouderingsproces in. Poulis: ‘Uiteindelijk testen we de lijmen ook op kunstwerken (mock-ups). In de praktijk weet je natuurlijk niet exact wat er met de lijm zal gebeuren, omdat er zoveel omstandigheden zijn die er invloed op kunnen hebben. Daarnaast zijn er geen data aanwezig die versnelde verouderingstesten kunnen koppelen aan de werkelijke omstandigheden.’ Het doel is om na twee jaar een lijm te hebben ontwikkeld die geschikt en langdurig stabiel is als het gaat om mechanisch evenals visueel gedrag. Bij het consortium voor dit project zit ook een commercieel bedrijf dat gespecialiseerd is in het maken van kleine hoeveelheden lijm. Zij zouden eventueel de productie op zich kunnen nemen. Poulis: ‘En wie weet, misschien komt er nog wel een spin-off uit voort.’ --- Het NICAS is een interdisciplinair onderzoekscentrum dat zich richt op het behoud van cultureel erfgoed. Het betreft een samenwerking van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), het Rijksmuseum, de Universiteit van Amsterdam (UvA), de Rijksdienst Cultureel Erfgoed (RCE), en de Technische Universiteit Delft (TU Delft). Klik hier om de website van het NICAS te bezoeken.

Onderzoeksvragen voor windenergie

Kunnen supergekoelde generatoren de efficiëntie van windturbines op zee verhogen? Hoe kunnen ‘big data’ uit sensoren op windturbines bijdragen aan het onderhoud van windparken? Hoe bereken je de effecten van golfslag op de werking van drijvende windturbines? Kunnen we tot windvoorspellingen komen op windturbinehoogte? Is het een goed idee om een offshore windturbine te combineren met een generator voor golfslag- of getijdenenergie? Dit zijn enkele van de vragen die voorkomen in de wetenschappelijke agenda voor windenergie die hoogleraar Windenergie aan de TU Delft, Gijs van Kuik, en zijn collega Joachim Peinke van de Carl-von-Ossietzky Universiteit in Oldenburg, Duitsland, samenstelden voor de European Academy of Wind Energy. Het zijn fundamenteel-wetenschappelijke vragen, aangeleverd door wetenschappers uit elf verschillende vakgebieden, van materialen tot energieconversie en van milieueffecten tot aerodynamica. Van Kuik: “De meeste agenda’s voor windenergie, bijvoorbeeld die van de International Energy Agency, zijn gericht op technologie die op de korte termijn kan worden toegepast, bijvoorbeeld om de kosten van windenergie te verlagen. Deze agenda kijkt ver vooruit.” Waarom? “De grootste windturbines van nu zijn de grootste roterende machines op aarde, windturbines opereren in toenemende mate in grote windparken op zee, het aandeel windenergie in de mondiale energiemix neemt toe. Deze toenemende schaalgrootte brengt nieuwe wetenschappelijke vragen met zich mee. Als wetenschappers zijn we uiteraard nieuwsgierig naar de antwoorden. Maar de belangrijkste reden om deze lange termijn vragen te beantwoorden is dat dit kan leiden tot ‘gamechangers’, radicaal nieuwe technologie die het mogelijk maakt windenergie op grote schaal mee te nemen in de energiemix.” Paper nodigt uit tot discussie Onder de vlag van de European Academy of Wind Energy hebben TU Delft hoogleraar windenergie Gijs van Kuik en zijn collega Joachim Peinke uit Oldenburg deze lange termijn wetenschapsagenda voor windenergie samengesteld. Onderzoekers uit elf verschillende vakgebieden uit Europa en de VS leverden hiervoor hun fundamenteel-wetenschappelijke vragen aan. De agenda verschijnt eerst als wetenschappelijk paper met de titel ‘Long-term research challenges in wind energy’ in het nieuwe wetenschappelijke open access journal Wind Energy Science. Later dit jaar komt de agenda ook als boek beschikbaar. Gijs van Kuik: “Met dit paper willen we laten zien dat windenergie meer is dan een ingenieursdiscipline met korte termijn toepassingen. Antwoorden op fundamenteel -wetenschappelijke vraagstukken kunnen de windenergie verder helpen.” Het paper is vooral bedoeld om de discussie onder vakgenoten te openen. Van Kuik: “Ik hoop dat veel lezers het met ons oneens zijn en dat we daardoor een levendige academische discussie krijgen.” Later in 2016 verschijnt de wetenschapsagenda windenergie van de EAWE ook in boekvorm bij Springer. Meer informatie Voor meer informatie kunt u contact opnemen met professor Gijs van Kuik, TU Delft op tel. 015 - 27 84980 of g.a.m.vankuik@tudelft.nl. Artikel gepubliceerd in Wind Energy Science op 9 februari 2016: Van Kuik, G.A.M., J. Peinke et.al. ‘Long-term research challenges in wind energy’ . Over het nieuwe journal Wind Energy Science: www.wind-energ-sci.net .

