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.

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.’

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

Vliegerenergie: naar betaalbare, schone energie

Hoe kunnen we schone en hernieuwbare energie produceren die ook nog eens betaalbaar is? Met het oog op klimaatverandering en opwarming van de aarde bepaalt deze vraag een van de grootste uitdagingen van de 21 e eeuw. Een onderzoeksteam op het gebied van airborne wind energy van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek is onlangs gestart met het REACH-project ‘Fast Track to Innovation’, dat met 3,7 miljoen euro door het Europese Horizon 2020-programma wordt gefinancierd. Hun ambitie is de productie van kostenefficiënte hernieuwbare energie met een kleine milieuvoetafdruk, en hiervoor willen ze ‘vliegerenergie’ gebruiken: energie die wordt opgewekt met een vliegende windturbine. Op 31 mei 2016 vond bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek de officiële aftrap van het REACH-project plaats. Na een welkomstwoord van coördinator dr. Roland Schmehl (sectie Windenergie) gaven de diverse partners korte presentaties. Vervolgens waren er lunch en discussies. Kitepower, een jonge start-up van de TU Delft, is de spil in het REACH-project en heeft als missie om de technologie te commercialiseren. Het bedrijf is verantwoordelijk voor de technische coördinatie van het project en gaat het vliegersysteem integreren, in de markt zetten en verkopen. Het doel is om binnen twee jaar het eerste commerciële prototype van de E100 (zo heet het vliegerenergiesysteem van 100 kW) klaar te hebben en binnen drie jaar met de verkoop te starten. Verschillende partijen hebben al belangstelling getoond. Minder gewicht en lagere kosten Windturbines met wieken zijn de gebruikelijkste manier om windenergie te benutten. Wereldwijd zijn er nu meer dan 200.000 van dit type windturbines. Maar deze conventionele windturbines hebben nadelen: ze zijn zwaar, duur, maken lawaai en tasten de visuele kwaliteit van het landschap aan. Hetzelfde geldt trouwens voor de benodigde infrastructuur, zoals hoogspanningskabels. Al deze nadelen kennen vliegende windturbines niet of in mindere mate. “Conventionele windturbines zijn heel robuust. Daardoor hebben ze te maken met enorme structurele krachten”, legt Schmehl uit. “De mast en de massieve rotorbladen die de aerodynamische belasting opvangen, zijn zwaar en duur. De essentie van vliegende windturbines is dat deze zware constructie wordt vervangen door lichte kabels en membranen. Op die manier kunnen we met een tiende van het materiaal, en dus een tiende van het gewicht, dezelfde hoeveelheid energie produceren. Met vliegerenergie zouden de kosten van de energie dus drastisch omlaag kunnen.” Hoe werkt het systeem? Functionele componenten van het demonstratiemodel van 20 kW dat is ontwikkeld bij de TU Delft Het grondstation bevat een geïntegreerd vluchtcontrolecentrum en een kabeltrommel met een mechanisme om de kabels te richten. De generator heeft een accu van 20 kWh. Ook de centrale besturingscomputer bevindt zich in het grondstation, dat dus als ‘brein’ van het systeem functioneert. De vliegerbesturingseenheid ( kite control unit of KCU) bepaalt hoe de vlieger vliegt, door de vleugel te besturen en op het gewenste moment te ‘depoweren’, dat wil zeggen de aerodynamische krachten te verminderen door de hoek aan te passen. De KCU krijgt via meerdere draadloze communicatiekanalen zijn opdrachten van het vluchtcontrolecentrum. Uiteindelijk is het doel dat ook de KCU als ‘brein’ functioneert, omdat deze zich dichter bij de vlieger bevindt en dus betrouwbaarder is. Ook zou dan communicatie met KCU’s van andere vliegersystemen in de buurt mogelijk zijn, zodat botsingen kunnen worden vermeden. De vlieger heeft een oppervlak van 25 m 2 en bevat een sensorplatform waarmee continu de positie, oriëntatie en snelheid van de vleugel worden gemeten. De vleugel creëert de aerodynamische hefkracht, zoals rotorbladen van conventionele windturbines. Uitdagingen in het verschiet In de komende maanden wil het team de haalbaarheid van bepaalde voorzieningen laten zien. De eerste mijlpaal die het team moet zien te passeren, is vliegen bij nacht. Dit betekent dat er verlichting nodig is, omdat vliegtuigen de vlieger moeten kunnen zien. Hoewel alle vluchten worden geregistreerd, moet er ook een back-upplan zijn voor het geval dat de communicatie uitvalt. Een tweede mijlpaal is 24 uur vliegen achter elkaar. Dat willen ze eind van dit jaar hebben bereikt. Het voordeel van het vliegersysteem boven de conventionele windturbine – het geringe gewicht – is tevens een uitdaging. Het systeem moet licht zijn, maar ook sterk, om betrouwbaar te kunnen zijn en lang mee te gaan. Lastig is ook om automatische lancering en landing voor het systeem mogelijk te maken: “Een conventionele windturbine is op dit punt gemakkelijker. Als er onweer komt, of als er technische problemen zijn, kun je gewoon op een knop drukken om de rotatie te stoppen. Een vliegend systeem is een heel ander verhaal, want dat zal moeten landen. Je kunt het niet gewoon in de lucht stopzetten.” En ten slotte is er een debat gaande over de vraag of een vliegerenergiesysteem moet worden beschouwd als een luchtvaartuig of een obstakel. Daarom moet de E100 in de nabije toekomst worden gecertificeerd. Schmehl: “Eind 2017 willen we een commercieel prototype van het 100 kW-systeem hebben.” Het vliegerenergiesysteem van 20 kW van de TU Delft in actie bij het voormalig militair vliegveld Valkenburg (Zuid-Holland) Dr. Roland Schmehl Johannes Peschel TU Delft : algemeen coördinator, onderzoek Kitepower : start-up, technisch coördinator Dromec B.V. : grondstation Maxon Motor GmbH : aandrijving van besturing Genetrix : ontwikkeling en productie van vlieger

