Check out our science

Discover the stories of researchers at the
Faculty of Mechanical Engineering.

Een spannende nagelknipper

Een spannende nagelknipper Engineering for forensics Een goede nagelknipper kan het verschil betekenen tussen een moordenaar achter de tralies of op vrije voeten. “Je kunt nog zulke hightechapparatuur in je forensisch laboratorium hebben staan, als je er niet het juiste bewijsmateriaal in stopt, vind je nooit de dader.” Wattenstaafjes, plakband en pincet zijn belangrijk gereedschap voor forensisch onderzoekers. Bewijsmateriaal verzamelen op de plaats delict is handwerk. “Low-tech. En daar is niets mis mee”, benadrukt onderzoeker Arjo Loeve, Delfts projectleider Engineering for Forensics bij ME. Loeve houdt van technologie maar ook van eenvoud. “Hoe eenvoudiger een instrument, hoe makkelijker het te gebruiken en schoon te maken is. En hoe kleiner ook de kans op besmetting.” Maar low-tech betekent zeker niet dat het werk eenvoudig is. Forensisch onderzoekers moeten onder tijdsdruk snelle keuzes maken. Waar zijn sporen te vinden? Hoe stellen we ze veilig? De plaats delict kan immers een drukke snelweg zijn, een krappe kelderruimte of een strand bij laag tij. Ervaring en deskundigheid spelen een belangrijke rol. Loeve: “Juist daarom denk ik dat engineering nog veel kan bijdragen. Door betrouwbaardere of snellere instrumenten te ontwikkelen, maar ook door modelering. Wat is bijvoorbeeld de meest efficiënte volgorde om sporen te verzamelen in een bepaalde setting?” Polyestervezel van textiel met sporenmateriaal Stempel met plakband voor het verzamelen van sporen Loeve, opgeleid als biomedical engineer , belandde min of meer bij toeval in het forensisch onderzoek. “Ik had een boeiend gesprek op een verjaardagsfeest met iemand van het NFI.” Het gesprek leidde tot een gezamenlijk onderzoeksproject. Ze wilden antwoord op de vraag hoe groot de kans is op DNA-versleping bij lichamelijk onderzoek na een zedendelict. Versleping is het onbedoeld en onopgemerkt ‘meenemen’ van DNA van de ene plek naar de andere tijdens het onderzoek. Loeve experimenteerde met waarheidsgetrouwe modellen in het laboratorium, en schrok van de bevindingen. Met de klassieke methode–speculum en wattenstaaf–is de kans op versleping meer dan zestig procent. “Terwijl of je dader-DNA op of in het slachtoffer aantreft, uiteindelijk het verschil tussen vrijspraak en veroordeling kan zijn.” Hoog tijd dus voor een nieuwe methode. “We ontwikkelden een ring met een soort plastic zakje eraan dat het wattenstaafje afschermt. In de negentig tests in het laboratorium zagen we geen enkele maal versleping. We hopen dat het snel in de praktijk gaat worden getest.” Al snel volgden er meer onderzoeksprojecten. Loeve probeert bijvoorbeeld samen met het AMC en NFI de schatting van het tijdstip van overlijden van slachtoffers preciezer te maken. “Nu is er vaak een marge van uren. Met nieuwe sensoren (TU Delft) en rekenmodellen (AMC) die het lichaamsgewicht en allerlei omgevingsfactoren meewegen, denken we dat terug te kunnen brengen tot onder een half uur.” Ook ontwikkelt Loeve handzame instrumenten voor forensisch onderzoekers die een luchtdicht pak moeten dragen omdat de plaats delict gevaarlijk is. Sommige van de onderzoeksprojecten hebben duidelijk raakvlak met Loeves biomedische onderzoek. Een voorbeeld is een studie naar het shakenbabysyndroom, de schade die baby’s oplopen door heftig schudden. Loeve: “Om mensen te kunnen vrijpleiten of juist veroordelen is meer kennis nodig over welke schade ontstaat bij schudden en welke door bijvoorbeeld vallen. Dat helpt overigens ook om betere voorlichting te geven aan ouders.” Loeve gebruikt hierbij kennis uit al langer lopend onderzoek naar hoe en wanneer botten breken. “Ik merk steeds vaker dat onze medische en forensische onderzoeksprojecten raakvlakken en zelfs overlap hebben.” Series zoals CSI en NCIS waren een groot succes. Hoe spannend is Loeves ‘ crime lab’ ? “Wij doen zelf geen onderzoek op een