Smart manufacturing

The faculty of Aerospace Engineering introduces four major multidisciplinary research themes. Goal: bringing research areas and people together to speed up innovation for (urgent issues in) society . “Today’s customers – whether they’re buying a telephone, automobile or aircraft - do not want to buy the exact same product as everybody else. They want customised products, still of the same high quality, still affordable and deliverable right now”, says Rinze Benedictus, theme leader Smart Manufacturing. “ Even large passenger aircraft, such as the Airbus A320 Neo, are customised to the specific needs of the buying airline. This calls for cost-effective, fast and flexible new production processes: Smart Manufacturing, also called Industry 4.0 or Smart Industry. The faculty focuses on smart manufacturing of safety critical loadbearing structures, such as aircraft, automobiles, wind turbines or bridges, but expects the technology can be used for other production lines as well. Smart manufacturing: how does it work? “Toyota once set the standard for the quality management of mass producing identical products”, says Professor Aerospace Structures and Materials and Smart Manufacturing theme leader, Rinze Benedictus. “ Now we need a new standard for mass producing customised products.” In smart manufacturing processes technology such as sensors, feedback loops, Big Data and 3D printing is used. It works in a number of different ways, such as: It repairs errors during production, reducing wastage of materials. A robot with integrated sensors can for example measure the quality of the product as it is made and repair it simultaneously. This prevents finished but flawed products to be thrown away. It gives us data that helps to design, scale up and implement innovative, robust and flexible new production lines with which we can develop entirely new innovations. Smart manufacturing will make it easier and cheaper to determine whether an innovative idea is a viable product, speeding up the time to market. 3D printers make production more flexible and less confined to one particular factory. Need a new component in the International Space Station? It can be produced right there in space. Benedictus: “In the end, smart manufacturing will benefit customers, it contributes to more sustainable production of products, it will create hundreds of thousands of new jobs at intermediate level in Europe, give us back our competitive edge and it will be a blessing for bringing innovations to the market. “ Why now? Researcher Calvin Rans works alongside Benedictus on the smart manufacturing research theme: “Almost every modern company today has already implemented parts of smart manufacturing, whether it’s Airbus or a semiconductor factory in China. It’s a buzzword now because the technology is ready to start integrating disciplines, such as material science, product design, sensor technology, manufacturing processes and in-depth knowledge of customer trends and needs. In addition, production processes have become so complicated that they simply can’t be done in traditional, analogue ways anymore. Image the costs if Airbus needs to build a whole new production line for every single version of the A320 Neo.” Challenges There are several hurdles to overcome. Rans: “One challenge is to know what to do with all the data we get from measurements during production processes. What is sensible data and what isn’t? Can you use it in such a way that e.g. a feedback loop becomes self-learning? Integrating many different disciplines is another challenge. The smarter the product and the production process the more an engineer needs to integrate (and thus understand) different design and manufacturing disciplines. This requires different type of engineer. As we currently educate engineers on the basis of manufacturing methods of the past or single disciplines, we will have a thorough look at our education programme as well.” Aerospace engineering and smart manufacturing The faculty of Aerospace Engineering is bringing together researchers, lecturers, students and external partners to focus on the smart manufacturing of composite load bearing structures, such as aircraft and automobiles. Special attention will be given to the smart manufacturing of smart structures, such as multifunctional aircraft coatings that protect the aircraft and generate or store electricity at the same time. The technology developed for producing aircraft in particular can also be used in production lines for other products. Rans: “The production of aircraft sets the parameters that apply to production lines for other structural designs as well. An aircraft is a high-tech load bearing structure with incredible weight constraints and safety measures.” Benedictus: “For smart manufacturing you really need to understand the end product and tailor it to the customer’s needs. We know how to produce aircraft. Now we will integrate separate disciplines, such as structures and materials, propulsion systems and airline requirements to accelerate smart manufacturing. This theme will leverage the work we’re already doing in the area of manufacturing of aircraft within departments in order to speed up applying science for the benefit of society. “ Contact Prof. dr. Rinze Benedictus E: R.Benedictus@tudelft.nl Dr. Calvin Rans E: C.D.Rans@tudelft.nl Dr.ir. Sotiris Koussios E: S.Koussios@tudelft.nl Design for manufacturing Assistant Professor Structural Integrity and Composites Sotiris Koussios researches automated fibre placement processes: Filament Winding, Tape Laying and Fibre Placement. Koussios focuses on an integral approach of design, materials selection, and production methodologies: “Optimising the production process during the design stage leads to better quality and less costs. At the same time, smart manufacturing procedures, such as quality monitoring during production, closed loop controls for adapted machine motion and fibre handling, and the implementation of Digital Image Correlation for auto-referencing, parts pick& place and tool exchange, will lead to more autonomous production cells that require less preparation time, prototyping and troubleshooting.” Koussios also works on combination techniques such as overmoulding, over-taping and the fusion of braiding/filament winding and pultrusion. He collaborates closely with partner RWTH in Aachen, a strong player in the field of smart manufacturing research. Koussios: “High performance composite structures are entering high volume applications in the areas of automotive, marine and civil engineering . Research is needed to keep a good balance between performance and costs. Also, improvement of the structural and physical properties of composite (sub-) components by a high degree of automation, in-line quality monitoring and smarter logistics will lead to even lighter, safer and more economical aerospace applications as well. These improvements contribute to the reduction of energy consumption for both static and moving structures.” Irene Fernandez Villegas Smart joining Roger Groves Smart Sensing Otto Bergsma Next level accuracy and consistency

