MicroMegazine. Melkpoeder maken met de printkop Microliters meten met minuscule trillingen

MicroMegazine 1e jaargang • nummer 2 • ok tober 2009

Melkpoeder maken met de printkop Microliters meten met minuscule trillingen Autonome zonnesensoren De kunst van vernevelen; medicijnenvoor via longen veel effectiever microsatellieten ChemischeMicroribbels reacties op zuiveren milliliterschaal meer water Magnetisch gelagerde microfreesmachine Minder zendmasten door microkoeling tot -269°C op de chip

Micro Micro ISSN ISSNMicro 1877-301X 1877-301X Mega zine Megazine – 2009 no2 Micro

1

Ned Ned

Micro Micro

Megazine Megazine

Jaargang 1, no 2, oktober 2009

Inhoudsopgave Colofon Omslagfoto: Macro-opname van een microfreesje met een snijkop van 0,2 mm. MicroMegazine is een uitgave van MicroNed en verschijnt 3 keer per jaar. Oplage: 3500 ISSN 1877-301X Jaargang 1, no 2 Redactie Philip Broos (hoofd- en eindredacteur) Medewerkers aan dit nummer: Marion de Boo Joost van Kasteren Bennie Mols Arno Schrauwers Han Zuilhof Redactiesecretariaat & abonnementenadministratie MicroMegazine Lucienne Dado Mekelweg 2 2628 CD Delft telefoon (015) 278 4357 e-mail: [email protected] www.microned.nl Fotografie MicroNed, tenzij anders vermeld. Vormgeving & opmaak Cok Francken (TU Delft – MultiMedia Services) Druk DeltaHage BV, Den Haag Redactiecommissie Dr.ir. Bert Monna (SystematIC design BV), Dr. Frans W.H. Kampers (Wageningen Universiteit & Researchcentrum) en Dr.ir. Richard Q. van der Linde (MicroNed)

3

De kunst van het vernevelen

Iedereen kent wel iemand die af en toe een “pufje” moet nemen om de benauwdheid wat te doen afnemen. Er zijn tenslotte een half miljoen mensen in Nederland die aan astma lijden. Zij zullen zeker baat hebben bij de slimme vernevelaar van het Enschedese bedrijfje Medspray. Uit klinische proeven blijkt dat met hun vernevelaar maar 20% van de gebruikelijk hoeveelheid medicijn nodig is om hetzelfde effect te bereiken, maar dan zonder bijwerkingen. De Franse parfumindustrie heeft ook belangstelling.

10 Nauwkeuriger frezen met een microfreesmachine

De jarenlange trend om apparatuur te verkleinen, dan wel te miniaturiseren, gaat onverminderd door. Als het gaat om fijne freeswerk in metaal, dan worden nog vrijwel altijd conventionele freesmachines met kogellagers gebruikt in combinatie met microfreesjes, met niet altijd het gewenste resultaat. Delftse werktuigbouwers hebben daarom een microfreesmachine gebouwd met contactloze magnetische lagers, die veel nauwkeuriger werkt. Een onverwachte spin-off is een nieuwe hogesnelheidskoppeling.

16 Microreactoren beloven revolutie in de chemie

Pernis is synoniem voor olieraffinaderijen en chemische industrie, en daarmee voor energieverslindende installaties die enorm energie-inefficiënt zijn. Het kan allemaal anders, want de eerste microreactoren hebben nèt hun intrede gedaan in de industrie. In deze reactoren, waarin het om milliliters gaat, zijn chemische processen flexibeler, veel beter te sturen en bovendien veel efficiënter. Omdat het doorstroomprocessen zijn, kunnen microreactoren goed wedijveren met bijv. een grote 10-ton batchreactor.

24 Koeling op de punt van een naald

Menige elektronische circuits, zoals versterkers en sensoren, leveren betere prestaties wanneer ze sterk worden gekoeld. Op de Universiteit Twente is de afgelopen jaren een extreem compacte microkoeler ontwikkeld die een versterker- of sensorchip zeer lokaal kan koelen tot -269°C. Gevoed door een gesloten circuit met actieve kool voor de ad- en desorptie van het werkgas, is dit systeem (zonder bewegende delen geheel) vrij van trillingen. Toegepast in het GSM-netwerk zouden er minder zendmasten nodig zijn om een groter gebied te bestrijken. Ook de radio-astronomie is geïnteresseerd want het zal telescopen op aarde en in de ruimte een beter beeld opleveren van de röntgen- en infraroodbronnen in het Heelal.

30 DCMM-Studiereis naar Scandinavië 32 MicroNano Conferentie 2009: lijst van sprekers 34 MicroNed Impact: Agenda + mededelingen 35 Estafette-column Dr. Henk Stapert: Integratie Dynamische tijden De rust van de zomervakantie was dit jaar erg welkom. Zeker na een dynamische periode voor MicroNed als het afgelopen jaar, waarin onder meer de HTS&M FES-aanvraag, de kredietcrisis, een nieuwe MicroNed-call en een nieuw rapportagesysteem de revue passeerden. De dynamiek die dit met zich meebracht, is zeker nog niet verdwenen en we zien al interessante ontwikkelingen.

gewogen. Vijf nieuwe, veelbelovende projecten zijn gestart. Ook is de hele financiële afhandeling van voorschotten met bijna 5 maanden verkort. Uit het jaarverslag 2008 is op te maken dat MicroNed op de goede weg is bij het realiseren van de gestelde doelen. Wetenschappelijk is er zeer goed gepresteerd. De uitdaging is nu om dit in economische en maatschappelijke meerwaarde om te zetten.

Zo heeft de HTS&M FES-aanvraag ons verenigd met NanoNed en Holst, een proces dat al was ingezet met onze jaarlijkse MicroNano conferentie. De kredietcrisis is ons toch niet geheel ontgaan. Zo heeft het ons nog scherper gemaakt op het nastreven van bruikbare uitkomsten voor de industrie. De ingediende voorstellen van de Auxilliary project call zijn op dit criterium dit jaar nog zwaarder

MicroNed is dus goed op weg en kan tevreden terugkijken op de bereikte resultaten. Wanneer ik zie wat er thans allemaal gaande is, verwacht ik dat er het komend jaar nog veel meer moois uit MicroNed gaat komen.

Micro Micro

Mega zine Megazine – 2009 no1

Prof.dr.ir. Fred van Keulen Wetenschappelijk directeur MicroNed

Innovatieve inhaler van Medspray levert maatwerk voor elk medicijn

(Foto: Ruben Schipper)

De kunst van het vernevelen

In Nederland zijn ongeveer een half miljoen astma-patiënten en 300.000 COPD-patiënten. Een deel van hen gebruikt dagelijks een inhalator met een luchtwegverwijdend middel tegen de benauwdheid.

Zo’n half miljoen Nederlanders lijden aan astma, daarnaast zijn er nog zo’n 300.000 COPD-patiënten. Bestaande medicijnen geven soms ernstige bijwerkingen, want wie zo’n pufje te langzaam of juist te snel inhaleert, slikt veel meer medicijn door dan hij inademt. Technologiebedrijf Medspray in Enschede ontwikkelt een innovatieve verstuiver voor een inhalator met precies de juiste druppelgrootte om elk medicijn optimaal te doseren. Inmiddels heeft ook de Franse parfumindustrie haar belangstelling getoond voor de Twentse verstuiverkunde. Met de 2-jet-verstuiver van Medspray blijft een wolkje parfum beduidend langer in de lucht dan met conventionele verstuivers. door Marion de Boo

Micro Micro


3

Er zijn veel verschillende luchtwegverwijdende middelen op de markt, in verschillende toedieningsvormen. Bij de meeste van deze inhalatoren komt echter maar minder dan tien procent van de werkzame stof op de juiste plek in de longen aan. Het grootste deel van de stof wordt ingeslikt en kan bijwerkingen veroorzaken, zoals hartkloppingen, trillende handen en schimmelinfecties in de mond.

De huidige inhalatoren zijn zonder voorzetkamer voor kinderen niet te gebruiken. De nevel wordt eerst in de voorzetkamer gespoten, waarna een kind die op eigen tempo inhaleert.

De plaats waar de druppeltjes medicijn in de longen aankomen, wordt voornamelijk bepaald door de grootte. De lokatie waar de werkzame stof het beste kan worden opgenomen door het longweefsel verschilt per aandoening: luchtwegverwijders voor astma moeten voornamelijk in het bovendeel van de luchtwegen werken, terwijl anti-biotica over de hele longen moeten worden verdeeld. Er wordt ook gedacht om insuline op die wijze te gaan toedienen, omdat het via de longblaasjes binnen enkele seconden in de bloedbaan komt.

4

Micro Micro


Medspray is een jong, innovatief bedrijf dat medicijn-inhalatoren en de bijbehorende verstuivers ontwikkelt. De acht medewerkers zitten in een cyclaamrode blokkendoos op het Business & Science Park in Enschede, waar veel kennis op het gebied van microsysteemtechnologie en nanotechnologie is gebundeld. Zo werkt Medspray nauw samen met de ‘buren’ van MESA+, een van de grootste nanotechnologie instituten ter wereld en met de vakgroep Physics of Fluids van prof.dr. Detlef Lohse van de Universiteit Twente. Medspray ontwikkelde ondermeer een nieuw type verstuiver voor de medicijnen die astmapatiënten bij een aanval van benauwdheid inhaleren om hun luchtwegen te verwijden. Het medicijn helpt de chronisch verkrampte spieren rondom de bovenste luchtwegen te ontspannen, zodat de patiënt meer lucht krijgt. “Met conventionele inhalatoren bereikt slechts 10 procent van het medicijn zijn doel”, legt productontwerper ir. Wilbur de Kruijf van Medspray uit. “Zo’n 10 procent van de beoogde dosis blijft in het apparaat hangen en maar liefst 80 procent belandt in de mond en de keelholte.” Wanneer je zo’n medicijn doorslikt, komt het via de maag in de bloedbaan terecht. Een veelgebruikt astma-medicijn als Salbutamol kan bij inslikken ernstige hartkloppingen, slapeloosheid en duizeligheid veroorzaken. Het prototype van de Medsprayverstuiver bereikt hetzelfde luchtweg verwijdende effect met een 80 procent lagere dosis medicijn. “De patiënt slikt dus veel minder door en ondervindt minder bijwerkingen”, zegt De Kruijf. De kunst is om het astma-medicijn diep genoeg in de luchtwegen te krijgen, maar ook weer niet tè diep in de longen, want daar zitten die verkrampte spieren niet. Na lang experimenteren heeft Medspray een verstuiver ontworpen die een zeer homogene nevel geeft. De druppelgrootte is uniform verdeeld en de deeltjesgrootte is precies goed uitgekiend, zodat het medicijn op de juiste plek komt. Klinische studie In 2006 vond in het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMCU) een eerste klinische studie plaats met een prototype van een inhalator voor Salbutamol. De Kruijf: “Bij het klinisch onderzoek in het UMCU werden drie druppelgroottes vergeleken: gemiddeld 4, gemiddeld 5 of gemiddeld 6 micrometer. De druppels van 6 micrometer bleken het beste luchtwegverwijding te geven, waaruit werd aangenomen dat de druppels in het juiste gebied in de longen terecht zijn gekomen, namelijk hoger in longen. Theoretisch zouden nog grotere druppels, van 7 of 8 micrometer ook nog goed terecht kunnen komen, maar daarvan blijven er veel meer in de monden keelholte hangen, en dan krijg je weer meer bijwerkingen.” De patiënten die aan het onderzoek deelnamen, kwamen viermaal naar het ziekenhuis. Ze testten inhalatoren met drie verschillende druppelgroottes plus een placebo. De patiënten kregen telkens een dosis, waarna hun longfunctie werd getest. Drie uur later volgden een volgende dosis en een volgende longfunctietest.

