Zij kunnen een beetje in de toekomst kijken

In Delft staan de labs van TNO. Daar wordt onderzoek gedaan naar de vernieuwendste vernieuwingen. Wij keken mee met hun ‘kleinste’ en ‘grootste’ onderzoek.

Kim Vendel. Foto Nick van Tiem

‘Wat is het allervroegste stadium waarin je kanker kunt ontdekken?” Hamed Sadeghian laat een stilte vallen, kijkt de kamer rond en geeft dan antwoord op zijn eigen vraag. Het eerste moment, zegt hij, is misschien wel wanneer een cel in ons lichaam zich deelt en afwijkend gedrag vertoont. Maar ja, hoe weet je dat? Of eigenlijk: hoe meet je dat? Het antwoord komt opnieuw van hemzelf: daarvoor is technologie nodig die dezelfde afmeting heeft als een cel. Of liever: nog kleiner.

Hamed Sadeghian (35) is niet helderziend. Toch zou je kunnen zeggen dat hij een beetje in de toekomst kan kijken. Sadeghian staat aan het hoofd van een van de Early Research Programs (ERP’s) van TNO. Met deze speciale programma’s werkt de ‘innovatieorganisatie’ gericht aan de ‘kennis van morgen’. We mogen meekijken bij twee programma’s: 3D nanomanufacturering en Structural Integrity. „Oftewel”, zegt de woordvoerder: „iets heel kleins en iets heel groots”.

Het is ingewikkeld

3D nanomanufacturering, dat klinkt ingewikkeld. En dat is het ook. Naast Hamed Sadeghian zijn maar liefst vier mensen aangeschoven aan een grote vergadertafel bij TNO in Delft om uitleg te geven. Wetenschap is teamwerk, zeker als je werkt aan de kennis van ‘overmorgen’ – technologie die pas over een jaar of vijf zal worden toegepast. Dan heb je niet alleen wetenschappers nodig, maar ook project managers, talentvolle studenten, partners uit het bedrijfsleven en mensen met verstand van techniek.

Maar wat doen al die mensen dan precies?

„Laat me eerst de context schetsen”, zegt Sadeghian. „Neem mobiele telefoons. Het liefst willen we dat ze ieder jaar meer functionaliteiten hebben, en dat ze nóg sneller nóg meer data kunnen overdragen. Om dat te bereiken moeten de microchips in de telefoons en de transistors op die chips steeds kleiner zijn.” Dat is één. Daarnaast, en dit is volgens hem minstens zo belangrijk, zullen er dankzij nanotechnologie in de toekomst betere mogelijkheden komen voor diagnose en behandeling van ziektes als kanker. In plaats van dure MRI- en CT-scans, kunnen we straks nanodeeltjes op pad sturen om in de bloedbaan verdachte cellen op te sporen.

Een miljardste van een meter

De kunst van het verkleinen – daar gaat het dus om. In de vorige eeuw, en dan hebben we het over zo’n 35 jaar geleden, ging het nog over micrometers. Inmiddels zijn dat nanometers geworden. „Om je een idee te geven”, zegt optisch systeemontwerper Stefan Bäumer „een menselijke haar is zo’n 30 micrometer dik. Een micrometer is een miljoenste van een meter. Deel dat door duizend en je hebt een nanometer. Een miljardste van een meter dus”.

Terug naar de vraag wat ze nu precies doen, hier in Delft.

In een glimmende flyer lezen we dat 3D nanomanufacturering gaat over ‘het maken en meten van nanostructuren bij zeer hoge snelheden, met een hoge mate van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid’. Maar wat betekent dat?

Het komt erop neer dat ze chipfabrikanten helpen met het oplossen van een lastig probleem, zegt Sadeghian. Namelijk: hoe vind je defecten van slechts 10 nanometer tijdens een razendsnel productieproces? De instrumenten die dat kunnen zijn er wel, maar ze zijn log en langzaam. Bij TNO ontwikkelen ze daarom instrumenten die het sneller en beter kunnen. In wetenschapperstaal: ‘scanning probe-microscopie bij hoge doorvoersnelheden’.

Tot zover de theorie. Op naar the place where the magic happens: het lab. Het bevindt zich een verdieping hoger, achter automatische deuren die opengaan met een speciaal pasje. Alleen geautoriseerde medewerkers hebben toegang.

„Dit is een lab zoals we er hier meer van hebben.” Projectleider Nicole Nulkes wijst op twee tafels die bedoeld zijn om testopstellingen te maken. ‘Optische tafels’, in jargon. Ze zijn uitgerust met een roestvrijstalen blad vol gaatjes om instrumenten vast te kunnen schroeven, en luchtvering om trillingen tegen te gaan. „Stel, je doet dit”, zegt mechanisch ontwerper Bert Dekker, en hij stampt op de grond, „dan is voor je het weet je hele meting naar de knoppen”.

