Wegbereiders van de industrie

Wat zijn, 150 jaar na oprichting van de faculteit werktuigbouwkunde, de belangrijkste doorbraken geweest in het vakgebied en welke zijn nu de voornaamste uitdagingen waar werktuigkundigen zich voorgesteld zien. De zes afdelingsvoorzitters aan het woord.

In Engeland kwam in 1830 de helft van de energie van stoommachines; in Nederland was dat pas vijftig jaar later. Maar daarna ging het snel: rond steden ontstonden gasfabrieken, watertorens, kleine elektriciteitscentrales, havenwerken, spoorwegen en riolering. Bij suikerfabrieken in West-Brabant, zuivelfabrieken in het noorden en voedingsindustrieën in de Randstad draaiden grote stoominstallaties. Net als bij de steeds grotere elektriciteitsbedrijven die vanuit de steden met de opbouw van een elektriciteitsnetwerk begonnen dat zich over het hele land verspreidde. Ook de opwekking van elektriciteit was toen het domein van werktuigkundigen. Die ingenieurs kwamen van de Polytechnische School in Delft – de voorloper van de TU. Na de oprichting in 1842 onder de naam Koninklijke Akademie voor de opleiding van civiel ingenieurs kwam er in 1864, 150 jaar geleden, ook een opleiding voor werktuigkundigen als wegbereiders van de industrialisatie. De nieuwe studie voor werktuigkunde kreeg vorm door de inspanningen van ir. Adrien Huet. Na zijn afstuderen als civiel ingenieur vijf jaar eerder, had Huet studiereizen gemaakt naar Engeland, dat voorliep op industrieel gebied. De polemisch ingestelde Huet pleitte na terugkeer als leraar aan de Polytechnische School vurig voor meer praktijkervaring en experimenten in de ingenieursopleiding en voor meer theorieonderwijs aan de ambachtsscholen. Hij streefde, in navolging van wat hij in Engeland gezien had, een omslag na van een schoolcultuur naar die van een werkplaats. Hij kreeg als docent de taak om het onderwijs in de werktuigbouw en de kennis van werktuigen opnieuw in te richten. Het begin, met acht leerlingen in twee bovenlokalen aan de Westvest, was bescheiden. Als uitgesproken onderwijshervormer was Huet bij de professoren niet erg populair, zodat hij pas in 1896 tot hoogleraar benoemd werd. Toen hij drie jaar later op 63-jarige leeftijd overleed, namen zijn toegewijde oud-studenten het initiatief voor een monumentale bank in het Kalverbos voor zijn nagedachtenis. Die halfronde bank staat er nog steeds.

Van stoom naar stroom
Van stoom naar stroom, dat vindt prof.dr.ir. Bendiks Jan Boersma van de afdeling energietechnologie de belangrijkste doorbraak. “Honderdvijftig jaar gelden werkte alles op stoom. Stoomschepen, stoomlocomotieven, zelfs hei-installaties werden tot in 1920 nog met stoom aangedreven. Alle fabrieken hadden een centrale stoommachine en de beweging werd met leren banden overgebracht. Maar tussen 1930 en 1940 maakte stoom plaats voor elektrische aandrijving of werden stoommachines vervangen door diesel- en benzinemotoren. Nu is elektriciteit het belangrijkste middel om kracht en vermogen op te wekken.” Belangrijkste uitdaging vindt hij de transitie naar een duurzame energievoorziening. “Daar zijn veel ideeën over en het zal uiteindelijk wel een mengvorm worden. Je zult veel goedkope elektriciteit krijgen uit wind en zon, maar doordat de productie fluctueert zul je energie moeten opslaan. We moeten onze eigen brandstof maken en gezien de bestaande infrastructuur denk ik dat methaan daarvoor de beste keuze is.”

Een kast vol Koiter
“Als je in de wereld zegt: Delft en mechanica. Dan zeggen ze: o, Koiter!” aldus prof.dr.ir. Fred van Keulen van de afdeling precision and microsystems engineering. Het proefschrift van Koiter (over de stabiliteit van het elastisch evenwicht) publiceerde hij vlak na de Tweede Wereldoorlog. Tien jaar later werd het in de Verenigde Staten ontdekt en vertaald. Sindsdien is het de standaard voor stabiliteit van dunwandige systemen zoals onderzeeërs, vliegtuigen, silo’s, raketten en microsystemen. Prof.dr.ir Warner Koiter heeft het wiskundige framewerk gemaakt om dat op een nette manier te beschrijven. In de gang staat een kast vol met zijn oorkondes en erepenningen. De uitdagingen voor de micro- en nano-engineering zijn talrijk. “Er moet een goede beschrijving voor materialen op nanoniveau komen, je zult nanoverschijnselen moeten vertalen naar de macroscopische wereld en er is gebrek aan gereedschappen voor het maken van nanostructuren. Kortom, er is werk genoeg.”

