Slimme knikkers in reactievaten

De Amerikaanse Nobelprijswinnaar voor de natuurkunde, Richard Feynman, had het er al in 1959 over: kleine robotjes die je inslikt en die vervolgens je lichaam in de gaten houden en opknappen. Iets dergelijks ziet hoogleraar scheidingstechnologie prof.dr.ir. Peter Jansens (faculteit 3mE) wel zitten voor de procesindustrie.

Of het nou om de voedselindustrie, medicijnproductie of de petrochemie gaat, er valt aan al die reacties volgens Jansens veel te verbeteren. “Het probleem is dat stoffen nooit helemaal homogeen verdeeld zijn in reactievaten en dat de temperatuur en zuurgraad ook van plek tot plek verschillen”, zegt hij.

Sensoren houden de chemische reacties weliswaar in de gaten, maar kunnen onmogelijk overal tegelijkertijd meten wat precies gebeurt. Samen met onderzoekers van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) wil Jansens daarom machientjes van enkele micrometers, zogenaamde Mems (microelectromechanical systems), inzetten in de procesindustrie.

Zelf noemt Jansens de Mems, die voor zijn toepassing nog gemaakt moeten worden, smart moving sensors and actuators. Ze moeten de chemische processen tot in de kleinste hoekjes volgen en de gegevens doorseinen naar een centrale computer, én ze moeten reacties katalyseren en bepaalde bestanddelen zonodig wegvissen uit het vat.

“Tientallen Mems per reactievat, in die orde van grootte moet je denken”, zegt de professor. Doordat ze omgeven moeten zijn van een beschermlaag en stoffen moeten kunnen vervoeren, krijgen de machientjes uiteindelijk de grootte van een kleine knikker.

Het klinkt als science fiction. Jansens geeft dat grif toe. “Het is een van de wildste projecten van het Delft Center for Sustainable Industrial Processes (DCSIP).” Maar ongeloofwaardig is het volgens de professor, die al patent op het idee heeft, allerminst. Met wat zogeheten kiemgeld van DCSIP wil hij het concept de komende jaren verder vormgeven. Daarnaast hoopt hij dat het bedrijfsleven er geld in wil steken.
Smart dust

Eén van de problemen is dat de wetenschappers de communicatie tussen de Mems in vloeistoffen nog niet onder controle hebben. Ir. Michal Glazer (3mE), die het project mede leidt, en uwb-expert ir. Zoubir Irahhauten (EWI) experimenteren hiervoor op dit moment met ultrawide band. Dit is een nieuwe draadloze technologie waarbij gegevens in pulsjes van enkele miljoensten van een miljoenste seconde (picoseconde) over meer radiofrequenties tegelijk worden uitgezonden.

In lucht werkt deze techniek al aardig. Er is zelfs al een naam voor de slimme communicatieve deeltjes: smart dust. Doordat de zenders met uiterst korte pulsjes communiceren kunnen ze, als ze een netwerk vormen, elkaars positie op de centimeter nauwkeurig doorgeven aan een centrale ontvanger. Met andere radiogolven, bijvoorbeeld gps, wordt de positie maar op enkele meters nauwkeurig bepaald. Dit komt doordat de golven van de verschillende radio’s elkaar verstoren.

“De zenders kunnen we op zich al maken”, zegt Glazer. “Het probleem is alleen om ze klein en tegelijk krachtig genoeg te krijgen. In vloeistoffen worden de radiogolven namelijk ontzettend gedempt. Zo komt het signaal in water 80 procent minder ver dan in lucht.” Dit constateerden Glazer en Irahhauten in de sleeptank van 3mE.

“Een halve meter konden de zenders onder water nog net overbruggen”, vervolgt Glazer. “Dat is voldoende. De volgende stap is om te kijken of we met de uwb.techniek ook ver genoeg komen in andere vloeistoffen, zoals hexaan, een belangrijk oplosmiddel voor tal van industriële processen. Dit gaan we over een paar weken testen in een speciaal vat.”

Of het net zo goed zal werken, valt volgens Irahhauten nog te bezien. “Het is een nieuw onderzoeksterrein. Waarschijnlijk moeten we lagere radiofrequenties gebruiken. Maar in de wetenschappelijke literatuur kunnen we er vrijwel niets over vinden.”

Uiteindelijk moeten de smart moving sensors & actuators vooral uitkomst bieden in de voedsel- en de farmaceutische industrie, verwacht Glazer. “Temperaturen overschrijden daar meestal niet de honderd graden Celsius, die hitte moeten de sensoren aan kunnen. Ook zijn de chemicaliën niet al te schadelijk voor de apparaatjes.”