abstract

English abstract

Het prototype van de nieuwe inhalator kwam heel goed uit de test, want het bereikte hetzelfde effect als de conventionele inhalator (type pMDI, een spuitbusje) met slechts 20 procent van de conventionele dosis medicijn. De Kruijf: “Onze klant, een farmaceutisch bedrijf wil hiermee in 2012 de markt op. We hopen dat het een grote klapper wordt. Inmiddels hebben we ook andere klanten.” Melk en bier filtreren Medspray ontwikkelt zijn verstuivers met behulp van micro- en nanotechnologie. Het bedrijf maakt silicium chips met kleine, zeer nauw gedefinieerde gaatjes. Als men een vloeistof door de gaatjes van deze verstuiver perst, ontstaan er stralen (jets) die opbreken in druppeltjes van gelijke grootte. De Kruijf: “De start van ons bedrijf was nogal technology push. De beide oprichters van Medspray hadden in een eerdere werkkring ervaring opgedaan met zeer fijne filters om bijvoorbeeld bacteriën uit melk of bier te filtreren. Een vloeistof door zo’n filter geperst blijkt een fijne nevel van zeer uniforme druppeltjes te vormen. Dat riep de vraag op hoe je daarvan gebruik zou kunnen maken. Je kunt er allerlei toepassingen voor verzinnen, zoals brandstofinjectie in auto’s, printers of melkpoeder. Toepassing bij het inhaleren van medicijnen leek het meest kansrijk. We zijn vier jaar bezig geweest om goed werkende prototypes te maken.” Hij schudt een paar minuscule zwarte stukjes silicium uit een potje in zijn handpalm. “Dit zijn de chips die we inbouwen in plastic spuitmondjes. Wanneer je in de spuitkop kijkt, zie je dat kleine, donkere staafje zitten. Wanneer je er vloeistof doorheen spuit, ontstaat een heel fijne nevel, met druppeltjes van zo’n 5 tot 6 micrometer. Door de gaatjes aan te passen maken we de spuitnevel fijner of minder fijn.” Op de chip zitten honderden gaatjes van 2,5 micrometer. De gaatjes worden met extreme precisie in de laag siliciumnitride van de wafer geëtst, net als bij computerchips, in de cleanroom van MESA+.

Worldwide about a hundred million people suffer from asthma. Daily a number of these people are able to use their inhalers for relief. However, this is not quite without a risk, as the current inhalers produce an aerosol with a wide range of particle size. As a result of inhaling too quickly or too slowly, up to 80% of the drug remains in the mouth and is swallowed. This may lead to side effects such as palpitation, insomnia and dizziness. Medspray, a young technology company in Enschede, The Nether lands, designed a patented spray nozzle that produces mono disperse particles (with a narrow size distribution). Clinical trials with the University Medical Center Utrecht (UMCU) using the Medspray nozzle producing particles in the range of 6 microns, have shown that as little as just one fifth of the usual dose from current inhalers suffices to relief the asthma sufferer. Its spray nozzle technique has also led Medspray into the world of perfume, as the very fine aerosol from their 2-jet spray nozzle remains airborne long enough to please any lady. For further information about this subject, please contact Jeroen Wissink, e-mail [email protected] or Wilbur de Kruijf, e-mail [email protected], tel. +31 53 711 28 35

Uit klinisch onderzoek blijkt dat druppels kleiner dan één micron weer worden uitgeademd, terwijl druppels groter dan acht micron neerslaan in de mond en de keel. Hierdoor komt het medicijn nauwelijks aan op de gewenste plek (de longen), bovendien heeft het op de ongewenste plek (mond en keel) ook nog eens bijwerkingen; een lose-losesituatie. De Medsprayverstuivers creëren een aerosol waarvan 86 procent van de druppels in het gewenste gebied van 5 tot 7 micron valt, en vrijwel alle druppels op de juiste plek aankomen. Aerosols uit conventionele verstuivers bevatten daarentegen juist veel meer druppels buiten dat gebied.

Uit onderzoek van het Universitair Medisch Centrum Utrecht blijkt de zachte mist uit de Medspray-inhalator vijf keer zo effectief als de aerosol van de

(Foto: Eric Brinkhorst)

Hogesnelheidscamera Sinds drie jaar financiert MicroNed een deel van het achtergrondonderzoek, samen met de Universiteit Twente. Bij de vakgroep Physics of fluids staat een supersnelle camera, die in een miljoenste van een seconde een foto kan maken. De Kruijf: “Om onze ontwerpen te optimaliseren, moeten we eerst beter begrijpen wat zich precies afspeelt op microniveau. Je weet uit leerboeken hoe een Rayleigh druppelverdeling ontstaat, maar het blijft spannend om dat bij je eigen prototypes te zien.” “De groep van Detlef Lohse heeft veel ervaring met hogesnelheidscamera’s”, vertelt co-oprichter ir. Jeroen Wissink van Medspray. “Zij bouwden ondermeer de ‘Brandaris’, die kon kijken naar heel kleine fysische fenomenen, zoals het ontstaan en trillen van vloeistofbelletjes of de lichtflitsjes van een garnaal, wat hen een publicatie in Nature opleverde.” >

bestaande inhalatoren.

Micro Micro


5

Volgens het Rayleigh-principe breekt een straal op in even grote druppels. De diameter van de druppel is twee keer de diameter van de verstuiver.

De verstuivers van Medspray worden gemaakt bij MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Technische Universiteit Twente door middel van fabricagetechnieken uit de halfgeleider-technologie.

Het Medspray-ontwerp van de verstuiver is met behulp van lithografie en etstechnieken duizendvoudig op een plakje silicium overgebracht.

Wanneer de wafer klaar is, wordt deze opgezaagd in meer dan duizend chipjes. Op deze zogenoemde Gandalf-verstuiver zijn honderden gaatjes aangebracht, elk met een diameter van 2 micrometer.

6

Micro Micro


Ir. Wim van Hoeve, promovendus bij professor Lohse, heeft inmiddels de nevels van talloze prototypes van de medicijnvernevelaar van Medspray in beeld gebracht met een cameraopstelling die hij speciaal daarvoor bouwde. Een spanningsveld bij het ontwerp van deze camera-opstelling is dat om iets heel kleins te fotograferen, je er het liefst bovenop willen zitten, maar tegelijkertijd moet de werkafstand groot genoeg zijn om de druppels die je wilt fotograferen te laten ontstaan en te laten wegspuiten. Bovendien is er nog de snelheid van 25 m/s waarmee de waterstraaltjes voorbij spuiten, dat vergt ook nog eens een bijzondere lichtbron in de camera-opstelling om te kunnen fotograferen. “De camera heeft speciale flitsers, die met een zeer groot vermogen nano-flitsen leveren”, vertelt onderzoeker ir. Wietze Nijdam van Medspray. “De camera moet zo’n druppeltje als het ware in stilstand betrappen, precies op het moment dat het afgesnoerd wordt uit de straal en opbreekt. Want als de opname te lang duurt, zie je alleen nog maar een lange wazige streep, daar heb je niets aan.” Black box Inmiddels zijn de druppels van verschillende groottes gefotografeerd. De data zijn in een model verwerkt, dat kan voorspellen hoe druppels van verschillende, meer of minder stroperige vloeistoffen, zich zullen gedragen. Promovendus Van Hoeve maakt er simulatiefilmpjes van, bestaande uit een stuk of honderd beeldjes, om te laten zien hoe de druppels precies ontstaan. “We willen bijvoorbeeld heel graag weten hoe snel de druppels samenklonteren”, zegt De Kruijf. “Dat samenklonteren is ongewenst, want dan krijg je grotere druppels en een minder homogene nevel. Wanneer het al meteen in het begin gebeurt, kunnen we er niks meer aan doen. Maar wanneer druppels pas verderop gaan samenklonteren kunnen we dat nog proberen te verhelpen. Je kunt een ander type mondstuk construeren om de menging met lucht enigszins aan te passen. Dankzij het werken met de camera hebben we onze prototypes steeds verder kunnen verbeteren.” “Tot nog toe was die spuitnevel voor ons een soort black box. Maar dankzij het werken met de hogesnelheidscamera krijgen we steeds meer inzicht”, zegt Wissink tevreden. “Daarmee kunnen we straks maatwerk leveren voor opdrachtgevers uit de farmaceutische industrie. Zonder MicroNed waren we er nooit aan toegekomen om zulke fundamentele zaken zo grondig uit te zoeken met partners van de Universiteit Twente. Het project heeft ons in totaal 6,5 ton gekost, waarvan SenterNovem de helft betaalt en wij de andere helft.” Insuline inhaleren “Voor elke medicinale toepassing valt een optimale spray te ontwerpen”, zegt De Kruijf. “Zoals ik eerder zei, bepaalt de deeltjesgrootte of de ingeademde nevel boven of onder in de longen terecht komt. Hoe kleiner de druppeltjes, hoe dieper ze in de longen doordringen. Grotere deeltjes vliegen eerder ‘uit

de bocht” als ze door het steeds fijner vertakte “buizenstelsel” in de longen reizen. Astma-medicijn moet niet verder dan in de luchtwegen, want komt het tè diep in de longen, dan wordt het opgenomen in de bloedvaten. Daarom zijn wat grotere deeltjes – circa 6 micrometer – voor die aandoening het meest geschikt. Kleinere deeltjes, 2 tot 4 micrometer, kunnen via de longblaasjes in het bloed komen. Toegediend in zulke fijne druppeltjes kan bijvoorbeeld insuline effectief worden geïnhaleerd, zodat injecties overbodig worden. Samen met de Zweedse partner Scandinavian Health Limited heeft Medspray een inhalator ontwikkeld gebaseerd op het principe van de SHLinjectiepen. De pen heeft een medicijnreservoir en een naald om insuline rechtstreeks in het lichaam te spuiten. Wanneer je de pen opwindt en op de knop drukt, geeft het een van te voren ingestelde dosis medicijn af. De idee is de naald door een Medspray-verstuiver te vervangen en zo de insuline te laten ïnhaleren. De Kruijf: “Misschien zullen we op den duur ook pijnstillers, die nu nog niet geïnhaleerd kunnen worden omdat de toediening heel nauw luistert, ook via inhalatoren kunnen aanbieden.”