Intelligent en duurzaam
“Een open deur”, vindt prof.dr.ir. Gabri Lodewijks (maritieme en transporttechnologie) zijn eigen antwoord. Maar de informatie- en communicatietechnologie (ict) heeft volgens hem de grootste verandering en innovaties teweeg gebracht, “De computer als ontwerp-gereedschap heeft nieuwe dingen mogelijk gemaakt. Hydrodynamica maakt het mogelijk om het gedrag van een schip al tijdens het ontwerp te bepalen. Ook kunnen we virtuele prototypes maken van bijvoorbeeld grijpers om te kijken hoe goed ze werken. Daarnaast hebben communicatieprotocollen het mogelijk gemaakt om automatisch geleide voertuigen te ontwikkelen zoals die bij de containeroverslag gebruikt worden. Goed rentmeesterschap ziet Lodewijks als grootste uitdaging: “Wat we nu allemaal ontwikkelen is gericht op een duurzame toekomst.Transport van containers binnen de haven met elektrische autonome scheepjes in plaats van over de weg. Of: terugbrengen van het energiegebruik van bulktransport per lopende band. We hebben dat nu bijna gehalveerd.”

Niet aan de bomen
“De grootste doorbraak is dat het vak materiaalkunde bestaat”, vindt prof.dr.ir. Jilt Sietsma van de afdeling materials
science and engineering. “In de jaren vijftig ontstond het besef dat materialen niet aan de bomen groeien, maar dat je daar wetenschappelijk onderzoek naar moet doen om eigenschappen te begrijpen en te verbeteren. Een middeleeuwse smid stak een gloeiend zwaard in het water om het te harden. Wij snappen nu hoe dat werkt en kunnen materiaalstructuren zichtbaar maken en naar onze hand zetten.” Die studie begon met metalen en verbreedde zich later naar kunststoffen, keramiek en halfgeleiders.
De uitdaging voor de toekomst ligt in duurzaamheid, hoe afgezaagd dat ook klinkt. Materialen worden schaars. Neem zink: het is onmisbaar voor roestbescherming van auto’s en voor het harden van rubber banden. Maar over vijftien jaar is het op. En dat geldt voor heel veel grondstoffen. De materiaalkunde ontwikkelt technieken voor terugwinning en ontwikkelt alternatieve materialen.

Een circus van onderhandelingen
“De opkomst van de computer is wel de grootste verandering in ons vakgebied over die periode”, zegt prof.dr.ir. Hans Hellendoorn, afdelingsvoorzitter van de afdeling meet- en regeltechniek. De eerste regelsystemen waren mechanisch. Na de Tweede Wereldoorlog kwamen elektrische regelaars met weerstanden, condensators en spoelen voor proportionele, optellende en differentiële regelingen. Nu heeft de computer al die regelingen overgenomen en kennen we netwerken met honderden regelaars die onderling communiceren. Dat zie je terug bij verkeerslichten en borden boven de snelweg, maar ook in regeling van waterniveaus. Regeltechniek is een automatisch circus van onderhandelingen geworden.”
“Nieuw voor ons is het sturen van licht. Denk aan een beweegbare spiegel in een telescoop die atmosferische fluctuaties real-time compenseert, of aan een chipmachine die compenseert voor de warmte die de laser produceert. Een uitdaging daarbij is dat we moeten wennen aan het gedrag van fotonen die zich niet deterministisch gedragen, maar volgens de wetten van de kansberekening.”

Naar de natuur
“In de biomechanica willen we kennis van de natuur gebruiken om nieuwe mechanische principes te ontwikkelen”, aldus prof.dr.ir. Jenny Dankelman, voorzitter van de afdeling biomechanical engineering. Dat geldt voor een beter begrip van het menselijk lopen om lopende robots te maken, of de tentakels van een inktvis te gebruiken als model voor operatiewerktuigen. “Momenteel proberen we de wespenangel te begrijpen: die kan tot tien centimeter lang zijn en een tiende millimeter dun. En toch knikt hij niet. Zelfs niet bij het doorboren van stugge materialen. Als we dat begrijpen kunnen we hele dunne en stuurbare naalden maken.”
Hoe laat je de mens controle houden over mechanische systemen? Denk aan een versterkend exoskelet voor patiënten die moeite hebben met lopen. Hoe kun je ervoor zorgen dat mensen toch letterlijk blijven voelen wat ze doen. Het vinden van een optimale interactie tussen mens en technisch systeem, daar zit voor ons de uitdaging, aldus Dankelman.

 

Moderne turbine zet stoom via beweging om in stroom. (Foto: Wikimedia/Siemens)

Moderne turbine zet stoom via beweging om in stroom. (Foto: Wikimedia/Siemens)

 

Blijf op de hoogte van het onderzoek

Ontvang de Delft Integraal nieuwsbrief 4 keer per jaar