plaats delict of in echte zaken. Ik praat wel veel met forensisch onderzoekers en lees casusrapporten om een goed beeld te krijgen van de praktijk.” Het gaat dan nooit om lopende zaken, benadrukt Loeve. “En geloof me sommige details had ik liever niet geweten. Wie denkt dat serieschrijvers teveel morbide fantasie hebben, vergist zich.” De dossierkennis mag schokkend zijn, triest en heftig, het drijft Loeve ook juist. “Het maakt wel duidelijk dat je bijdraagt aan iets belangrijks. Het is helaas nodig wat wij doen.” Nodig is bijvoorbeeld de nieuwe nagelknipper die Loeve samen met zijn studenten en het NFI ontwierp. Het prototype is uitgebreid in het laboratorium beproefd en wordt momenteel doorontwikkeld. “Een nagelknipper klinkt weinig sexy of spannend”, grinnikt Loeve. Maar onder nagels kun je DNA-sporen aantreffen van dader of slachtoffer. Of materiaal dat iets verklapt over recente activiteiten of de omgeving waar hij of zij was. De nieuwe Delftse nagelknipper maakt het mogelijk nagels te knippen van een verstijfde vuist zonder dat de vingers gebogen hoeven te worden. De nagel kan bij het knippen niet wegspringen. En het knipbekje is snel verwisseld voor een schoon exemplaar. Zo kun je linker- en rechterhand makkelijk apart knippen. Loeve: “De wetenschap dat iets met de linker- of rechterhand gedaan is, kan cruciaal bewijs zijn.” Wat was er technisch het lastigst? “Er was niet echt een eurekamoment. We hebben stapje voor stapje het ontwerp aangepast totdat het aan alle vereisten voldeed. Een zo eenvoudig mogelijk instrument, snel en goed te reinigen en waarmee je in alle situaties aan twee handen genoeg hebt.” Bij de ontwikkeling van een nieuw instrument is het vooral belangrijk om ideeën los te kunnen laten en goed te luisteren naar wat echt nodig is, stelt Loeve. “De eenvoudigste oplossing blijkt uiteindelijk vaak de beste.” Arjo Loeve Co van Ledden Hulsebosch Center De Delftse faculteit ME is sinds vorig jaar officieel partner in het CLHC, het Co van Ledden Hulsebosch Center. Dit onderzoekconsortium in de Forensische wetenschappen werd in 2013 gestart door wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam, het Amsterdam Medisch Centrum (AMC) en het Nederlands Forensisch Instituut (NFI). Het is vernoemd naar de eerste Nederlandse forensisch wetenschapper Co van Ledden Hulsebosch die in 1929 medeoprichter was van de International Academy of Criminology . Loeve is coördinator vanuit Delft: “Het CLHC brengt extra contacten en expertise. Zo’n consortium is prettig: korte lijntjes naar allerlei wetenschappers en bijeenkomsten waar je nieuwe mensen spreekt en problemen kunt delen.” Lowlands Crime Lab 175 maal werd er tijdens Lowlands 2016 een ‘moord’ gepleegd voor de wetenschap. Dat gebeurde in een Crime Lab ingericht door de Hogeschool van Amsterdam, TU Delft, Politie en het NFI. Meer dan zeshonderd festivalgangers brachten een bezoek. Bijna tweehonderd smoorden met een kussen een etalagehoofd met beschilderde handen, wat 175 kussens met ‘smoorsporen’ opleverde. Voordat de moordenaars los gingen op het etalagehoofd, hadden ze eenzelfde sloop netjes om een kussen gedaan, ook met geschilderde handen. Arjo Loeve was erbij: “We onderzoeken zo of er een herkenbaar verschil is tussen gewone afdruksporen op hoofdkussens en sporen veroorzaakt door geweld.” Online cursus Forensic Engineering Forensisch onderzoek vind je op veel meer plaatsen dan je zou denken. Zo worden forensisch ingenieurs ingeschakeld voor het analyseren van allerlei situaties waarbij technische systemen (lijken te) hebben gefaald. Zoals bij de gaswinning in Groningen, neerstortende vliegtuigen of patiënten in ziekenhuizen die besmet worden door bacteriën die worden overgedragen via chirurgische instrumenten. Samen met Karel Terwel (Civiele Techniek) en Michiel Schuurman (Lucht & Ruimtevaart) zet Arjo Loeve een Massive Open Online Course op. Deze gratis cursus “Forensic Engineering – Learning from Failures” vind je op www.edX.org en start medio oktober.