Lichter composiet vliegtuig? Niet klinken maar hechten

Gehechte verbindingen (of gelijmde verbindingen voor niet ingewijden) mits op de juiste manier gemaakt en toegepast, zijn een veilige en efficiënte manier om vliegtuigonderdelen aan elkaar te bevestigen. “Het gebruiken van ‘lijm’ naast of in plaats van de ouderwetse klinknagels, wordt ook nu al toegepast bij conventionele metalen vliegtuigen. Maar nu vliegtuigen steeds vaker van composietmaterialen worden gemaakt, moeten we meer weten over hoe we optimaal gebruik kunnen maken van gehechte verbindingen tussen composietdelen." "Op het moment passen we bij het hechten van nieuwe composietmaterialen ontwerpmethoden toe die erg lijken op de methoden die worden gebruikt bij metalen. Dit heeft significante gevolgen voor de potentiële gewichtsbesparing die het gebruik van composieten kan opleveren”, aldus Sofia Texeira de Freitas, die aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft verbindingen in constructies onderzoekt. “Om nieuwe composietmaterialen efficiënt te kunnen hechten moeten de verbindingen opnieuw ontworpen worden. Daarbij is het belangrijk zowel de vorm als de materiaaleigenschappen (richting en ‘layup’ van de vezels) te optimaliseren.” In juli ontving Teixeira de Freitas een Veni-subsidie van de NWO. Hierdoor heeft ze de mogelijkheid om een nieuwe ontwerpmethodologie te ontwikkelen waarmee de vliegtuigindustrie kan bepalen welke eigenschappen composietmateriaal optimaal geschikt maken om te hechten. En bovendien wat de beste geometrie is om de verschillende vliegtuigonderdelen veilig en efficiënt aan elkaar te bevestigen. Gaten boren en klinknagels plaatsen Ongeveer vanaf de introductie van de Dreamliner door Boeing gebruiken vliegtuigfabrikanten voornamelijk composietmaterialen, overwegend van koolstofvezel, in hun vliegtuigonderdelen, als licht en sterk alternatief voor aluminium. Een vliegtuig dat tegenwoordig uit de fabriek komt, bestaat voor ongeveer de helft uit composieten. Logisch dat composieten populair zijn bij fabrikanten: lichtere vliegtuigen verbruiken bijvoorbeeld minder brandstof en stoten minder CO2 uit. Vliegtuigen bestaan uit vele kleine onderdelen die aan elkaar moeten worden bevestigd. In traditionele vliegtuigen van aluminium werden hiervoor bevestigingsmiddelen zoals klinknagels gebruikt. Teixeira de Freitas: “Voor de fabricage van moderne vliegtuigen, die van aluminium én composieten zijn gemaakt, hebben we de oude bevestigingsmethoden voor aluminium maar een klein beetje aangepast. We boren nog steeds gaten voor klinknagels. Dat is zeker niet ideaal. Wanneer je gaten boort in het composietmateriaal, snijd je door de koolstofvezels heen. Dat heeft aanzienlijke gevolgen voor de lastdragende capaciteit van het materiaal. Als compensatie wordt er meer materiaal gebruikt, maar daar worden de vliegtuigen weer zwaarder van.” Joints between the wing skin and the stiffener, aircraft wing Zooming in on the adhesive bond solution Gehechte verbindingen – ‘lijm’ Dit probleem zou met gehechte verbindingen kunnen worden opgelost, maar er is veel meer kennis nodig over het gedrag van de gehechte verbindingen op de langere termijn. Ook moeten we beter weten welke vorm we de vezels van de composiet moeten geven en welke geometrie nodig is om de twee delen aan