Verschillende ontwerpen voor de ideale verstuiver. De weg naar het ideale mengkanaal (mondstuk) is een kwestie van een lange adem. Het doel is om ter plekke van de verstuiverchip de lucht snel te laten bewegen, zodat de druppeltjes goed over de ruimte verdelen. In de mond daarentegen moet de luchtsnelheid gedaald zijn, omdat er anders wervelingen in de mond ontstaan en het medicijn niet goed in de longen aankomt. De ervaring van Medspray is dat deze tegengestelde eisen zich in de praktijk erg moeilijk laten berekenen in computerprogrammatuur.

Afmontage van test series. Onder de binoculair worden de verstuiverchips nu nog handmatig in de kunststof houdertjes geplaatst. Medspray werkt met IMS Almelo aan de ontwikkeling van een geautomatiseerde assem-

Doorontwikkelen Medspray bezit inmiddels vijf patent-families. Om de kans op snelle marktintroducties te vergroten, werkt het bedrijf ondermeer samen met Duitse en Zweedse partners. Medspray ontwikkelt niet alleen de verstuivers, maar doet ook de productie in eigen beheer. De partners ontwikkelen het doseersysteem en de kunststof onderdelen van deze medische hulpmiddelen. Aan de marktintroductie van de eerste inhalator, gepland voor 2012, gaat een lange periode van medische en farmaceutische testen vooraf. “Temeer omdat siliciumtechnologie voor de farmaceutische bedrijfstak heel nieuw is”, zegt De Kruijf. De technologie is stap voor stap ontwikkeld: Hoeveel gaatjes zijn er nodig, hoe dik moeten de lagen zijn, hoe groot moeten de gaatjes zijn, hoe voorkom je dat de gevormde druppels weer tegen elkaar botsen, hoe houd je ze mooi verdeeld in de lucht. Medspray heeft een eigen aërosollab gebouwd met apparatuur om in de medicijnnevel de maat van de druppeltjes te meten. De Kruijf: “Wanneer we de druppels maken, zijn ze praktisch allemaal even groot, de bandbreedte is zeer nauw. Sommige druppels vloeien echter weer samen (zogenoemde coalescentie) en soms ontstaan zelfs driedubbele druppels, daardoor is de nevel niet 100 procent uniform, maar wel veel nauwer verdeeld dan bij bestaande technieken.” Bij bestaande vernevelaars die bedoeld zijn om druppels te produceren van bijvoorbeeld 5 micrometer, varieert de druppelverdeling in werkelijkheid van 1 tot 25 micrometer. Wanneer Medspray een nozzle maakt voor druppels van 5 micrometer, varieert de werkelijke druppelverdeling hooguit van 4 tot 6 micrometer. De geometrisch standaardafwijking is 1,3. De viscositeit van het medicijn heeft weinig of geen invloed op de druppelverdeling. >

blagemachine.

De houdertjes met de nog niet vastgemaakte verstuiverchips worden in het mengkanaal geklikt.

In een gecondtioneerde ruimte wordt de silicium verstuiver-chip met een laser aangestraald. Het stukje silicium geeft de warmte door aan het kunststof, dat vervolgens om de chip heen smelt en zo zorgt voor een goede vloeistofafdichting.

Micro Micro


7

Deze innovatieve inhalator is gebaseerd op een injectiepen voor insuline. De naald is vervangen door een mondstuk en een Medspray-verstuiver. Een veermechanisme doseert de hoeveelheid vloeistof medicijn uit een reservoir. De dosis kan door de patiënt zelf worden ingesteld, wat belangrijk is voor diabeten, die op basis van een meting de juiste dosering moeten bepalen.

De meting van druppelgrootteverdeling bij Medspray. De aerosol kan worden gemeten met een zogenoemde NGI, Next Generation Impactor. Het metalen instrument dat model staat voor de long, verdeelt de aerosol over verschillende schaaltjes. Hoe kleiner de druppels, hoe verder ze in het instrument doordringen.

Tijdens de klinische testen in 2006 van de zogenoemde 0019-verstuiver van Medspray in het UMC Utrecht, kregen astmapatiënten salbutamol toegediend, een luchtwegverwijdend medicijn. De meetresultaten toonden aan dat het medicijn goed werkte bij een 5x lagere dosis. Slechts 20% medi-

Chip inbouwen Omdat de fabrikanten van inhalatoren de minuscule chips van Medspray niet zomaar door een robot in de productielijn kan laten assembleren, wordt er een kunststof mondstuk bijgeleverd, waarin de chip zit ingelast. De Kruijf: “Het ontwerpen van zo’n mondstuk lijkt gemakkelijker dan het is. Er zijn heel veel details die het heel lastig maken. Een van de grootste moeilijkheden is het afbuigen van de gevormde druppels in de luchtstroom. Als het mondstuk van het prototype een net iets andere vorm heeft, blijft er zomaar 30 procent van de druppels in het apparaat hangen en wordt nog maar 70 procent in plaats van 90 procent van het medicijn verneveld. We hebben vele tientallen verschillende mondstukken gemaakt voordat we de optimale mengkanalen hadden.” Het mondstuk moet zo zijn ontworpen dat de snelheid van de lucht boven de chip hoog is. Daardoor worden er druppels gevormd van de juiste grootte en blijft er weinig achter in het apparaat. Maar wanneer de vloeistof in de mond komt, moet de snelheid van de druppels al weer wat zijn afgeremd, omdat er anders al weer teveel medicijn in de keel achterblijft. Een ander soort uitdaging is volgens De Kruijf om zoveel mogelijk chips uit een siliciumwafer te halen, zodat de kostprijs omlaag kan. Rond de gaatjes is de huidige laag siliciumnitride een halve micrometer dik. Maakt men de laag nog dunner, dan is er nog minder vloeistofweerstand. Dan kan men de nevel met een lagere druk maken, of taaie, viskeuze vloeistoffen bij lagere druk vernevelen, want hoe hoger de druk, hoe duurder en ingewikkelder de bijbehorende spuit. De Kruijf: “We willen onze verneveltechnologie het liefst laten aansluiten bij de gebruikelijke apparaatjes, want de bestaande glazen vloeistofreservoirs zijn uit en te na getest, reageren niet met het medicijn en maken het medicijn lang houdbaar – kortom wat we bewezen technologie noemen.”

cijn bleek voldoende voor dezelfde werking.

Luchtwegverwijding

3.45

fev1

3.4

Resultaten van de klinische studie, zoals die zijn uit-

3.35

gevoerd aan het UMC. De luchtwegverwijding van de

3.3

druppeltjes van de Medspray-inhalatoren is signi-

3.25

3.2

ficant beter dan die van de placebo. Gemeten is de 0

10

20

40

80

FEV1, het volume lucht dat een patiënt in 1 seconde kan uitademen.

8

Micro Micro


Toelatingstesten De komende jaren zullen er enkele duizenden prototypes van de nieuwe inhalator door de toelatingsautoriteiten worden getest, voor diverse medicijnen. Voor elk onderdeel van een medische verpakking moet de ontwerper kunnen bewijzen dat er geen stoffen zijn gebruikt die zouden kunnen reageren met het medicijn. Zo is in de inhalator geen lijm verwerkt en moet de uitgekozen kunststof zijn goedgekeurd voor farmaceutische toepassingen. Daarom wordt de chip waar het allemaal om draait, eerst op de juiste plek in een houder aangebracht en vervolgens verhit met een laser. Het hete silicium doet het aanpalende kunststof voldoende smelten om de verstuiver na afkoeling stevig in te bedden. “Dat hele proces hebben we zelf bedacht”, zegt De Kruijf. “Ik heb wel vijftien verschillende ontwerpen moeten afkeuren, waarbij voor elk ontwerp honderden exemplaren werden getest. Het geeft enorme voldoening om net zolang te knutselen totdat het werkt.”

pomp

“Inhalatoren zullen gebruiksvriendelijker worden. Je ziet nu nog dat medicijninhalators die volgens een standaardtest in het lab goed voldoen, in de praktijk soms slecht werken doordat mensen bijvoorbeeld te zacht of juist te hard inademen. Ons eigen ontwerp is daarvoor veel minder gevoelig en dat maakt hem veel gebruiksvriendelijker. Als je dan bedenkt dat alleen al in Nederland een half miljoen mensen astma hebben, dan verwacht ik hier veel van.” Parfum Inmiddels is Medspray ook actief op de parfum- en cosmeticamarkt. “We werden voor een opdracht gescout door een Frans bureau, gespecialiseerd in micro- en nanotechnologie”, vertelt De Kruijf. “Uit hun onderzoek naar onze verstuivers bleek dat ònze verstuiver een mooi wolkje oplevert, maar in plaats van een rechte straal wilden zij liever een straal die meteen een hoek van zo’n 60 graden maakt. Dan kun je vanaf de juiste afstand het gewenste huidoppervlak, bijvoorbeeld onder je pols of achter je oor aanbrengen.” Medspray ontwikkelde een 2-jet verstuiver met de ideale spray die precies aan het eisenpakket van de parfumfabrikant voldeed. In principe kun je aan zo’n prototype van een 2-jet spray twee dingen veranderen, namelijk de doorsnede van de kanalen en de hoek waaronder de beide stralen op elkaar komen. Wanneer de beide stralen haaks op elkaar botsen ontstaat meteen een brede wolk. Als je een wat kleinere hoek kiest, bijvoorbeeld 75 in plaats van 90 graden, dan heeft de spray een wat grotere voorwaartse snelheid en een kleinere ‘uittreehoek’. Anders gezegd: de spraywolk vormt een wat smallere kegel. Ook werden de kanaalgroottes aangepast om te zien welke grootte bij de druk in zo’n parfumpompje het beste zou werken. De Kruijf: “Op de methode om deze verstuivers te maken hebben we patent aangevraagd. We hopen dit principe nu te gaan vermarkten en zijn daarover in onderhandeling met een parfumfabrikant. We zijn ook bezig met haalbaarheidsstudies.” De grootste uitdaging zit, naast het ontwerpen en realiseren van de verstuivers, vooral in het reduceren van de kostprijs. Net als voor de medische toepassingen is ook voor de parfummarkt een lage kostprijs essentieel om een groot publiek te kunnen bereiken. Ook als de parfum in de winkel tegen de 100 euro kost. De Kruijf: “MicroNed heeft dit onderzoek ondersteund omdat er in Nederland op microniveau nog erg weinig bekend was over het 2-jet-verstuiver principe en alle variabelen die je kunt optimaliseren bij het ontwikkelen van 2-jet-verstuiver. In dat opzicht is dit wel een baanbrekend project.” <

De Medspray-inhalator die gebruikt is voor de klinische testen, bestaat uit een pompflesje, een mondstuk/mengkanaal en een verstuiver-chip.

mondstuk

verstuiver-chip

Promovendus ir. Wim van Hoeve van groep Physics of Fluid van de Universiteit Twente bestudeert de opbreking van de druppels bij Medspray verstuivers. Dit deel van het onderzoek valt het MicroNed-project. De benodigde apparatuur maakt per seconde honderd beeldjes van een miljoenste van een seconde. Dat leverde de afgelopen twee jaar al meer dan een terabyte aan video-data op.