Nieuw horlogemechanisme uit één stuk

De Delftse onderzoeker en ondernemer Nima Tolou is trots op een nieuwe ontwikkeling in het hart van mechanische horloges; hij gebruikte zijn kennis van elastische mechanismen en MEMS-technologie voor het ontwikkelen van een horloge met een compleet nieuw tijdmechanisme in een hecht team met de LVMH Watch Division (TAG Heuer/Zenith) en Flexous, de Delftse start-up die hij oprichtte met natuurkundige en ondernemer Oleg Guziy. Daarnaast werkt hij momenteel aan een andere innovatie; een apparaatje dat trillingen omzet in gratis stroom.

3D-printing en origami

Image reproduced by permission of Shahram Janbaz from Materials Horizons, 2016 DOI: 10.1039/C6MH00195E De nieuwste botprotheses rollen uit een 3D-printer. Precies op maat en met holtes waarin eigen bot groeit. Maar het kan nog beter, nog natuurlijker, denkt onderzoeker Amir Zadpoor. Met origami van biomateriaal. De chirurg stapt even opzij. Een scanner zoeft zachtjes over en rond de patiënt op de operatietafel. In de hoek komt een apparaat tot leven, dat even later een plaatje met kleine en grote perforaties en ‘rafels’ uitspuugt. Het valt in een bakje met vloeistof. Langzaam zwelt en ontvouwt het zich en krijgt uiteindelijk precies de dimensies van het gat dat de chirurg zojuist maakte om een grote bottumor te verwijderen. Die klikt de prothese snel op de juiste plek. Zo stelt Amir Zadpoor van de TU Delft zich de toekomst voor. “De botprothese bestaat uit een poreus, gelaagd materiaal dat probleemloos hecht aan het eigen bot,” voorspelt hij. “En het groeit snel vol met nieuw, gezond, stevig bot zodat het als twee druppels water op echt bot lijkt, en levenslang meegaat.” Dat is nu nog toekomstmuziek, maar ook een logisch vervolg op wat er al kan in de kliniek: meer eigen bot behouden dankzij implantaten op maat uit de 3D-printer. Sander Dijkstra, orthopedisch chirurg in het LUMC, gebruikt soms al geprinte implantaten. “Jonge mensen met een tumor in het dijbeen kan ik nu vertellen dat ze wellicht weer kunnen rennen na de operatie.” Hij hoeft namelijk niet het hele kniegewricht weg te nemen zoals voorheen. “Laatst vertelde een patiënt dat hij weer hardloopt. Geweldig toch, daar doe je het voor.” Poreus De geprinte protheses die Dijkstra gebruikt, zijn nu gedeeltelijk poreus. Dat is mede dankzij het werk van materiaalkundige Zadpoor: “Met de 3D-printer kun je eenvoudig een poreuze prothese maken die toch stevig is. Zo’n implantaat heeft een veel groter oppervlakte. Dat betekent dat een antibacteriële laag op de buitenzijde veel effectiever is. Maar nog belangrijker: in die holtes kan eigen bot groeien. Dat zorgt voor betere hechting en extra stevigheid.” En dat is welkom, want bijna een op de zeven implantaten moet opnieuw worden vervangen, weet Dijkstra. “Implantaten kunnen na verloop van tijd losraken én ze slijten. Zeker jonge patiënten lopen daarom kans dat hun prothese vervangen moet worden.” Additively manufactured (3D printed) porous biomaterials aimed for bone tissue regeneration manufactured at the Additive Manufacturing Laboratory, TU Delft (Medical Delta © de Beeldredacteur). Als 3D-geprinte protheses langer meegaan, waarom worden dan niet alle implantaten geprint? Zadpoor: “Een geprinte prothese is relatief duur. Bij het maken zijn nu nog veel specialisten nodig. Ik verwacht