Of het nou om de voedselindustrie, medicijnproductie of de petrochemie gaat, er valt volgens Jansens aan chemische reacties veel te verbeteren. (Foto: Hans Stakelbeek/FMAX)

De Amerikaanse Nobelprijswinnaar voor de natuurkunde, Richard Feynman, had het er al in 1959 over: kleine robotjes die je inslikt en die vervolgens je lichaam in de gaten houden en opknappen. Iets dergelijks ziet hoogleraar scheidingstechnologie prof.dr.ir. Peter Jansens (faculteit 3mE) wel zitten voor de procesindustrie.

Of het nou om de voedselindustrie, medicijnproductie of de petrochemie gaat, er valt aan al die reacties volgens Jansens veel te verbeteren. “Het probleem is dat stoffen nooit helemaal homogeen verdeeld zijn in reactievaten en dat de temperatuur en zuurgraad ook van plek tot plek verschillen”, zegt hij.

Sensoren houden de chemische reacties weliswaar in de gaten, maar kunnen onmogelijk overal tegelijkertijd meten wat precies gebeurt. Samen met onderzoekers van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) wil Jansens daarom machientjes van enkele micrometers, zogenaamde Mems (microelectromechanical systems), inzetten in de procesindustrie.

Zelf noemt Jansens de Mems, die voor zijn toepassing nog gemaakt moeten worden, smart moving sensors and actuators. Ze moeten de chemische processen tot in de kleinste hoekjes volgen en de gegevens doorseinen naar een centrale computer, én ze moeten reacties katalyseren en bepaalde bestanddelen zonodig wegvissen uit het vat.

“Tientallen Mems per reactievat, in die orde van grootte moet je denken”, zegt de professor. Doordat ze omgeven moeten zijn van een beschermlaag en stoffen moeten kunnen vervoeren, krijgen de machientjes uiteindelijk de grootte van een kleine knikker.

Het klinkt als science fiction. Jansens geeft dat grif toe. “Het is een van de wildste projecten van het Delft Center for Sustainable Industrial Processes (DCSIP).” Maar ongeloofwaardig is het volgens de professor, die al patent op het idee heeft, allerminst. Met wat zogeheten kiemgeld van DCSIP wil hij het concept de komende jaren verder vormgeven. Daarnaast hoopt hij dat het bedrijfsleven er geld in wil steken.
Smart dust

Eén van de problemen is dat de wetenschappers de communicatie tussen de Mems in vloeistoffen nog niet onder controle hebben. Ir. Michal Glazer (3mE), die het project mede leidt, en uwb-expert ir. Zoubir Irahhauten (EWI) experimenteren hiervoor op dit moment met ultrawide band. Dit is een nieuwe draadloze technologie waarbij gegevens in pulsjes van enkele miljoensten van een miljoenste seconde (picoseconde) over meer radiofrequenties tegelijk worden uitgezonden.

In lucht werkt deze techniek al aardig. Er is zelfs al een naam voor de slimme communicatieve deeltjes: smart dust. Doordat de zenders met uiterst korte pulsjes communiceren kunnen ze, als ze een netwerk vormen, elkaars positie op de centimeter nauwkeurig doorgeven aan een centrale ontvanger. Met andere radiogolven, bijvoorbeeld gps, wordt de positie maar op enkele meters nauwkeurig bepaald. Dit komt doordat de golven van de verschillende radio’s elkaar verstoren.

“De zenders kunnen we op zich al maken”, zegt Glazer. “Het probleem is alleen om ze klein en tegelijk krachtig genoeg te krijgen. In vloeistoffen worden de radiogolven namelijk ontzettend gedempt. Zo komt het signaal in water 80 procent minder ver dan in lucht.” Dit constateerden Glazer en Irahhauten in de sleeptank van 3mE.

“Een halve meter konden de zenders onder water nog net overbruggen”, vervolgt Glazer. “Dat is voldoende. De volgende stap is om te kijken of we met de uwb.techniek ook ver genoeg komen in andere vloeistoffen, zoals hexaan, een belangrijk oplosmiddel voor tal van industriële processen. Dit gaan we over een paar weken testen in een speciaal vat.”

Of het net zo goed zal werken, valt volgens Irahhauten nog te bezien. “Het is een nieuw onderzoeksterrein. Waarschijnlijk moeten we lagere radiofrequenties gebruiken. Maar in de wetenschappelijke literatuur kunnen we er vrijwel niets over vinden.”

Uiteindelijk moeten de smart moving sensors & actuators vooral uitkomst bieden in de voedsel- en de farmaceutische industrie, verwacht Glazer. “Temperaturen overschrijden daar meestal niet de honderd graden Celsius, die hitte moeten de sensoren aan kunnen. Ook zijn de chemicaliën niet al te schadelijk voor de apparaatjes.”

Of het nou om de voedselindustrie, medicijnproductie of de petrochemie gaat, er valt volgens Jansens aan chemische reacties veel te verbeteren. (Foto: Hans Stakelbeek/FMAX)