Kim Vendel (24), student natuurkunde, brengt veel tijd door in dit lab. Achter haar computer tuurt ze naar afbeeldingen van een sample, opnamen die zijn gemaakt met de testopstelling op tafel. „Dat witte stipje in het midden, daar gaat het om.” Aan niet-wetenschappers legt ze haar werk meestal als volgt uit: „Als je met een lichtbundel door een vergrootglas schijnt, dan kun je een lichtpuntje maken. Ik zoek naar een manier om dat lichtpuntje nóg kleiner en scherper te maken.”

De afgelopen weken is er in dit lab gewerkt aan het ‘meta-instrument’ – „qua complexiteit het summum van wat hier staat”, volgens Bert Dekker. Het instrument is zo’n twintig centimeter hoog en lijkt op het eerste gezicht op een bom uit een James Bondfilm. Nulkes: „Dit is eigenlijk een miniatuurversie van de testopstelling van Kim. Het moet zo klein mogelijk zijn, want in een fabriek wil je straks heel veel van dit soort instrumenten naast elkaar kunnen zetten.”

Binnen alle onderzoeksprogramma’s wordt samengewerkt met nationale en internationale wetenschappelijke partners, zoals technische universiteiten. Ook zijn er partners uit de industrie – in dit geval bijvoorbeeld chipfabrikanten als Intel en NXP. Daarnaast komt ongeveer de helft van het onderzoeksbudget van Economische Zaken.

Het hoeft overigens niet altijd om geld te gaan, zegt Nicole Nulkes: „Zeker de helft van het werk wordt gedaan door mensen die niet in dienst zijn bij TNO. Het kan bijvoorbeeld ook zijn dat een bedrijf naast mensen ook een apparaat levert van 3 ton waarmee wij dan onderzoek gaan doen.”

Voorspellen wanneer iets kapotgaat

Over efficiëntie gesproken: dat is precies waar de collega’s van het programma Structural Integrity zich een paar honderd meter verderop mee bezighouden. Daarvoor is er een lab ingericht dat in niets lijkt op het nanolab in het gebouw ernaast. Hier geen linoleum en systeemplafond, maar een metershoge hal met een betonnen vloer vol zoemende, brommende en suizende machines. Voor we naar binnen gaan krijgen we een korte veiligheidsinstructie. „Blijven jullie alsjeblieft binnen de gele lijnen?”

Dit onderzoek gaat over de vraag: hoe houden we onze infrastructuur maximaal bruikbaar? Dan moet je denken aan grote constructies, zegt projectleider Peter Laloli: „Bruggen, boorplatforms, windturbines. Eigenlijk alles waarvan je niet wilt dat het makkelijk kapotgaat.” TNO ontwikkelt sensortechnologie die kan voorspellen of en wanneer inspectie, onderhoud of renovatie nodig is.

Sander Dragt staat aan de uitvoerende kant van het project. De 26-jarige wetenschapper werkt sinds twee jaar bij TNO en ontwerpt onder meer experimenten op basis van modellen – ook testapparatuur moet immers worden getest.

Het object in kwestie staat midden in de hal: een T-vormig stuk staal van ongeveer een meter hoog, volgeplakt met sensoren. Het is een deel van de fundering van een windturbine, vertelt Dragt, zo eentje die je normaal in zee ziet staan. Om de ‘vermoeiing’ in het metaal te meten wordt met een machine de kracht van de wind en de golven nagebootst. Dragt: „In het echt heeft het materiaal van zo’n turbine een levensduur van zo’n vijftien tot twintig jaar, wij hebben trucjes om tijd in de testsituatie wat te versnellen.”

Geheim onderzoek

Waar de windmolen met deze technologie straks zal staan weet Dragt niet, en al wist hij het wel, dan mag hij dat niet zeggen. Als research- en developmentorganisatie doet TNO soms onderzoek voor partijen die in de markt elkaars directe concurrenten kunnen zijn. Voor de betrokken wetenschappers geldt daarom een strikt geheimhoudingsbeleid.

Het testen van dit onderdeel duurt in totaal een maand en gaat dag en nacht door. Als een van de sensoren een rare waarde aangeeft, krijgt hij meteen een melding op zijn telefoon, vertelt Dragt. En ja, dan springt hij meteen op de fiets om een kijkje te nemen. „Gelukkig woon ik dichtbij.”