dat de kosten nog flink naar beneden zullen gaan de komende jaren. Dan zouden ook standaardimplantaten inderdaad uit de 3D-printer kunnen komen.” Toch verwacht hij nog niet snel 3D-geprinte heupprotheses op de markt. “Dat is zo’n geperfectioneerd product met weinig complicaties, dan moet het voordeel groot en overtuigend bewezen zijn. Dat vergt eerst langetermijnonderzoek.” Schouderblad Dijkstra plaatst op dit moment “eens in de vier maanden” een geprinte prothese. Want het is zeker geen standaardoperatie. De orthopeed is een van de pioniers. De 3D-printer staat ook nog niet in de operatiekamer, maar bij een gespecialiseerd bedrijf: Implantcast (Duitsland). Dijkstra: “Ik maak een botscan en bepaal welk gedeelte van het been echt weg moet. In een speciaal computerprogramma ontwerpen we dan een precies passend opzetstuk dat net boven de knie komt. Die koppelen we met een standaardpin aan het gezonde bovenste deel van het dijbeen.” Het hele proces van eerste ontwerp tot operatie duurt nu zeven weken. Arts en ingenieur ontwerpen in nauw overleg over de beste oplossing voor die ene patiënt. Die krijgt in die tussentijd een chemokuur om mogelijke uitzaaiingen te bestrijden. De groep patiënten waar het om gaat -jonge mensen met ernstige bottumoren- is gelukkig klein. En de techniek komt vooralsnog alleen in beeld als een standaardprothese geen goede oplossing biedt. Dijkstra verving zo ook al eens een half schouderblad en een deel van een bekken - botten waarvoor geen standaardprotheses bestaan. Dijkstra: “Een nieuw product betekent altijd een risico. Er kan een onverwacht nadeel opduiken, ook op lange termijn. Dat besef ik als arts terdege. We behandelen eerst de groep die er het meest baat bij 3D-geprinte protheses heeft. En volgen hen langdurig en nauwkeurig.” Van alle 3D-geprinte implantaten die Dijkstra gebruikt, wordt bijvoorbeeld ook een kopie geprint. In het laboratorium in Delft testen onderzoekers wat er misschien nog beter kan. Origami Om de geprinte prothese nog beter met het lichaam te laten vergroeien, wil materiaalkundige Zadpoor eigenlijk het ‘onmogelijke’ realiseren. Sinds een jaar of tien is duidelijk dat een bepaald oppervlaktepatroon op implantaten de aangroei van botcellen stimuleert. Waarschijnlijk lijkt dit patroon op het natuurlijk oppervlak van bot en nestelen botvormende cellen er daarom graag op. Zadpoor wil protheses maken waarbij dit patroon ook in de poriën zit. Maar het gaat hier om een nanopatroon: ribbels ter grootte van een paar duizendste millimeter. Zadpoor: “Zo’n nanotopografie kun je maken met technieken uit de chipindustrie, maar alleen op vlakke oppervlakten. De techniek is dus eigenlijk niet te combineren met 3D-printen.” Met ‘zelfvouwende materialen’ wil de onderzoeker dit dilemma oplossen. “Denk aan origami”, begint Zadpoor zijn uitleg. “Daar begin je met een vlak stuk papier, maar het resultaat is een heel complex gevouwen vorm.” Het idee is om vlakke structuren te printen en daar vervolgens het juiste nanopatroon op aan te brengen. Daarna volgt een vouwtruc. Het geprinte materiaal bestaat uit laagjes passieve en actieve polymeren. Die krimpen of zwellen wanneer de temperatuur stijgt, als ze in water belanden of als er licht op schijnt. Zadpoor: “Wij combineren ze zo dat vlakke vormen zichzelf kunnen uitvouwen of vanzelf