elkaar te bevestigen. Teixeira de Freitas: “Composieten hebben niet, zoals metaal, eigenschappen die vastliggen. De vezels waaruit een composiet bestaat, kunnen in verschillende richtingen worden gelegd, en zo kun je de materiaaleigenschappen aanpassen. We moeten uitvinden hoe we de optimale eigenschappen kunnen creëren voor de constructie van een sterke en veilige verbinding. Ook moeten we kijken wat de optimale geometrie is om de twee onderdelen aan elkaar te bevestigen, zowel voor composiet met composiet als voor composiet met metaal.” Teixeira de Freitas staat voor een interessante wetenschappelijke uitdaging: “De bestaande composieten zijn al zeer efficiënte materialen, maar ze moeten nog zo worden geoptimaliseerd dat het ook zeer efficiënte structuren worden. We moeten opschalen naar grotere structuren. En hierin spelen gehechte verbindingen een sleutelrol”. Bestaat de toekomst uit gehechte composieten? Zullen over enige tijd alle vliegtuigen en andere metalen constructies bestaan uit aan elkaar gehechte composieten? Teixeira de Freitas denkt dat in de toekomst elk onderdeel van een constructie van het best mogelijke materiaal gemaakt zal zijn, toegesneden op de taak waar het voor bedoeld is, en dat er nieuwe oplossingen zullen worden gevonden om de onderdelen veilig en efficiënt aan elkaar te bevestigen: “Verbindingsvlakken in hybride constructies zullen steeds belangrijker worden. We zullen verbindingen nodig hebben die de prestaties van de materiaalonderdelen niet negatief beïnvloeden. Gehechte verbindingen zijn veelbelovend, maar ook andere opties worden onderzocht, door mijn collega’s op de faculteit. Denk bijvoorbeeld aan gelaste kunststof of zelfs aan het gebruik van een soort klittenband.” Veni Veni is een subsidie waarmee de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) innovatief onderzoek stimuleert. Onderzoekers die kort geleden zijn gepromoveerd, krijgen subsidie om gedurende drie jaar onafhankelijk onderzoek te doen en hun ideeën te ontwikkelen. Het gaat om een bedrag van maximaal 250.000 euro. Teixeira de Freitas: “Ik wil de subsidie vooral gebruiken om met specialisten bij andere universiteiten samen te werken en om vakgebieden te overbruggen.” Offshore Deze zomer kreeg Teixeira de Freitas nog meer goed nieuws: samen met haar collega’s in een breder consortium heeft ze ook van de topsector High Tech Systemen en Materialen een subsidie van 500.000 euro gekregen voor onderzoek naar het gebruik van composieten in de offshore- en de maritieme sector. Sofia Teixeira de Freitas Teixeira de Freitas is civiel ingenieur. Zij heeft haar masterdiploma behaald aan de Universiteit van Lissabon. Voor haar promotieonderzoek aan de Faculteit Civiele Techniek aan de TU Delft ontwikkelde ze technologie voor gehechte verbindingen om stalen bruggen te versterken. Teixeira de Freitas is verbonden als universitair docent in de afdeling ‘Aerospace Structures and Materials’ aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, TU Delft. Sofia: “Door mijn veelzijdige technische achtergrond heb ik een bredere blik op verschillende vakgebieden, wat ik erg nuttig vind. Waardoor ik echt gemotiveerd word? Het verbreden van mijn kennis en deze doorgeven aan nieuwe generaties.” The banner photo pictures the composites laboratory at TU Delft