Detail van de meetopstelling. De Medspray verstuiver-chip is gemonteerd in de punt van een dikke naald. De camera is bevestigd aan het objectief van een microscoop.

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt contact op nemen met

De verstuiver-chip, met 13

ir. Jeroen Wissink, e-mail [email protected] of met ir. Wilbur de Kruijf,

openingen van 10 µm op

e-mail [email protected], tel. (053) 711 28 35

een rij, wordt getest met verschillende vloeistoffen om de invloed van de viscositeit te kunnen bepalen.

Micro Micro


9

Octrooi voor slimme gereedschaphouder voor extreem hogesnelheden

Nauwkeuriger frezen met ni

Detail van een opstelling voor micro frezen met een magnetische lagering. De snijkop van het freesje is 0,2 millimeter. Micro frezen wordt momenteel gedaan met machines die zijn ontworpen voor macro frezen, maar dergelijke machines zijn nogal zwaar gedimensioneerd en bieden dynamisch minder mogelijkheden. Bovendien halen ze de gewenste omloopsnelheden niet. Door magnetische lagering kan tevens meer functionaliteit aan microfreesmachines worden gegeven, zoals het meten van de kracht van de frees op het werkstuk of andersom.

10

Micro Micro


euw type microfreesmachine Werktuigbouwkundigen van de TU Delft hebben het eerste prototype gebouwd van een microfreesmachine met contactloze magnetische lagers. Deze lagering maakt de microfreesmachine nauwkeuriger dan de conventionele freesmachines die zijn uitgerust met kogellagers. Als onverwachte spin-off leverde deze ontwikkeling een nieuw soort hogesnelheidskoppeling op. Precies iets waarnaar een fabrikant van microgasturbines op zoek was.

Zoals de halfgeleiderindustrie streeft naar steeds kleinere chips in twee dimensies, zo streeft de mechanische bewerkingsindustrie naar steeds kleinere materiaalstructuren in drie dimensies. Een voorbeeld van zo’n miniatuurbouwwerkje is een chemische microreactor voorzien van minieme kanaaltjes. Het grote voordeel van een microreactor is dat je maar weinig chemicaliën en energie nodig hebt om de gewenste chemische reacties te bewerkstelligen en om het proces te bestuderen (zie elders in dit nummer het artikel over microreactoren). Bovendien verlopen de reacties op microschaal efficiënter en zijn ze beheersbaarder. Een ander voorbeeld van een driedimensionale miniatuurstructuur die de industrie maakt, is het fabricage proces van een optische lens, waarvoor er een hardmetalen matrijs moet worden gefreesd. Dat gebeurt in de praktijk met een grote freesmachine waarin een microfrees wordt gebruikt. De spindel wordt aangedreven door een motor die het toerental regelt, meestal tot zo’n 40.000 per minuut, wat al uitzonderlijk hoog is. Om op een gelijkmatige manier exact de juiste hoeveelheid materiaal op de juiste plek weg te frezen, moet de machine de positie van de frees precies kunnen beheersen. Traditioneel wordt bij het frezen de nauwkeurigheid behaald door de freesmachine groter, zwaarder en stijver te maken. Dat vermindert de elastische vervormingen. Verder geldt dat hoe groter de massa en dus de traagheid van de spil, hoe moeilijker het geheel uit positie raakt tijdens het frezen. Het gebruik van een zware, stijve machine voor het microfrezen kent echter tal van nadelen. Ten eerste is de opstelling door het gebruik van een microfreesje met een hele kleine diameter niet stijf meer te noemen. Ten tweede is een grotere en zwaardere machine onhandig in het gebruik. Je wilt juist een kleine en lichte machine, die minder energie verbruikt en minder plaats inneemt. Ten derde heb je behalve over het toerental en de kracht waarmee de frees in het materiaal wordt gedrukt, geen controle over het freesproces. Je hebt geen inzicht in de krachten die het freesje tijdens het frezen ondervindt. Zou je daar wèl inzicht in hebben, dan kun je beter voorkomen dat een frees breekt of te veel slijt. Ten vierde wordt het toerental beperkt doordat de rotor en de lagers fysiek contact maken. Want hoe hoger het toerental, hoe warmer ze worden, en hoe meer slijtage er optreedt. En ten slotte de positienauwkeurigheid van de frees, die wordt beperkt door de beperkte nauwkeurigheid van de kogellagers, waarin altijd wel enige speling zit.

Werelwijd wordt veel onderzoek gedaan naar de optimale condities voor micro frezen, zoals onder meer het optimale toerental van de frees, de geometrie van de snijkop, het meten van snijkrachten, de optimale snedediepten en de warmte- ontwikkeling. Typische toepassingen zijn het maken van zeer kleine mallen (bijv. voor het maken van een gehoorapparaten voor Philips), of voor het direct fabriceren van minime voorwerpen, zoals een tandwieltje of een microreactor.

Microreactor, gefreesd bij TNO Industrie in Eindhoven met een conventionele frees.

Contactloos ronddraaien Promovendus ir. Maarten Kimman – gefinancierd door MicroNed – en zijn begeleider universitair hoofddocent > Micro Micro


11

Er zijn inmiddels wel enkele freesmachines op de markt gekomen voor het frezen van details met sub-micrometer-nauwkeurigheid. Ze zijn echter nog steeds ontworpen met dezelfde filosofie als de machines die zijn bedoeld voor macro-frezen: met kogel- of luchtlagers, zwaar gebouwd, met hoge massa en grote stijfheid. Delftse onderzoekers denken dat kleine voorwerpen beter met kleine(re) en intelligentere freesmachines kunnen worden gemaakt. Een microfreesje naast haar. Onder microfreesjes wordt verstaan freesjes met een diameter van 0,1 en 0,5 millimeter. Ze worden gemaakt van carbide en hebben een beschermde coating. Diagram van de aansturing van de magneetlagering van de microfrees. Door de rotor contactloos op te hangen met behulp van een magnetisch veld, treedt er geen wrijving op tussen de as en de omgeving. Loodrecht op dit aanzicht werkt nog eenzelfde regelstructuur. De axiale

dr.ir. Hans Langen hebben een prototype van een microfreesmachine gemaakt, die de nadelen van het frezen met een microfreesje in een traditionele freesmachine omzeilt. Het is, voor zover bekend, het eerste werkende prototype van een microfreesmachine met actieve magnetische lagers. Kimman en Langen zijn allebei werkzaam bij de Faculteit Werktuigbouwkunde (3mE) van de TU Delft. “Ons doel is om niet steeds grotere machines voor microbewerking te maken, maar juist kleinere, intelligentere machines”, vertelt projectleider Langen. “De voornaamste uitdaging is dan om het probleem te omzeilen dat een kleinere machine in principe minder stijf is en daarmee minder nauwkeurig kan frezen.” De essentie van de oplossing voor dit mechanische probleem ligt in een combinatie van mechanica, elektronica en regeltechniek (mechatronica). “Het idee”, vertelt Langen, “is om de as niet langer fysiek te lageren, maar contactloos rond te draaien en aan te sturen. Dat is mogelijk door het juiste elektromagnetische veld aan te leggen in de vrije ruimte tussen de rotor en de stator. Door een slim ontwerp kan dit mechatronische systeem continu de positie van de rotor meten en bijsturen. Dit is nodig omdat een magnetisch lager van nature instabiel is. Een contactloze rotor heeft als bijkomend voordeel dat de rotor zelf geen mechanische slijtage vertoont.” Promovendus Maarten Kimman ontwierp en bouwde in de afgelopen vier jaar het eerste prototype. Staande bij de machine, vertelt hij hoe het prototype werkt: “Het microfreesje zit in een speciaal ontworpen houder, die op zijn beurt is vastgeklemd op de lange, cilindervormige rotor. Dit geheel draait zwevend rond in het elektromagnetische veld dat we via permanente magneten en spoelen opleggen. Het materiaal dat we willen bewerken zit vast op een tafel, die we computergestuurd onder de frees door bewegen.” Het prototype gebruikt een commercieel verkrijgbaar microfreesje met twee snijkantjes en een snijvlakdiameter van 0,2 millimeter. De rotor is ruim een decimeter lang en wordt door een combinatie van permanente magneten en spoelen in de behuizing op zijn plaats gehouden. De vrije ruimte tussen de rotor en de noodlagers is 0,2 millimeter. Dit kleine beetje vrije ruimte biedt de extra mogelijkheid om de rotor ook decentraal te laten ronddraaien, waardoor de frees bovenop de rotatiebeweging ook een translatiebeweging krijgt. Dat kan voor sommige toepassingen handig zijn.

richting van de as wordt geregeld door bovenop de as de axiale beweging te meten met behulp van een contactloze positiesensor en vervolgens met elektromagneten een kracht aan te brengen op de schijf in het midden van de as.

Omdat de magnetische lagering actief wordt aangestuurd, is de positie van de as in de lagers goed te beheersen. Dit biedt de mogelijkheid om bijvoorbeeld onder een kleine hoek te frezen.

12

Micro Micro


Eerste test Het gros van het werk van de promovendus is gaan zitten in het ontwerp van de spindel. Kimman: “De spindel bevat actieve magnetische lagers, in plaats van een mechanisch kogellager, zoals in traditionele freesmachines. Zodra er materiaal wordt weggefreesd, komt er een kracht op het freesje te staan. Hierdoor verplaatst de rotor en deze verplaatsing wordt in de lagers gemeten. Ons regelsysteem reageert hierop door razendsnel te berekenen welke stroom door de spoelen moet lopen om een zodanige tegenkracht op te wekken dat de frees wel op de juiste positie blijft.” Het actieve magnetische lager van de Delftse onderzoekers meet twintigduizend maal per seconde de positie van de rotor en stuurt ook vrijwel real time de rotorpositie bij (de bandbreedte is 400 hertz). Hoewel actieve magnetische lagers al langer bestaan, is dit de eerste keer dat zo’n contactloos lager is geïntegreerd met zo’n kleine microfreesmachine. Afgelopen juni testte Kimman zijn prototype voor het eerst. “Bij de eerste test stonden vijf mensen vol spanning naar de

machine te kijken”, vertelt Kimman. “Bij het frezen zetten we een doorzichtige kap over de machine heen, voor het geval dat er iets mis gaat en de frees of stukjes materiaal met hoge snelheid worden weggeslingerd. Gelukkig ging alles goed. Bij een toerental van 80.000 omwentelingen hebben we een klein gleufje in een stukje messing gefreesd. Het gleufje hebben we onder de microscoop geïnspecteerd en dat zag er goed uit. De informatie die het actieve magnetische lager leverde over de positie van het freesje en de stromen in de lagers verschaft veel informatie om in de toekomst het freesproces te optimaliseren.”