oprollen.” Self-folding origami Miljoenen De Europese Unie beloonde Zadpoors idee in 2015 een beurs van 1,5 miljoen euro (ERC-grant). De eerste zichtbare resultaten zijn er nu: een trap wordt onder water een DNA-streng en een raamwerk krimpt ineen tot ‘kippengaas’. Maar hoe leidt dit fraaie origamiwerk nu tot een poreus implantaat met nanopatroon waarmee Dijkstra zijn patiënten kan helpen? Zadpoor: “Wij laten nu de principes zien waarmee 2D-vormen zichzelf kunnen opvouwen tot 3D-structuren. Dat is fundamenteel onderzoek. Het is nu een kwestie van flink knutselen om er uiteindelijk echte implantaten met levenslange garantie mee te maken.” Self-twisting of DNA-inspired constructs Om dat einddoel te bereiken werkt Zadpoor samen met verschillende ziekenhuizen in en buiten de regio, met grote en kleine bedrijven en is deelnemer aan grote, internationale onderzoeksprojecten zoals het onlangs gestarte miljoenenproject PRosPERoS ( PRinting PERsonalized orthopaedic implantS ). Zijn lab in Delft is een belangrijk knooppunt in de ontwikkeling van nieuwe biomedische materialen. Toch had Zadpoor nu ook bij SpaceX of Boeing kunnen werken. Hij promoveerde in de Lucht- en Ruimtevaarttechniek. “Ik heb zes jaar geleden heel bewust de switch gemaakt van vliegtuigmaterialen naar biomaterialen. Want niets is uiteindelijk mooier dan te helpen om mensen beter te maken.” Lees hier het persbericht. Nederlandse media Door origami geïnspireerd botherstel Nemo Kennislink, 25 oktober 2016 Origami en 3D-printen voor zelfbouwende materialen De Ingenieur, 22 oktober 2016 TU Delft gebruikt origami voor 3d-objecten met oppervlaktepatroon Bits & Chips, 24 oktober 2016 TU Delft combineert 3D-printen met orgimami-technieken voor implantaten ICT & Health, 1 november 2016 3D-printen en origami bij ontwikkeling zelfvouwende medische implantaten (video) Engineersonline.nl, 23 oktober 2016 Zelfvouwend origami-botweefsel uit de 3D-printer BNR radio, 24 oktober 2016 Zelfvouwende medische implantaten door 3D-printen en origami Nano House, 30 oktober 2016 Kennis van Nu, 2 maart 2017: Internationaal 3-D printing and origami techniques combined in development of self-folding medical implants Phys.org, 21 oktober 2016 TU Delft researchers pioneer self-folding medical implants using 3D printing and origami techniques 3ders.org, 24 oktober 2016 3D Printing and Origami Could Yield Self-Folding Medical Implants Engineering.com, 24 oktober 2016 Self folding medical implants 3dprint.com 3D PRINTING & ORIGAMI TECHNIQUES FOR MEDICAL IMPLANTS 3dprintersonlinestore.com, 2-11-2016 3d-printing and origami techniques combined development self folding medical implants ECNmag.com http://it.sohu.com/20161029/n471739916.shtml http://md.tech-ex.com/engineering/2016/47549.html Bio Focus: Nanopatterned self-folding origami may open up new possibilities in tissue engineering MRS Bulletin, 28 november 2016 Bio Focus: Nanopatterned self-folding origami may open up new possibilities in tissue engineering MRS Bulletin, 7 november 2016 Shape Memory Polymers to Create Origami-like Biomplants EdgyLabs, 8 november 2016 3D printanje i origami tehnike u kombinaciji razvoja samosklopivih medicinskih implantata Skala.ba, 6 november 2016 TU Delft researchers develop self-twisting of DNA-inspired constructs (VIDEO) 4dpmmconference.com, 26 oktober 2016 Amir Zadpoor