Corrosie bestrijden met algen

Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken. Om metalen constructies te beschermen tegen corrosie wordt veel gebruikgemaakt van coatings. Die coatings bieden passieve en actieve bescherming, bijvoorbeeld als barrière tegen corrosieverwekkers of als corrosie-inhibitoren carriers (dragers). In coatings worden al bijna honderd jaar corrosie-inhibitoren op basis van chroom VI toegepast om de beschermende functie ook na aantasting in stand te houden. Zulke deeltjes werken efficiënt maar zijn zeer giftig en kankerverwekkend. Daarom is het gebruik van chromaten voor veel toepassingen verboden. In de veeleisende luchtvaart- en ruimtevaartsector zou dit ook worden doorgevoerd, maar het verbod is meerdere keren uitgesteld vanwege een gebrek aan goede alternatieven. Een mogelijk alternatief is het gebruik van algen, meer specifiek de exoskeletten van zogenaamde diatomen. In 2015 is universitair docent Santiago Garcia, verbonden aan de onderzoeksgroep Novel Aerospace Materials, een project gestart om het gebruik van exoskeletten van diatomen (ook wel frustule genoemd) ter bescherming van lucht- en ruimtevaartconstructies te onderzoeken. Garcia: “In 2015 hebben we het eerste proof of concept opgesteld om aan te tonen dat algen kunnen worden gebruikt voor actieve corrosiebescherming en zelfherstel. Ik ben ervan overtuigd dat dat enorme gevolgen kan hebben.” Waarom frustule van diatomen? Er is al een aantal veelbelovende corrosiebeschermers die mogelijk chromaat zouden kunnen vervangen. Uit onderzoek is echter gebleken dat er ongewenste reacties kunnen optreden tussen deze inhibitoren en de omringende coatingmatrix, waardoor de efficiëntie van de inhibitoren wordt verminderd. Eén manier om dat te voorkomen is door de inhibitoren onder te brengen in carriers. Het gebruik van een carrier vermindert de interactie tussen de inhibitoren en hun omgeving. Bovendien kan de carrier worden gebruikt om het vrijkomen van de corrosie-inhibitoren te reguleren. Een dergelijke aanpak kan theoretisch een veel efficiëntere anticorrosiecoating opleveren. Frustule (diatoom exoskeletten) van het type Aulacoseira Frustule kunnen dienstdoen als carrier op microformaat. Waarom zijn ze met hun specifieke architectuur zo geschikt voor deze toepassing? Promotieonderzoeker Paul Denissen licht toe: “Frustule zijn holle microdeeltjes van silica met nanoporiën, ook wel ‘pill-boxstructuren’ genoemd. Ze hebben een celwand gemaakt van silica, met een sterke structuur vol poriën. Gelukkig voor ons zijn die poriën groot genoeg om in beide richtingen corrosieremmers(corrosie-inhibitor) door te laten.” Bestudering van afzonderlijke deeltjes Nadat Paul Denissen met een scriptie over dit onderwerp zijn master had behaald, is hij in januari met zijn promotieonderzoek begonnen. Daarvoor houdt hij zich bezig met het isoleren en bestuderen van afzonderlijke frustuledeeltjes met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken. Garcia: “Frustule lopen zeer uiteen in vorm, grootte en poreusheid (dit noemen we de architectuur). Er moeten speciale tests worden uitgevoerd om vast te stellen hoe afzonderlijke deeltjes zich gedragen en hoe we dat gedrag kunnen beïnvloeden. Kort gezegd willen we: De mogelijkheden verkennen van het gebruik van diatoomexoskeletten en aantonen dat deze kunnen worden gebruikt voor de opname en gecontroleerde vrijgave van functionele soorten in coatings zoals corrosie-inhibitoren; Evalueren wat de effecten van de architectuur en geometrie zijn op het vrijkomen en de efficiëntie van corrosie-inhibitoren; Het oppervlak van diatoomexoskeletten modificeren en bepaalde triggers, zoals een veranderende pH-waarde, gebruiken om de vrijgave van corrosie-inhibitoren te reguleren. Als we daar eenmaal inzicht in hebben, kunnen we op basis van ruimschoots verkrijgbare grondstoffen coatings maken die op het juiste moment precies de benodigde hoeveelheid corrosie-inhibitoren vrijgeven.” Corrosiebeschermingsmechanisme van coatings met diatoomexoskeletten waaraan inhibitoren zijn toegevoegd Natuurlijke oplossing voor industrieel probleem De NovAM-groep onderzoekt momenteel specifiek de extra sterke aluminiumlegering 2024, die bij de productie van lucht- en ruimtevaartonderdelen wordt gebruikt en die bijzonder gevoelig is voor corrosie. De methode kan echter worden gebruikt om alle metaallegeringen te beschermen. Denissen legt uit dat dit zelfherstellende mechanisme in de toekomst ook voor andere toepassingen kan worden gebruikt: “Elke inhibitor heeft bepaalde kenmerken, die een bepaald effect hebben als de inhibitor in een carrier is ondergebracht. Als we de afzonderlijke deeltjes eenmaal hebben gekwantificeerd en hun gedrag hebben gemeten, kunnen we bepalen welk soort deeltje het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart.” Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken. Garcia: “Diatomen komen vrijwel overal voor waar water is. Diatomen planten zich voort met sporen en ongeslachtelijk door middel van tweedeling, en groeien bijzonder snel. Frustule gebruiken voor anticorrosiecoatings zou niet alleen gezonder zijn in vergelijking met de huidige synthetische middelen, maar daarnaast ook opschaalbaar, duurzaam en betaalbaar. Dit nieuwe concept sluit aan op ons lopende onderzoek naar zelfherstellende polymeersystemen en nieuwe functionele micro- en nanovezels voor composieten en coatings gemaakt van algen.”

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 .

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.