Met lasers op verkenningstocht door ons zonnestelsel

Hoe kunnen we meer leren over hoe planeten en manen in elkaar steken? Dominic Dirkx promoveerde onlangs op een nieuwe methode om de afstand tussen de aarde en satellieten om of op andere planeten en manen te meten tot op de millimeter tot centimeter nauwkeurig. Op dit moment gaat dat nog ongeveer tot op de meter, met gebruik van radio-meting. Een techniek die nu wordt gebruikt voor het meten van de afstand tot aardse satellieten (tot op enkele millimeters nauwkeurig), tracking met lasers, heeft Dirkx geëxtrapoleerd naar interplanetaire afstanden. Zijn onderzoek laat vooral zien dat het zeer van belang is dat we niet alleen de afstandsmetingen heel nauwkeurig uitvoeren. Ook andere metingen zullen verbeterd moeten worden om de laser tracking zo goed mogelijk te benutten. Als we dat doen, kan deze methode een belangrijke rol spelen in het verkennen van ons zonnestelsel. Dit klinkt misschien voor de hand liggend, maar het onderzoek van Dirkx heeft laten zien dat het echt significante impact heeft op de resultaten als er aandacht wordt besteed aan het nauwkeuriger maken van lasermetingen én metingen zoals die van een magnetisch veld, vorm, of de seismische activiteit op een planeet. Invloed van de klok op aarde Voor het verbeteren van de lasermeting vroeg Dirkx zich af hoe de klok die wij hier op aarde gebruiken invloed heeft op de uiteindelijke metingen. Dirkx: ‘Als je afstand meet, meet je in feite de beweging. Je gebruikt een klok op aarde en een klok in de ruimte om te meten hoe lang een laser puls onderweg is. Omdat je de snelheid van het licht weet, kijk je dus waar een satelliet op het ene en op het volgende moment is. Dat houdt in dat als je er een nanoseconde naast zit, dat zomaar dertig centimeter kan schelen.’ Als we kijken naar hoe iets beweegt, kijken we naar hoe de zwaartekracht werkt en zo leren we van de omgeving. Stel dat we meten hoe een satelliet om de planeet Mars vliegt, dan kunnen we zo meer te weten komen over het inwendige van die planeet. Op die manier is bijvoorbeeld vorig jaar ontdekt (samen met andere metingen) dat er onder het oppervlak van Enceladus, een maan van de planeet Saturnus, een oceaan is. Een bijzondere verdediging Dirkx promoveerde nominaal en cum laude. David Smith (MIT) vond het een reis naar Delft waard om zijn verdediging bij te wonen als commissielid. Smith is gespecialiseerd in zowel laser ranging als planetaire wetenschappen. Dirkx: ‘ In het verleden heeft David Smith eerder samengewerkt met collega’s uit onze onderzoeksgroep en ik had hem al eerder ontmoet bij conferenties. Hij is zo iemand bij wie je je als promovendus acuut geïntimideerd voelt – een grote naam met een ellenlange lijst aan belangrijke paperpublicaties. Ik vond het geweldig om hem erbij te hebben.’ Dirkx: ‘Wat voor tijdens het promoveren erg geholpen heeft, is dat ik in het Europese FP7 ESPaCE project heb mogen werken. Hierdoor heb ik een groot netwerk op kunnen bouwen en heb ik altijd met veel mensen kunnen sparren over mijn onderzoek. Mijn tip voor andere promovendi is dan ook om veel met mensen te praten. Niet alleen binnen je eigen onderzoeksgroep, maar vooral ook daarbuiten.’