Autonoom varen

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

Beter begrip staal bevordert kwaliteit vervoersmiddelen

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

Sluit de CO2 kringloop met chemie

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

Een dieet voor staal

Minder verschillende elementen, beter te recyclen Als het aan Erik Offerman ligt, dan gaat staal op dieet. Hij denkt dat de helft van de legeringselementen in staal overbodig is. Dat is duurzamer, beter voor het milieu en maakt staal beter te recyclen. Terwijl de kwaliteit van het populaire constructiemateriaal er niet onder hoeft te lijden, aldus Offerman. De Delftse materiaalkundige doet zijn gewaagde stelling op basis van zijn expertise in de microscopische structuur van staal. En die is bepalend voor de eigenschappen, vertelt hij. "Staalmakers voegen allerlei elementen toe om de juiste eigenschappen te krijgen. Chroom, vanadium, nikkel, niobium, molybdeen en ga zo maar door: elk staaltype heeft zijn eigen elementencocktail. Ons onderzoek laat zien dat je met nauwkeurige procesbeheersing óók die eigenschappen kunt krijgen – of beter - door de microstructuur in te stellen. Zonder dat je al die extra elementen nodig hebt. Meer met minder." Offerman is een warm pleitbezorger van grondstoffenefficiënt produceren: wat je niet nodig hebt moet je ook niet gebruiken. 'Zuinig zijn met elementen' is op zich al duurzaam, maar in het geval van staal is er nog een belangrijk voordeel. De recycling wordt er namelijk een stuk eenvoudiger op als er minder verschillende legeringselementen worden gebruikt. Veel elementen zitten elkaar 'in de weg' en zijn alleen met veel energie van elkaar te scheiden. Offerman: "We zien nu dat recycling vaak tot laagwaardiger staalproducten leidt, waarin elementen zich ophopen. Hoe minder verschillende elementen er in staal zitten, hoe kleiner dat probleem en hoe beter je de kwaliteit kunt beheersen. Dan komt een echte kringloop binnen handbereik, waarin geen waarde verloren gaat." Grondstoffenefficiënt ontwerpen: groeien zonder knoeien De groeiende wereldeconomie heeft steeds meer grondstoffen nodig en dat brengt een groeiende milieubelasting met zich mee. Kranten hebben het vooral over de CO 2 -emissies vanwege de klimaatproblematiek, maar de lokale milieubelasting van metaalmijnen liegt er ook niet om. De Verenigde Naties concludeerden het al: voor een duurzame ontwikkeling moet er een ontkoppeling komen van de economische groei en de wissel die dat trekt op het milieu en de aardse reserves. Ook voor Erik Offerman is het zonneklaar dat we op weg moeten naar een grondstoffenefficiënte, circulaire economie. "Dat is een enorme uitdaging waar ik graag een bijdrage aan wil leveren", zegt hij. Offerman stelt dat de discussie rond de beschikbaarheid van elementen zich ten onrechte afspeelt rond high-tech producten als de smartphone. 