Met de sterke straling van SmartLight kunnen bedrijven, ziekenhuizen en musea makkelijker en goedkoper doordringen in uiteenlopende materialen, van schildersdoek tot staal.
Of het nu metaal is, de slagaders rondom het hart of de onderliggende verflagen op een schilderij, onderzoekers willen begrijpen wat zich ‘aan de binnenkant’ afspeelt. Dat kan in de toekomst met Smart*Light, dat in de maak is op de Technische Universiteit Eindhoven. Dankzij de sterke straling van dit mobiele apparaat kunnen bedrijven, ziekenhuizen en musea makkelijker en goedkoper doordringen in uiteenlopende materialen en weefsels.
Röntgenstraling is essentieel bij de ontwikkeling van nieuwe hightech materialen, betrouwbare klinische diagnoses en bij restauratie van kunstwerken. Het maakt de structuur van materialen en weefsels (en veranderingen daarin) in detail zichtbaar.
Verschillende sectoren hebben naar verwachting grote behoefte aan Smart*Light, zoals de hightechindustrie, vliegtuig-, auto- en scheepsbouw. Een van de geïnteresseerden die direct reageerde is Tata Steel. Met het apparaat kan de staalfabrikant namelijk de structuur van staal al tijdens het productieproces bestuderen. Daarmee hoopt Tata Steel een grote kwaliteitsslag te maken. Ook het ministerie van Economische Zaken en Klimaat is geïnteresseerd vanwege de economische perspectieven van het apparaat.
Opmerkelijk genoeg komt de aanzet tot de ontwikkeling van Smart*Light uit een hele andere hoek, namelijk de schilderkunst. Joris Dik, hoogleraar Materials in Art and Archeology in Delft, zocht naar mogelijkheden om onderliggende verflagen van schilderijen te onderzoeken met hoog-energetische röntgenstraling.
Hij wist dat Eindhoven de beste plek is voor versnellerfysica. De universiteit heeft daarmee ook de kennis in huis die nodig is om een intense röntgenbundel te genereren. Dik zocht daarom contact met zijn collega Jom Luiten, hoogleraar Coherence and Quantum Technology aan de TU Eindhoven. Luiten haakte meteen aan. “Ik kan het wel even uitrekenen”, zei hij tegen Dik. Zo werd de alliantie tussen kunstonderzoekers en machinebouwers geboren.
Technisch gesproken is die onderzoeksmogelijkheid er al, namelijk via de synchrotron. Dit zijn grote versnellers waarin elektronen met bijna de lichtsnelheid in een honderden meters lange, cirkelvormige buis voortbewegen. De straling die dat oplevert maakt het mogelijk om veranderingen in materialen en weefsels heel gedetailleerd te volgen.
Dik slaagde er al eens in om het schilderij ‘Grasgrond’ van Vincent van Gogh naar een synchrotron in Hamburg te brengen. Dat leverde meteen een spectaculaire vondst op, want hij ontdekte dat er onder dit schilderij een vrouwengezicht in de trant van de Aardappeleters schuilging.
Maar er zijn in heel Europa slechts enkele synchrotrons, in alle gevallen ver buiten de Benelux. De meettijd is hier uiterst beperkt. “Bovendien wil geen enkel museum of particuliere eigenaar daar een kostbaar schilderij naartoe slepen”, zegt Jom Luiten. “Dat is met verzekeringen niet op te brengen. Dat dat met de Van Gogh wel lukte, is hoogst uitzonderlijk.”
Joris Dik zou daarom heel blij zijn met een mobiel apparaat met intense straling, zodat kostbare schilderijen niet heen en weer vervoerd hoeven te worden. Maar de Delftse wetenschapper weet ook dat de kunstwereld niet zoveel in de melk te brokkelen heeft als het gaat om de ontwikkeling van nieuwe technologie. Misschien liggen er meer kansen als er met andere sectoren samengewerkt wordt?
Dat treft, want er zijn meer partijen die niet uit de voeten kunnen met de beschikbare synchrotrons. “Alle synchrotrons zijn 24/7 bezet en overboekt”, vertelt Jom Luiten. “Wie meettijd wil, moet dat minstens een half jaar van tevoren aanvragen. Alleen bij hele bijzondere projecten lukt het om langer meettijd te krijgen dan een paar dagen. Voor wetenschappelijke doeleinden is dat erg onhandig.” Materiaalkundige Hessel Castricum van de TU Delft vult aan: “Dat geldt ook voor doeleinden met een meer toepassingsgericht karakter. De industrie is daarom eveneens zeer geïnteresseerd.”