Doorsnede van het bovenste radiaal lager van de Delftse microfrees, waarin permanente magneten zijn gebruikt in combinatie met elektromagneten. Door het gebruik van permanente magneten is er minder stroomverbruik en minder warmte-ontwikkeling. Magnetische lagers worden gewoonlijk magnetisch voorgespannen door permanent een basisstroom door elektromag-

Resonantiefrequentie Een extra voordeel van het verkleinen van de freesspil, is dat de resonanties van de spil naar steeds hogere frequenties opschuift. Resonanties tijdens het frezen zijn wel het laatste wat je wilt, want daardoor gaat de kwaliteit en nauwkeurigheid van het gefreesde oppervlak achteruit. Bij de microfreesmachine van Kimman en Langen weegt de rotor slechts 180 gram. Door een zeer compacte spindel te ontwerpen ligt de 1e resonantiefrequentie op ongeveer 3,5 kilohertz. Dit is zeer hoog in vergelijking met conventionele machines. “Tijdens het frezen is het van groot belang om zo ver mogelijk uit de buurt te blijven van de resonantiefrequenties”, zegt Kimman. “Bij de klassieke freesmachine zonder magnetische lagering is het niet ongebruikelijk dat er tijdens het frezen trillingen ontstaan bij hogere toerentallen ten gevolge van resonanties in het systeem.” Het toerental van 80.000 dat Kimman bij de eerste test gebruikte, wil hij nog veel verder opvoeren. Uit veiligheidsoverwegingen heeft hij het echter nog niet geprobeerd. “Met het huidige prototype hebben we zonder te frezen al een toerental van 150.000 omwentelingen per minuut gehaald”, zegt de promovendus. “Idealiter willen we uiteindelijk naar een toerental van 500.000 toe, want bij dat toerenaantal krijg je een vergelijkbare snijsnelheid die ook bij macrofrezen gebruikelijk is.”

neten te laten lopen, zodat het in positie brengen van de as beter te beheersen is. Door voor deze voorspanning permanente magneten te gebruiken, wordt het energiegebruik en de warmte-onwikkeling in de microfrees beperkt.

Door het lager zo vorm te geven dat deze voorspanningsflux axiaal door de rotor loopt (blauwe flux), worden de verliezen als gevolg van veranderende magnetische velden in de rotor zo veel mogelijk beperkt. De regel- of stuurflux is aangegeven met de rode pijl.

Weegt de as van een conventionele freesmachine enkele tot wel tientallen kilogrammen, de as van de Delftse microfrees is 13 cm lang en weegt slechts 180 gram. Door in de opstelling aan weerszijde van het schijfje elektromagneten te plaatsen, kan de hoogte van de frees nauwkeurig worden bepaald. De verdikking op de as is de rotor van de synchroonmotor. Het bestaat uit twee magneten die zijn aangebracht met behulp van een sterke vezel bandage om bestand te zijn tegen de hoge toerentallen. De zwarte banden aan de onder- en de bovenkant zijn de slijtvaste lagen voor de noodlagers.

Staalkaart van de verschillende trilvormen

Geoctrooieerde koppeling Een onverwachte spin-off van Kimmans onderzoek was zijn nieuwe ontwerp van een freeshouder, de fysieke verbinding tussen de frees en de rotor. Omdat de Delftse werktuigbouwkundigen met hoge toerentallen werken, moet de freeshouder bestand zijn tegen grote centrifugaalkrachten. Deze krachten willen de materie van de freeshouder naar buiten slingeren. In het ergste geval spat de freeshouder geheel uit elkaar. “Dat hebben we voorkomen”, zegt Kimman, “door drie T-vormige gleuven in de freeshouder aan te brengen. We hebben deze gleuven zo ontworpen, dat bij het draaien van de freeshouder een hefboomwerking ontstaat. Door de centrifugaalkracht op de freeshouder zorgt het hefboommechanisme ervoor dat het binnenste deel van de freeshouder juist naar binnen wordt gedrukt. De binnenwand van de freeshouder wordt op deze manier stevig tegen de frees aangedrukt, waardoor deze niet los kan schieten. Het ontwerp is zo uniek dat we er octrooi op hebben aangevraagd.” Toevallig kwamen de onderzoekers tijdens hun werk in contact met een fabrikant van microgasturbines, MTT BV. Dit bedrijf wil huishoudens in staat stellen om zelf elektriciteit te genereren met een mini-warmtekrachtcentrale. In zo’n centrale moet een microgasturbine worden gekoppeld aan een microgenerator. De toerentallen zijn echter zo hoog dat de koppeling tussen de turbine en de generator ook last heeft van de grote centrifugaalkrachten. “De oplossing die wij voor onze koppeling >

van de spindel. Tijdens het opspinnen naar hoge snelheden, doorloopt de rotor enkele gebieden met resonantiefrequenties. Omdat de kwaliteit van het werk ernstig omlaag gaat wanneer er wordt gefreesd met een toerental dat te dicht bij een resonantiefrequentie ligt, is het van groot belang om te weten waar deze frequenties liggen. De eerste resonantiefrequenties worden bepaald door de regelbandbreedte van het magnetische actuatoren, en die kunnen dus worden beïnvloed. axiaallager eerste radiaallager

Motor bestaande uit de stator en de permanente magneten op de rotor

tweede radiaallager

Doorsnede van de magnetisch gelagerde as.

Micro Micro


13

hebben verzonnen, is eigenlijk precies wat deze fabrikant ook nodig heeft”, aldus Kimman.

De gerealiseerde frees inrichting, gemonteerd op een verticale stage om

Vonkerosie “We gaan het prototype nu aan een uitgebreide reeks experimentele testen onderwerpen en de freesresultaten zoveel mogelijk één-op-één vergelijken met die van grotere microfreesmachines”, vertelt projectleider Hans Langen. “Hoe zit het met de kwaliteit van het freesresultaat? Hoe diep kan de machine frezen? Welke toerental kan de machine aan? Hoe snel moet het te bewerken materiaal onder de frees door bewegen? Al deze vragen willen we nog in detail experimenteel beantwoorden. Verder kunnen we dankzij de signalen die we in de magnetische lagers hebben gemeten, als het ware luisteren naar het freesproces. Door deze signalen te ontrafelen, hopen we zowel de machine- als de procesdynamica te verbeteren.” Daarmee is hun werk aan de microfreesmachine nog lang

de grove freesdiepte in te stellen. Het werkstukje wordt gemonteerd op een x-y positioneerplatform, die wordt gestuurd met lorentz-actuatoren. Het platform is afkomstig van NXP/ITEC, waar hij werd gebruikt in een wire bonding machine.

Kimman’s geoctrooieerde freeshouder voor gebruik bij zeer hoge snelheden. Deze onverwachte spin-off was het resultaat van een zoektocht naar een geschikte freeshouder die bestand is tegen de grote centrifugaalClose-up van de rotor van het bovenste radiale lager. De luchtspleet tussen de

krachten. Doordat alle massa als gevolg daarvan een kracht naar buiten

rotor en de stator is duidelijk zichtbaar. De snelheid van het spindel word gemeten

ondervindt, treedt bij conventionele freeshouder verlies van klemkracht

met behulp van de zwart-witte vlakjes bovenop de as. Dit signaal wordt gebruikt

op, terwijl bij Kimman’s freeshouder de klemkracht bij stijgend toerental

voor het compenseren van gyroscopische effecten die een rol gaan spelen bij hoge

juist toeneemt. De gleuf in het midden van de cilinder dient

om even-

snelheden (in dit geval 150.000 toeren). De axiale beweging wordt gemeten met

tuele verschillen in diameter tussen de frees en de rotor op

te vangen.

de sensor die midden boven de as is gemonteerd. De eerste frees experimenten.

Het eerste freesexperi-

De freeshouder is een monolithische structuur die bestaat uit een drie-

ment, waarbij met een

hoek, waaraan via hefbomen drie massa’s zijn bevestigd. Wanneer deze

0,2 mm freesje in messing

massa’s door de rotatie een kracht naar buiten ondervinden, worden de

werd gewerkt. Op 80.000

wanden van de driehoek naar binnen gedrukt.

toeren per minuut zijn steeds lagen van 5 micro-

Om een frees in de houder te kunnen plaatsen en

meter weggefreesd. Het

die weer op de freesas te kunnen vastzetten,

resultaat zijn nette cirkels

moest Kimman ook een speciaal gereedschapje ont-

en een baan die precies

werpen. Daarmee wordt op

200 micrometer breed is.

de drie massa’s een naar bin-

Dit betekent dat er zich

nengerichte kracht aange-

geen ongewenste resonan-

bracht, waardoor de drie-

ties hebben voorgedaan

hoek van de freeshouder open

tijdens het frezen.

gaat staan. Vooraanzicht van het proefstukje.

14

Micro Micro


niet afgerond. Een van de volgende doelen is om dezelfde microfreesmachine ook voor een geheel ander type materiaalbewerking te gebruiken, en wel als vonkerosiemachine (EDM: electrical discharge machine). Bij zo’n machine wordt een gepulseerde potentiaalspanning tussen twee elektroden, de vormgevende elektrode en het werkstuk, gebruikt om materiaal weg te eroderen. Het proces gebeurt ondergedompeld in een bad met diëlektricum. Wanneer een voldoende grensspanning wordt bereikt, slaat er een vonk over. De ontlading is zo intens dat er een plasmakanaal ontstaat tussen de elektroden, waarin de druk en de temperatuur zo hoog zijn, dat materiaal aan beide kanten smelt en verdampt. Tussen de spanningspulsen door vallen de temperatuur en de druk terug, waardoor het plasmakanaal implodeert en het gesmolten materiaal uit zijn moedermateriaal wegschiet. “In principe kunnen we de microfrees van onze machine als elektrode gebruiken”, zegt Langen. “Dan zouden we bijvoorbeeld eerst een gleuf kunnen frezen, die we vervolgens met dezelfde machine nabewerken met behulp van vonkerosie. Op die manier combineren we de snelheid van het freesproces met de oppervlakte-nauwkeurigheid van het EDM-proces. Bij het vonkerosieproces is het handig om de elektrode een soort spiraalbeweging te laten uitvoeren. Dat leidt tot betere spoelingscondities en dus eindresultaat. En die spiraalbeweging kunnen we dankzij het contactloze magnetische lager met onze machine realiseren door de frees niet precies in het centrum te laten ronddraaien, maar iets uit het centrum.”