Gedrag van vliegtuigen tijdens eindnadering

Promovendus Floris Herrema (Air Transport and Operations) heeft onlangs de SESAR Young Scientist of the Year Award gewonnen met zijn masterscriptie ‘Compression on final approach and Time Based Separation (TBS) for Optimised Runway Delivery’. Zijn werk heeft directe gevolgen voor de kennis over TBS (‘separatie op basis van tijd’) en de veiligheid van dit systeem, en voor het TBS-systeem dat wordt gebruikt op het Londense vliegveld Heathrow: het eerste vliegveld ter wereld met TBS. “Ik had nooit gedacht dat ik de SESAR Young Scientist of the Year Award zou winnen, dus ik voelde me bij de finale in Bologna in Italië eigenlijk heel ontspannen. Single European Sky Air Traffic Management Research (SESAR) is een Europees instituut dat zich bezighoudt met onderzoek naar luchtverkeerbeheer. Ik had die dag dus 400 mensen tegenover me die zich bezighouden met luchtverkeerbeheer.” Gedrag van vliegtuigen voorspellen “Het doel van mijn onderzoek was om de potentiële verbeteringen in compressie tijdens de eindnadering, bij gebruik van Time Based Separation (TBS), te kwantificeren en modelleren. TBS als concept was al wel bekend, maar het was te gecompliceerd om daadwerkelijk te implementeren. Ik heb een nieuw luchtsnelheidprofiel ontwikkeld, de Floris Friso Herrema (FFH)-tool, waarmee we het gedrag van het vliegtuig en TBS beter kunnen voorspellen. Dit is heel relevante informatie voor luchtverkeersleiders. Het systeem is nu gemakkelijker te begrijpen en dus ook te implementeren. Vorig jaar is het geïmplementeerd op London Heathrow Airport, dat nu de eerste TBS-luchthaven ter wereld is.” De voordelen “Het belangrijkste voordeel behalen we bij sterke tegenwind. Het gaat nog om schattingen op basis van Heathrow, maar we verwachten dat we bij sterke tegenwind twee extra landingen per uur kunnen uitvoeren. Bovendien zal TBS naar verwachting 80.000 minuten vertraging per jaar besparen. De voordelen voor luchtvaartmaatschappijen kunnen oplopen tot 10 miljoen euro per jaar.” Impact “Ik was uitdrukkelijk op zoek naar een scriptieonderwerp dat impact zou kunnen hebben. Daarom wilde ik ook van begin af aan samenwerken met EUROCONTROL. Ik heb een stage bij EUROCONTROL gecombineerd met mijn masterproject. Theorieën zijn er namelijk om in praktijk te brengen. Daarom vind ik het nu ook zo mooi om in mijn promotieonderzoek samen te werken met Ricky Curran en Dries Visser, beiden van Air Transport and Operations. Bij alles wat ik doe vragen zij: wat is het maatschappelijk en wetenschappelijk belang? De feedback en het advies van de universiteit en van EUROCONTROL verschillen enigszins, en de combinatie van beide gezichtspunten voegt extra waarde toe. Ik zou graag in beide werelden een rol willen blijven spelen en als actieve schakel tussen de twee willen fungeren.” Toekomst “Mijn promotieonderzoek, ‘Big data analyses and machine learning at airports to support decision making’, vordert behoorlijk. Ik werk aan toepasbare technieken voor machinaal leren en het doel is om het resultaat te implementeren bij alle grote luchthavens in Europa. Ik vind het geweldig om hieraan te werken. Op dit moment proberen we mijn onderzoek in te bedden in een Europees onderzoeksproject. We zijn druk bezig met enkele onderzoeksvoorstellen in het kader van Horizon 2020 om hier financiering voor te krijgen. Het zou natuurlijk fantastisch zijn als dat zou lukken.” Het belangrijkste voordeel behalen we bij sterke tegenwind.