'Een aantal van die elementen vind je ook in staal. Als je naar het percentage kijkt dan stelt het niet zo veel voor: soms gaat het slechts om tienden van procenten in staal. Maar staal wordt in gigantische hoeveelheden geproduceerd: meer dan een miljard ton per jaar. Dan praat je ook voor wat betreft de legeringselementen over aanzienlijke hoeveelheden." Eye opener Dat Offerman zich in zijn materiaalonderzoek laat leiden door duurzaamheidsaspecten is bijzonder. "Zoals zoveel materiaalkundigen heb ik jarenlang op de vierkante micrometer gewerkt zonder het grotere geheel in ogenschouw te nemen. Zo konden we in 2013 over een staalvariant publiceren met een veel grotere brandweerstand. Zo'n soort staal had wellicht het instorten van de Twin Towers in New York kunnen voorkomen, of er tenminste aan kunnen bijdragen dat ze ondanks de brand langer waren blijven staan. Dan was er meer tijd geweest om mensen in veiligheid te brengen. Alleen hadden we voor dat staal gebruik gemaakt van het element niobium. Dat wordt vooral in Brazilië gedolven; dat land beheerst meer dan 90% van de markt. Dat is een geopolitiek risico dat staalproducenten liever vermijden. Dus onze vinding, die technisch een aardige doorbraak was, bleek in de praktijk weinig zinvol." Deze "eye-opener" deed Offerman realiseren dat onderzoekers niet alleen de diepte in moeten gaan, maar zich ook in de breedte moet ontwikkelen. "Je moet je bewust zijn van de uitdagingen en veranderingen in de maatschappij. Dat probeer ik in ons onderwijs nu ook aan de studenten mee te geven." Overigens is de ontwikkeling van het hittebestendige staal zeker niet voor niets geweest. "We kijken nu of we staal met behulp van vanadium vergelijkbare eigenschappen kunnen geven. Dat doet ongeveer hetzelfde als niobium, maar is een veel breder beschikbaar element." Complexe staalproductie Offerman legt uit dat het er bij het maken van staal om gaat de juiste mix te realiseren van verschillende soorten microkristalletjes (ferriet, martensiet en austeniet, zegt de kenner). Die verschillen van elkaar in atomaire opbouw en de toegevoegde legeringselementen bepalen voor een groot deel welke kristalletjes ontstaan. Maar, en daar gaat het Offerman om, óók de manier waarop het staal tijdens de productie wordt behandeld heeft grote invloed. En juist omdat moderne staalfabrieken dat complexe productieproces zó goed in de vingers hebben, zijn allerlei legeringselementen in de praktijk niet nodig. Offerman ontwikkelde de afgelopen jaren verschillende computermodellen die daar inzicht in bieden en zo komt hij op zijn stelling over het staaldieet. Offerman: "De modellen geven een gefundeerde indicatie van wat mogelijk is. Maar natuurlijk moeten we nu experimenten gaan doen. Eerst om onze modellen te verbeteren, en uiteindelijk om te kunnen aantonen dat je echt wel goed staal kunt maken met minder elementen." Hij is ervan overtuigd dat dit weerklank zal vinden in de industrie: "Een grondstoffenefficiënte materiaalkringloop leidt uiteindelijk tot kostenreductie. Fabrikanten hoeven minder dure elementen in te kopen en kunnen goedkoper recyclen. Als wij laten zien wat er kan, zal daar zeker belangstelling voor zijn." Staalproductie is een complex proces. Het begint met gesmolten ruwijzer waaraan kleine percentages van de andere elementen worden toegevoegd (het 'legeren'). Dat mengsel wordt gegoten, afgekoeld en gewalst tot staven, platen en rollen staal. Dat is, althans, de simpele uitleg. In de praktijk passen de fabrikanten uitgekiende mechanische en warmtebehandeling toe, waarbij het staal wordt verhit en vervolgens weer wordt afgekoeld, langzaam of snel, vaak meerdere keren, bij steeds andere temperaturen. Ook bij het walsen van het staal, soms warm, soms koud, weet de producent precies welke instellingen tot welke soort staal leiden. Zelfs de machines van de klanten van de staalfabriek, zoals de persen van