De Delftse wetenschappers willen de microfreesmachine ook voor een geheel ander type materiaalbewerking gaan gebruiken, namelijk als vonkerosiemachine. Bij vonkerosie wordt een gepulseerde potentiaalspanning tussen de draad-elektrode en het werkstuk gebruikt om materiaal te verwijderen, ondergedonpeld in een bad met diëlektricum. Wanneer de spanning hoog genoeg is, slaat er een vonk over en ontstaat er een plasmakanaal tussen de elektroden. Daarin zijn de druk en de temperatuur zo hoog, dat materiaal aan beide kanten smelt en verdampt. Valt tussen de pulsen door de spanning weg, dan implodeert het plasmakanaal en schiet het gesmolten materiaal van de draad en het werkstuk weg. Het losgekomen materiaal wordt door het diëlectricum afgevoerd. De pulsfrequentie instelling is afhankelijk van het materiaal van het werkstuk. Hans Langen verwacht in drie stappen van microfrezen naar vonkerosie te kunnen gaan:

Een andere uitdaging is om de microfreesmachine als geheel nog kleiner te maken. Dan moet vooral de spindel, die de permanente magneten en de inductiespoelen bevatten, worden geminiaturiseerd. < dr.ir. Hans Langen, tel. (015) 278 1887, e-mail [email protected], of met ir. Maarten Kimman, e-mail [email protected], tel. (015) 278 5550.

abstract

Micro milling at ultra high speed Researchers at the Faculty of Mechanical Engineering at the Delft University of Technology designed and built a prototype of a machine for micro milling, using a miniature spindle, which is supported contactless by active magnetic bearings. Applying that technique turns it into a far more accurate piece of micro milling equipment than the traditional milling machines with ball bearings. The contactless support of the rotor enables a very high rotational speed. As a spin-off PhD-student Maarten Kimman designed a patented tool holder for high speed (up to at least 250,000 rev/min.). Exactly what the manufacturers of micro gasturbines were looking for as a connection between a turbines and a micro generator.

bovenop het werkstuk is het snel aan- en uitgaande plasmakanaal.

Illustratie: Rob Luttjeboer/TU Delft

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met

Bewerking met vonkerosie van een stuk roestvaststaal. Het helverlichte gebied

1

2

3

In een eerste grove

In een 2e stap, wordt

In een allerlaatste stap

bewerking wordt het

het freesje nabewerkt

wordt, met precisie, de

materiaal weggefreesd

met microvonkerosie.

oorspronkelijke groef

Er wordt slechts een

nog eens netjes nabe-

minimale hoeveelheid

werkt, waarbij de spil

van de diameter afge-

niet alleen een rote-

haald, voldoende om

rende beweging maar

een mooie cirkelvor-

ook een extra opge-

mige omhullende te

legde trillende bewe-

krijgen, waarvan het

ging kan maken in zijn

middelpunt exact op de

lagers om het proces te

rotatie-as ligt.

verbeteren.

For further information on this subject, please contact Dr Hans Langen, phone +31 15 278 1887, e-mail h.h.langen@ tudelft.nl , or ir. Maarten Kimman, phone +31 (0)15 278 5550, e-mail [email protected].

Micro Micro


15

Microreactoren beloven re Procestechnologie krijgt trekken van de elektronica

Roterende schijfreactor waarbij via inlaten aan de rand zowel gas als vloeistof kan worden toegevoerd om een chemische reactie te laten verlopen. Dit is bijvoorbeeld een hydrogeneringsreactie, waarbij het gasvormig waterstof reageert met een vloeibare organische verbinding onder invloed van een katalysator op het draaiende schijfoppervlak. Hierbij worden verzadigde verbindingen gevormd, zoals alkanen, alcoholen, of amines.

Microreactoren, een technologie waarbij het om micrometers tot millimeters gaat, beloven een ware revolutie in de chemische procestechnologie teweeg te brengen. Door de verkleining van de afmetingen van de reactievaten kunnen de chemische processen veel beter worden gestuurd dan in de ‘macrochemie’ van vandaag en is het ook veel makkelijker om chemische processen aan elkaar te knopen. Dat betekent niet alleen minder verspilling van materiaal en energie, maar ook een veel flexibeler chemie, waarbij het overschakelen van het ene proces op het andere veel eenvoudiger zal zijn dan bij de huidige nogal starre ‘macrochemie’. Micro betekent echter niet dat slechts kleine hoeveelheden kunnen worden geproduceerd. DSM heeft in het Oostenrijkse Linz een fabriek staan waar met een microreactor 1700 kilo polymeerproduct per uur wordt vervaardigd. Prof.dr.ir. Jaap Schouten, als aanjager van het onderzoek naar microreactoren, plaveit aan de TU in Eindhoven de weg van deze beloftevolle techniek naar de praktijk. Inmiddels zijn er twee spin-off bedrijfjes actief geworden op de campus. Door Arno Schrauwers 16

Micro Micro


volutie in de chemie abstract

Het is een feit dat er al vaker revoluties zijn beloofd die nooit zijn waargemaakt. In de jaren ‘70 en ‘80 werd heilig geloofd in de grote mogelijkheden van membraantechnologie en destijds werd voorspeld dat de destillatietorens, waarin vloeistoffracties worden gescheiden, in tien jaar uit het ‘luchtruim’ van het Rotterdamse Rijnmondgebied zouden zijn verdwenen. Dat is niet gebeurd. Membraantechnologie is een niche-toepassing gebleven. Het is echter niet al te gewaagd te voorspellen dat dit lot de microreactortechnologie niet zal overkomen. Prof. dr.ir. Jaap Schouten, hoogleraar chemische reactortechnologie aan de Technische Universiteit Eindhoven, is wat voorzichtig, maar hij sluit niet uit dat microreactoren met een jaar of vijf in bepaalde sectoren van de chemische industrie vaste voet aan de grond zullen hebben gekregen. En dat over tien jaar de destillatietorens verdwenen zullen zijn? Schouten: “Die uitspraak zou ik niet voor mijn rekening durven nemen.” Procesintensificatie De Nederlandse overheid heeft net bekend gemaakt dat ze € 13,5 miljoen heeft uitgetrokken voor een actieplan om procesintensificatie (PI) in de Nederlandse procesindustrie versneld in te voeren. Microreactortechnologie zou je één van de ontwikkelingen kunnen noemen in die trend naar een compactere procestechnologie. Schouten bekent al een mogelijk onderzoeksvoorstel voor dit nieuwe programma beschikbaar te hebben. Daar is hij bedreven in geworden. Zo heeft Schouten ook geld gekregen voor onderzoek van MicroNed, heeft hij vorig jaar een grote Europese onderzoekssubsidie verworven en hij werd in 2006 Simon Stevin Meester, hetgeen hem ook nog eens een half miljoen aan onderzoeksgeld van STW opleverde. (Micro) reactortechnnologie of althans Jaap Schouten is heel populair bij de geldverstrekkers. Hoe weten we dat microreactortechnologie of procesintensificatie niet de volgende hypes zijn? Schouten: “Zo’n twee jaar geleden is de Europese Roadmap tot stand gekomen voor procesintensificatie. Verder is “chemie” door het Nationale InnovatiePlatform van premier Balkenende als sleutelgebied aangemerkt. Met dit nieuwe actieplan is procesintensificatie eindelijk daarbij ook voluit op de Nederlandse kaart terecht gekomen.” Chemiesector conservatief Schouten en zijn groep van vier wetenschappelijk medewerkers en zo’n 20 promovendi zijn geen luchtfietsers. Hij probeert met zijn onderzoek dicht in de buurt van de dagelijkse werkelijkheid te blijven. “Je moet wat je onderzoek betreft natuurlijk aan het front zitten. Het kan eigenlijk niet gek genoeg zijn, maar bijna alle projecten doen we samen met de industrie. De centrale gedachte is dat PI op zichzelf goed is, maar dat daar in de praktijk helaas toch maar weinig van terecht komt. We hebben hier in Eindhoven bijvoorbeeld het idee van de draaiende schijvenreactor opgepakt. Dat is mooi, zeggen bedrijven dan, maar zo’n ding wordt in de praktijk niet gebruikt.” >

English abstract Microreactors represent a new and highly innovative class of chemical process equipment that allows for chemical reactions to be carried out at so far unprecedented conditions. Microreactors are available in a wide range of sizes and materials, such as metal, glass or silicon, sometimes produced with cleanroom technology such as lithographic and etching techniques. Production of chemicals in these devices takes place continuously and in many parallel microchannels at the same time, allowing for reactions and operational windows that are almost impossible to realise in conventional size (batch) reactors. The small reaction volumes in these microchannels, ranging from microlitres to milliliters, permit an accurate control of the process that was hitherto unknown. Being able to mix, heat and cool very fast and extremely locally, allows “cutting corners” in the micro chemical process, as compared to conventional industrial processes. As a result chemical processes in microreactors have proven to be extremely controllable, flexible, economical and sustainable. Researchers at the Department of Chemical Engineering and Chemistry at the Eindhoven University of Technology in The Netherlands are developing a variety of new reactors to suit old (and new) chemical processes. Their portfolio includes not only microreactors, but also many other types of advanced reactor configurations for intensifying chemical reactions and processes. Microreactors, a far fetched hobby for scientists? Not at all, chemical corporation DSM replaced a 10 m3 batch reactor in their factory in Linz (Austria) by a microreactor of 65 cm length with a 3 liter reaction volume, which produces in flow some 1700 kilos per hour of a polymer product. For further information about this subject, please contact Professor Jaap Schouten, email [email protected], tel. +31 (0)40 247 3088

De huidige petrochemische industrie werkt op basis van grootschalige installaties voor kraak- en raffinageprocessen. Dergelijke processen kosten veel energie in de vorm van warmte. Technologen zijn het er over eens dat deze processen voor verbetering vatbaar zijn, niet alleen voor wat betreft de financiële kant voor de energierekening, maar ook wat betreft duurzaamheid. Er kan veel worden bespaard op de grondstoffen.

Micro Micro


17

In 2002 werd bij de vakgroep Chemische Reactor technologie van de Technische Universiteit Eindhoven een eerste prototype van een microreactor ontwikkeld.

Bovenaanzicht van de microreactor. Het reactiekanaal loopt door het midden van de chip; de aanliggende platina “bedradingen” vormen de verwarming en de temperatuursensoren. De reactor werd ontwikkeld om de reactiekinetiek te meten in de partiële oxidatie van methaan naar koolmonoxide en waterstof, zoals voor het maken van synthesegas dat ondermeer gebruikt wordt voor het produceren van schone diesel via Fischer-Tropsch synthese.

Microreactor ontwikkeld voor de selectieve oxidatie van koolmonoxide naar CO2, voor het beschermen van de katalysator in brandstofcellen. Het inlaatgas komt van een zogenoemde reformer, waarin methanol is omgezet naar onder meer waterstof. Dit gas wordt eerst afgekoeld in een warmtewisselaar voordat het naar de reactor wordt geleid, waar CO wordt omgezet naar CO2. De reactor is geïntegreerd met een tweede warmtewisselaar om de reactietemperatuur zo constant mogelijk te houden. Vervolgens wordt het gas verder afgekoeld met een derde warmtewisselaar tot 60 graden, de bedrijfstemperatuur van de brandstofcel.