Het gebruik van de compacte röntgenbuis – bekend uit de ziekenhuizen - is voor veel onderzoek geen bruikbaar alternatief. Deze buis zendt röntgenstraling in alle richtingen uit en is daardoor voor veel materiaalonderzoek niet geschikt. De straling is 100.000 keer zwakker dan de synchrotron en niet coherent. Gebundelde straling is juist van belang om weefsels preciezer te kunnen bestuderen met een lagere stralingsbelasting.
Smart*Light moet dit gat vullen. E: een compact instrument met intense coherente röntgenstraling, waarmee onderzoekers geavanceerde analyses op locatie kunnen uitvoeren. Dat kan dankzij net de net nieuwe versnellertechnologie, waarbij laserlicht omgezet wordt in straling van een hoogwaardige kwaliteit. “De kwaliteit van de synchrotron, maar dan op ‘tafelformaat’,” zegt Luiten.
Dit project krijgt subsidie uit het Europees fonds voor Regionale Ontwikkeling (Interreg Vlaanderen-Nederland), bedoeld voor samenwerkingsprojecten voor slimme, groene en inclusieve groei. Hieruit is een breed samenwerkingsverband ontstaan met de universiteiten van Delft, Eindhoven, Antwerpen en Gent. De bouw van de röntgenbron vindt plaats aan de TU Eindhoven. De andere universiteiten richten zich op detectietechnieken en de toepassingen voor materiaal- en kunstonderzoek.
Daarnaast hebben ook diverse andere organisaties zich aangesloten, waaronder Erasmus MC, kleine startups (XRE, Afga, M2i en Coast), Museum Boijmans van Beuningen in Rotterdam en het Koninklijk Museum voor Schone Kunsten in Antwerpen. Ook VDL ETG uit Eindhoven doet mee aan Smart*Light bij het maken van zeer nauwkeurige onderdelen voor versnellers.
Vooral het mobiele karakter is een belangrijk voordeel van het nieuwe apparaat. De gehele opstelling wordt slechts enkele meters lang. Dat betekent dat het apparaat gemakkelijk toe te passen is bij medische diagnostiek in ziekenhuizen en bij onderzoek naar topkunstwerken.
De toepassingen voor de materiaalwetenschap en de gezondheidszorg zijn het meest belangwekkend. “Diverse grote ongevallen zoals de Bijlmerramp en de olieramp in de Mexicaanse Golf zijn terug te leiden op faalgedrag van materialen”, zegt Hessel Castricum. “Als we de onderliggende processen beter begrijpen en kunnen voorspellen, dan boeken we een enorme maatschappelijke winst. Ook corrosie (de chemische aantasting van materialen) is een enorme kostenpost, in Nederland wel zo’n vijftien miljard euro per jaar. Met betere coatings kunnen we dat verminderen. Hiervoor is geavanceerde röntgenstraling onontbeerlijk. Ook kunnen er auto’s ontwikkeld worden met lichtere materialen van dezelfde sterkte, waardoor ze minder brandstof nodig hebben.”
Qua concept is Smart*Light een eenvoudig idee, dat voortbouwt op bestaande technologie. “Wel zijn er nog grote uitdagingen”, zegt Luiten. “De ontwikkeling van het apparaat is kostbaarder dan gedacht en we moeten veel meer onderdelen aanschaffen. Er zijn soms maar een of twee leveranciers ter wereld waar we de onderdelen vandaan kunnen halen, dus de levertijden zijn lang. We hopen binnen een jaar een apparaat te bouwen, maar er moet nog wel veel gebeuren.”
Een prototype bouwen is een ding, maar de industrialisatieslag wordt een nog grotere uitdaging. Er zijn nog tientallen miljoenen nodig om het apparaat op de markt te introduceren. Een kostbare stap, die bekend staat als de valley of death. “Het geld dat we daarvoor moeten aanboren is ‘peanuts’ in vergelijking met de bouw van een peperdure synchrotron, maar het is nog steeds een forse investering”, zegt Luiten.
VDL ETG is betrokken bij het engineeringsproces om te zorgen dat de productie van het prototype straks naadloos kan overgaan naar serieproductie. “VDL denkt serieus mee, maar bouwt zelf geen röntgenbronnen”, zegt Luiten. “Hiervoor is dus nog een partner nodig.
Voor Luiten is hierbij een wereld opengegaan. “Het is voor mij een openbaring hoe belangwekkend röntgenstraling is voor verschillende terreinen. Enorm leuk dat wij als machinebouwers nu samenwerken met hightech organisaties die het apparaat gaan toepassen.”
“De achtergrond van de verschillende partners is volkomen anders”, beaamt Hessel Castricum. “Maar kunstenaars, wetenschappers en instrumentenbouwers kijken allemaal met concentratie naar hun materialen. Die intensieve nauwkeurigheid, dat is voor ons allemaal hetzelfde.”
Met één druk op de knop kopieer je gratis de volledige tekst van dit verhaal