de auto-industrie, dragen bij aan de definitieve eigenschappen van het eindproduct (een autocarrosserie bijvoorbeeld). Offerman heeft veel contact met Tata Steel IJmuiden en werkt ook samen met Koninklijke NedSchroef uit Helmond, een internationale producent van schroeven, bouten, moeren en andere bevestigingssystemen ('fasteners'), onder andere voor de automobielindustrie. Researchdirecteur Emmy Öhlund van Nedschroef deelt Offerman's visie dat er een toekomst is voor elementarme legeringen. Samen onderzochten ze een nieuwe, zeer sterke staalvariant uit Japan, die onverwacht ook zeer goed bestand bleek tegen hoge temperaturen. Door systematisch de relatie tussen de gebruikte legeringselementen, microstructuur en eigenschappente onderzoeken konden ze daar een verklaring voor geven. Het leverde hen vorig jaar de Sawamura Award op van het gezaghebbende Japanse ijzer- en staalinstituut ISIJ. Belangrijker nog was dat het onderzoek aan het licht bracht dat slechts drie procent aan legeringselementen toch in adequate eigenschappen resulteerde, juist bij hoge temperatuur. Terwijl de daarvoor nu beschikbare staalsoorten vaak zijn 'volgepompt' met legeringselementen. De gehaltes lopen op van vijftien tot soms wel veertig procent. "De eigenschappen van zulke superlegeringen zijn soms veel beter dan waar we behoefte aan hebben, maar we gebruiken ze omdat de staalfabrikanten niets anders voor ons in het assortiment hebben", aldus Öhlund. Ze ziet zeker mogelijkheden voor elementenarme, goedkopere staalvarianten, maar maakt wel de kanttekening dat de daadwerkelijke toepassing van nieuwe materialen een lange adem vergt: "Bij veeleisende afnemers zoals de auto-industrie is een nieuw materiaal pas geschikt als het allerlei tests heeft doorlopen en gecertificeerd is. Dat kan lang duren. Zo verkopen we sinds kort een nieuwe fastener die we al in 2009 voor het eerst hebben gepresenteerd." Een nieuw materialensysteem Volgens Offerman lopen Nederlandse en Belgische staalonderzoekers voorop waar het gaat om het ontwikkelen van nieuwe duurzame staalsoorten. "Ik weet niet precies wat er binnen de muren van de industriële laboratoria gebeurt, maar in het academisch onderzoek ken ik relatief weinig wetenschappers die ons perspectief hanteren. Ik denk dat we hier als materiaalkundigen en als TU Delft echt iets kunnen betekenen. Ik zou het geweldig vinden als we er in slagen het materialensysteem opnieuw uit te vinden, opnieuw te ontwerpen, zodat we een gesloten kringloop kunnen realiseren, met relatief weinig energieverbruik en zonder milieuproblemen." Erik Offerman maakt met zijn onderzoek onderdeel uit van het Leiden Erasmus Delft Centre for Sustainability, het interuniversitaire samenwerkingsverband op het gebied van duurzaamheid. Hij leidt er projecten op het gebied van grondstoffenefficiëntie en materiaalkringlopen. Met zijn Delftse collega's richt hij zich met name op (productie)technische aspecten, in Leiden neemt men milieu-aspecten in ogenschouw en de Erasmusuniversiteit is gericht op bedrijfsmatige aspecten. Offerman participeert ook in het Raw Materials project van het European Institute of Innovation and Technology (EIT), dat wereldwijd één van de grootste initiatieven is op weg naar een meer duurzaam gebruik van grondstoffen. Hij is een van de weinige staalonderzoekers in het consortium met meer dan honderd partners uit twintig Europese landen.