18

Micro Micro


Het probleem is natuurlijk dat de chemische industrie in zijn aard erg conservatief is: de investeringen zijn groot en de levensduur van de installaties lang. Bewijs maar eens dat je het beter kan, is dan de argwanende houding. Schouten: “Dat is natuurlijk wel zo, maar bedrijven zijn wel degelijk bereid aan te schuiven bij veelbelovend onderzoek en hebben daar ook geld voor over. Ik ben er van overtuigd dat bijvoorbeeld microreactoren en ook andere nieuwe reactorconcepten langzamerhand hun plek wel zullen vinden. De introductie van microreactoren in de huidige procesvoering is relatief laagdrempelig, want het ruimtebeslag is klein en de kosten zijn nog alleszins beheersbaar. Opschaling van micro reactoren gebeurt onder meer door het parallel plaatsen van heel veel microkanalen en hele microreactorsystemen.” Waar hebben we het dan over? Hebben we het over kleine reactoren om de ontwikkeling van nieuwe processen te ondersteunen? Of hebben we het wel degelijk over reactoren waarmee ook in grote hoeveelheden geproduceerd kan worden? Tenslotte praat de grote chemie vaak in tienduizenden en zelfs honderdduizenden tonnen en niet in kilo’s die je met die microreactoren associeert? Schouten: “Het gaat wel degelijk ook over productie op commerciële schaal. DSM heeft in Linz een microreactor ontwikkeld samen met het Forschungszentrum in Karlsruhe, waarbij een geroerd vatreactor van 10 m3 is vervangen door een continue microreactor met 3 liter reactievolume die slechts 65 cm lang is. Daarmee heeft DSM een systeem waarmee zo’n 1700 kilo polymeerproduct per uur wordt vervaardigd. Dat is toch niet gering. Het risico dat DSM liep, was vrij klein want de originele reactor had zo weer kunnen worden teruggeplaatst.” Betere procesbeheersing De argumenten om de procestechnologie te miniaturiseren, we praten dan over reactiekanaaltjes van enkele tienden van millimeters (=honderden micrometers), liggen vooral in de betere procesbeheersing die er in microreactoren mogelijk is. Schouten: “Menging van reactanten in de huidige conventionele procesapparatuur is vaak niet optimaal, door bijvoorbeeld lokaal tè lage turbulentie, waardoor je een te lage opbrengst krijgt of producten die je niet wilt hebben. Veiligheid is ook een belangrijk aspect, want de microtechnologie is inherent veiliger dan de conventionele techniek. Door de betere procesvoering is het ook mogelijk met minder oplosmiddel te werken en om de energierekening te reduceren. Kortom, er zijn allerlei argumenten die voor de toepassing van microreactortechnologie spreken.” Er zijn natuurlijk ook argumenten tegen. Is het niet voor de hand liggend dat de risico’s van verstopping bij microreactoren, met die dunne kanaaltjes waar de vloeistoffen en gassen door moeten, veel groter zijn dan in de macrochemie? “Dat is natuurlijk waar”, beaamt de reactortechnoloog, “en het

(afbeeldingen: Velocys Inc.)

is ook echt niet zo dat microreactoren te allen tijde de beste oplossing vormen. Er zijn bepaalde productieprocessen die niet of veel minder geschikt zijn, al is er in veel gevallen wel een adequate oplossing te verzinnen. Je zou bijvoorbeeld een methode kunnen bedenken om specifieke processtappen, waarbij vaste stoffen voorkomen in grotere (milli-)eenheden uit te voeren. Of je kan gebruik maken van de zogeheten Taylorstroming, waarbij je vaste stoffen onderbrengt in een afgesloten vloeistofvolume, wat dan plugsgewijs door de kleine kanaaltjes stroomt. Wat je niet moet doen, is onderdeel voor onderdeel vervangen. Al helemaal niet in de farmaceutische industrie die sterk gebonden is aan de regels van de Amerikaanse medicijnen- en voedingsautoriteit FDA. Je zult een systeembenadering moeten hanteren waarbij je processtappen verzint en waarmee je zoveel mogelijk dit type problemen al in een vroegtijdig stadium van het reactorontwerp vermijdt.” Microreactoren maken volgens de Eindhovense hoogleraar een scala aan nieuwe toepassingen mogelijk die met de huidige batchprocessen (niet-continue processen) moeilijker of zelfs helemaal niet zijn te realiseren. “Je kunt soms toe met minder processtappen, doordat je vaker proceshandelingen kunt combineren of zelfs helemaal uitsluiten. Bij een batchproces maak je een product, dat zet je vervolgens op het schap en dat hoop je te verkopen. Met continue processen, microreactorprocessen zijn altijd continu, kun je de productie veel beter aan de vraag aanpassen, kan je dichter bij de klant gaan zitten of misschien zelfs de productie aan de klant overlaten. Procesbewerkingen en reactiestappen kan je in microreactoren veel beter integreren door, bijvoorbeeld, in bepaalde secties te koelen of op diverse plaatsen katalysatoren (reactieversnellers; AS) aan te brengen, afhankelijk van het procesverloop. Je kunt bijvoorbeeld ook zeer snel opwarmen met microgolven.” Zo geschetst lijkt het er op dat de chemische technologie de elektronica achterna gaat met een soort chemische ‘schakelingen’ waarin de diverse chemische en fysische handelingen plaatsvinden en naar behoeften te combineren zijn. Schouten wil die analogie wel onderschrijven. Wild werk U had het in een recent interview over het ‘wilde werk’ dat elke academische onderzoeker in een deel van zijn tijd zou moeten mogen doen, maar het werk dat u met uw onderzoeksgroep doet, lijkt allesbehalve wild. U richt zich op de industrie en die is, hebben we al geconstateerd, redelijk conservatief en dus niet erg in voor rare bokkensprongen. “Ik heb dat gezegd, en dat proberen we ook te doen, maar daarbij richten we ons ook op de industrie. We zijn nu eenmaal een technische universiteit. We hebben hier in mijn groep twee grote onderzoekslijnen of eigenlijk drie. Eén lijn is die van de >

Onderzoekers bij het Amerikaanse bedrijf Velocys Inc, ontwikkelaars en bouwers van microreactoren, hebben de investingskosten berekend van de conventionele installaties voor de productie van waterstof door het reformen van methaan, versus dezelfde opbrengst met microreactoren. De conclusie is dat voor de beoogde productiecapaciteit microreactortechnologie economisch voordeliger is. De omvang van de microreactorinstallatie (rechts) is ongeveer 10 procent van die van de conventionele installatie (boven).

Eindhovense microreactor uit 2004 voor het snel testen en vergelijken van de activiteiten van verschillende katalysatoren voor specifieke chemische reacties. De katalysatoren, bijvoorbeeld met verschillende metalen als palladium, platina of nikkel, worden in verschillende kamers in de reactor ondergebracht. In de monsterkamer aan het uiteinde van de reactor wordt met drie probes per katalysatorkamer de gassamenstelling gemeten. De geoctrooieerde stromingsverdeler wordt thans door een commerciële partner uitgetest.

In het kader van een Nederlands-Russisch NWO-project ontwikkelde de groep van professor Schouten in 2006 een microreactor voor de verbranding van hydrazine, raketbrandstof en noodbrandstof voor gevechtsvliegtuigen. De reactor is met succes getest door het Boreskov Instituut voor Katalyse in Novosibirsk.

Micro Micro


19

De Eindhovense reactortechnologen hebben in 2005 een nieuw toepassingsgebied gekozen voor de ontwikkeling van hun microreactoren. Beperkten de vorige modellen zich voornamelijk tot gasfa-

50 µm

sereacties, de nieuwe reactoren zijn ook geschikt voor onder meer gas/vloeistof-processen. Deze processen verlopen in een rechthoekig microkanaal,

50 µm

waar men op micropaaltjes koolstof nanovezels heeft laten groeien. Op de nanovezels, die een enorm oppervlak hebben, is een katalysator aangebracht. In dit door MicroNed gefinancierde project, wordt samengewerkt met de onderzoeksgroepen

3

van prof.dr. Han Gardeniers en prof.dr.ir. Leon

µm

Lefferts uit Twente (MESA+). De TU/e-reactortechnologen ontdekten bijzondere effecten van de microschaal bij stroming van gassen en vloeistoffen door een ondiep kanaal vol met micropaaltjes: de afstand tussen de micro paaltjes blijkt van grote invloed op het stromings-

microgestructureerde reactoren die vooral bedoeld zijn voor toepassingen in de fijnchemie en farma. Daar tegenaan zit de lijn van onderzoek op het gebied van gestructureerde katalysatoren die we aanbrengen op verschillende dragermaterialen zoals bijvoorbeeld koolstof of metaalschuimen. De derde onderzoekslijn is die van de draaiende reactoren, waarbij twee schijven, al of niet in stapeling, ten opzichte van elkaar draaien op een afstand van zo’n 1 mm.”

gedrag. Bij 17 μm afstand tussen de paaltjes werd

2 µm

het stromingsbeeld waargenomen als in een leeg kanaal, terwijl bij een afstand van 7 μm een chaotisch patroon zichtbaar werd (‘trickle flow’).

Overdracht versnellen Chemisch technologen houden toch niet van draaiende dingen? “Dat lijkt misschien zo, maar in een chemisch proces heb je bijvoorbeeld altijd pompen nodig, waarin ook draaiende delen zitten. Je kunt dan een paar dingen in elkaar schuiven en bovendien kun je gebruik maken van, bijvoorbeeld, een verliespost als de turbulentie, die je juist in een chemisch proces goed kunt gebruiken voor verbetering van de menging of stofoverdracht. Zo is de overdracht van de gasfase naar de vloeistoffase vaak een remmende factor in de voortgang van een proces. Als je die overdracht kunt versnellen, kun je ook met een kleiner systeem toe, tot soms zelfs een factor veertig. Onze rotating chemical

(Afbeelding: H. R. Sahoo, J. G. Kralj and K. F. Jensen, “Multi-step continuous flow microchemical synthesis involving multiple reactions and separations,” Angew. Chemie Int. Ed. 46, 5704 –5708 (2007)

Een praktijkgeval Micronit, Flowid en FutureChemistry, drie jonge bedrijven ontsproten uit nabijgelegen universiteiten die zich op de microreactortechniek richten, hebben onlangs met succes een chemisch batchproces ‘omgebouwd’ tot een continu proces. Het gaat om de zogeheten PaalKnorr-reactie waarbij de vorming van reactiewarmte in het conventionele (discontinue) batchproces voor problemen bij de procesvoering zorgt. De microreactortechniek

Professor Klavs Jensen, de microreactor-goeroe van MIT, voorziet netwerken waarin microreactoren bijna onbeperkt modulair kunnen worden gekoppeld aan verschillende procesfuncties, zoals bijvoorbeeld menging, verwarming, of scheiding, zoals in deze figuur wordt geïllustreerd.

20

Micro Micro


Deel van de testfaciliteiten in het lab van Flowid in Eindhoven.

Liquid Gas plant, de chemische fabriek op een draaiende as, is èn pomp èn reactor èn scheidingsapparaat ineen waarbij de draaiing van de schijven voor allerlei zaken wordt gebruikt: voor de menging, voor verbetering van het transport, en dus de reactiesnelheid, voor scheiding van componenten enzovoort, maar de schijven kunnen daarbij ook worden gebruikt voor elektrochemische deelstappen in een proces. In een klassiek proces vinden die stappen meestal achter elkaar plaats, een belangrijke gedachte van procesintensificatie is dat je processtappen efficiënt wilt integreren. We laten nu in samenwerking met de Zweedse apparatenbouwer Alfa Laval een grote schijvenreactor bouwen. We hebben al eerder zelf een kleinere versie ontworpen die we door een bedrijf hier in de omgeving hebben laten bouwen, overigens onder supervisie van onze eigen technici uit onze werkplaats. Wij hebben het concept van de draaiende schijvenreactor zelf opgepakt en zijn met een Engelse onderzoeksgroep de enige in Europa die aan dit type roterende reactoren werkt. John van der Schaaf, een universitair hoofddocent in onze groep, heeft zelfs het idee om een soort modulaire ‘jukeboxreactor’ te maken, waarbij delen van het systeem, denk hierbij aan katalytisch-actieve schijven, gemakkelijk vervangen kunnen

Liquid

Microreactor op basis van silicium, waarin een micromenger (centrum) en een reactiekanaal zijn geëtst. Dit type reactor wordt veel toegepast voor het experimenteren met chemische racties op microschaal. De reactiekanalen kunnen door de gebruiker vrij makkelijk worden voorzien van een katalytische coating. liquid static hold-up, gas hold-up, gas-liquid mass transfer, pressure drop, flooding limits, bubble & slug sizes, bubble & slug rise velocities, gas & liquid axial dispersion

30 x 30 x 1 cm In 2002 startte de Eindhovense groep een nieuwe onderzoekslijn waarin vaste schuimmaterialen worden toegepast als drager voor katalysatoren in gas-vloeisto-

biedt in vergelijking met discontinue (batch)processen grote voordelen op het gebied van procesbeheersing, opschaalsnelheid en ruimtebeslag. In minder dan 200 uur werd het proces omgezet naar flowchemie op microliterschaal en vervolgens opgeschaald tot de milliliterschaal. Volgens Wouter Stam van Flowid uit Eindhoven, verantwoordelijk voor het opschaalproces, is daarmee ook aangetoond dat alle reactie- en procesbepalende parameters behouden blijven, zodat ook een verdere opschaling naar de, commerciële, literschaal geen probleem is. Bij dit project was Micronit uit Enschede verantwoordelijk voor het reactorontwerp en heeft FutureChemistry uit Nijmegen het batchproces ‘vertaald’ in een stroomproces. Het project was voor de drie ‘academische’ bedrijven een vingeroefening, maar Stam stelt dat de benadering in een commercieel project niet anders is. Voor dit project, waarbij de drie bedrijven samenwerken in het consortium Access2Flow, is volgens de chemisch technoloog de belangstelling uit de industrie groot. “Tot nu hebben we zo’n 18 bedrijven over de vloer gehad, waaronder alle grote chemische en farmaconcerns. Het gaat daarbij vooral om processen in de fijnchemie en de farma.”

freacties. Vaste schuimen (solid foams) hebben een groot geometrisch oppervlak en zijn gemaakt van metaal, koolstof of keramiek. Ze hebben grote, onderling verbonden poriën van 250 μm tot soms wel 5 mm, waar gassen en vloeistof doorheen kunnen stromen. Links staat een pilot scale reactoropstelling waarin platen schuim van 30 cm x 30 cm (rechts) zijn geplaatst. Hierin worden gas en vloeistof in mee- of tegenstroom door het schuim gepompt.

nickel covered

100µm µm 100 100 µm

10 µm

Close-up van de harde schuimstructuur waarop nikkel is afgezet (links). Het nikkel dient als kiem voor het laten groeien van koolstof nanovezels. Koolstofbevattende gassen, zoals etheen, adsorberen en ontleden op de nikkeldeeltjes ter grootte van nanometers, waarna de koolstofatomen door het nikkel diffunderen en aan de onderzijde van de deeltjes neerslaan en grafietlagen vormen. Zo groeit er een dicht “bos” van koolstof nanovezels op de schuimstructuur (“hairy foam”; rechts). Deze vezels hebben een groot oppervlak en fungeren als drager voor metalen

>

katalysatordeeltjes.

Micro Micro


21

Activated Activated carbon carbon Internal Internal area area

Washcoat Washcoat Flow

Flow

Pore diffusion!! Pore diffusion!! Surface Surface area area

Flow

Flow

Hydrodynamic Hydrodynamic accessibility!! accessibility!!

Only surface Only surface area area

Hairy Foam Hairy Foam

Hairy Foam Hairy Foam

In klassieke reactoren bevindt de katalysator zich in de poriën van de grote deeltjes (honderden micrometers tot millimeters) actieve koolstof (boven). Dat beperkt

worden door andere modules, afhankelijk van het gewenste product. We gaan waarschijnlijk ook nog een projectvoorstel, specifiek gericht op deze roterende schijfsystemen, indienen in het nieuwe PI-programma. Hopelijk wordt dat gehonoreerd. Dan kunnen we verder.”

de reactie tussen de katalysator en de langsstromende vloeistof. Daarentegen stroomt vloeistof relatief gemakkelijk door het “bos” van de koolstof nanovezels op de schuimstructuur (onder). De metalen katalysatordeeltjes op de vezels zijn daardoor in direkt contact met de stromende vloeistof. Recent werk in de groep van prof. Schouten bevestigt dit oorspronkelijke idee.

De harde schuimstructuur met daarop de katalysatordeeltjes kan eenvoudig worden aangebracht op de bladen van roerders in reactoren. Groot voordeel is dat de schuimroerders snel en gemakkelijk gewisseld kunnen worden, zodat achter elkaar in dezelfde reactor verschillende reacties en processen kunnen worden uitgevoerd. Tevens hoeven katalysatordeel-

Micropaaltjes Wat al wel gehonoreerd is, is de onderzoekssubsidie van MicroNed. In dat project werkt de groep van Schouten ondermeer samen met prof.dr. Han Gardeniers van het MESA+ nano-instituut van de Universiteit Twente en met het bedrijf LioniX in Enschede, dat zich bezighoudt met microsysteemtechnologie. Het doel van dit onderzoek is de zogenoemde pillared microreactor te ontwerpen die een grotere productiesnelheid heeft dan conventionele microreactoren zonder pilaartjes. Daarbij is, zoals eerder gesteld, de transportsnelheid van reactanten vaak de bepalende factor. De vraag is dan hoe je deze reagerende stoffen zo snel mogelijk bij de katalysator krijgt. De pillared microreactor bestaat uit kanalen die zijn bezaaid met micropaaltjes. Daaromheen worden koolstof nanovezels gedrapeerd waarop de ‘katalysator van dienst’ is aangebracht. Welke katalysator, is natuurlijk afhankelijk van de soort reactie die versneld moet worden. MESA+ is verantwoordelijk voor de fabricage van de reactoren. Schoutens Twentse collega prof.dr.ir. Leon Lefferts is bij het project betrokken vanwege zijn kennis op het gebied van nanokoolstofvezels; Schouten en zijn groep “doen” het reactorontwerp. Schouten: “De pillared reactor is een mooi systeem, waarbij

tjes niet uit een slurry te worden gefilterd.

In 2006 startten prof.dr.ir. Jaap Schouten en dr.ir. John van der Schaaf in Eindhoven met onderzoek naar de ontwikkeling van een nieuw type reactor, de roterende schijfreactor. Het onderzoek wordt gefinancierd uit de Simon Stevin Meester prijs die Schouten in 2006 ontving van de Technologiestichting STW. In 2008 werd dat onderzoek verder uitgebreid met financiering vanuit de prestigieuze Advanced Grant van de European Research Council die Schouten in dat jaar ontving. De bovenste figuur toont een rotor-stator reactor, waarbij een schijf ter grootte van een CD snel ronddraait in een vaste behuizing waarin aan de rand gas en vloeistof

De rechter foto toont een naar het centrum van de rotor spiraliserende

worden ingelaten. Bij lage rotatiesnelheden zijn duidelijk drie lagen zichtbaar in de

stroom van gasbelletjes die van het inlaatpunt aan de rand van de schijf

vloeistof tussen de rotor en de stator. (Foto links))

worden afgeslagen door de snel ronddraaiende vloeistof.

22

Micro Micro


Meervoudige sets van roterende schijven kunnen boven elkaar worden geplaatst waarbij uiteindelijk een complete chemische fabriek op een draaiende as wordt verkregen. De verschillende sets van ronddraaiende schijven vervullen verschillende procesfuncties, zoals menging van gassen en vloei-

je ook nog eens kunt overwegen de paaltjes poreus te maken, zodat je via die paaltjes gas kan toevoeren. Hier zie je weer de voordelen om de kanaaltjes in sectoren te kunnen verdelen waar diverse ‘bewerkingen’ of reacties plaatsvinden. Wij houden ons bij dit project o.a. bezig met hydrogeneringsreacties, reacties waarbij waterstof zich verbindt met organische stoffen, maar de microreactor moet een generiek ding zijn, dat met allerlei typen reacties uit de voeten kan.”

stoffen, verpompen van vloeistoffen, verwarming en koeling van vloeistof en gas via de schijven, katalytische reactie m.b.v. een katalysator op de schijven, en scheiding van componenten door extractie of destillatie. De verwachting is dat volumeverkleining ten opzichte van klassieke reactoren scheidingssystemen met tientallen procenten of zelfs veel meer mogelijk is. DSM heeft in haar fabriek in het Oostenrijkse Linz een microreactor in bedrijf genomen voor de productie van een grondstof voor onder andere coatings. Op de achtergrond hangt het oude geroerde vat van 10 m3 dat is vervangen door de microreactor met een intern reactievolume van 3 liter. Ondanks de beperkte afmetingen van 65 x 35 x 25 cm heeft deze door het Forschungszentrum Karlsruhe ontwikkelde micro reactor een productiecapa-

(Foto: DSM)

Samenwerking met industrie We hebben er niet over gehad, maar het hoge woord moet er toch uit: geeft die intense samenwerking met de industrie voor een onderzoeker geen problemen? Een bedrijf wil de nieuwe kennis vooral voor zichzelf houden, terwijl een onderzoeker liever vandaag dan morgen publiceert en promovendi er natuurlijk aan gehouden zijn in vier jaar te promoveren aan de hand van een proefschrift met resultaten. Schouten heeft nooit problemen ondervonden. “Je moet dat natuurlijk goed afspreken en wanneer een bedrijf geheimhouding zou eisen, dan zou dat voor mij een reden zijn om het project niet in die vorm te doen. Je kunt allerlei constructies verzinnen, want het is denkbaar dat een bedrijf bepaalde informatie niet naar buiten wil hebben, die voor het bedrijf wèl, maar voor de onderzoeker niet wezenlijk is. Dan zou dat kunnen. Of wanneer een bedrijf wil experimenteren met de opstelling voor eigen toepassingen. Ook dat is mogelijk, maar dan betalen die bedrijven wel de gebruikelijke commerciële tarieven. Ook over het industrieel eigendom moet je goede afspraken maken. Voor ons is duidelijk: wij doen wetenschappelijk onderzoek en de samenwerking met een bedrijf mag daarbij niet beperkend zijn.” Die samenwerking is ook van belang omdat de groep van Schouten vooral met experimentele opstellingen werkt die nogal in de papieren lopen. “Dan praat je over tonnen. We gebruiken weinig computers omdat de microreactoren nog niet bijster goed onderzocht zijn en de simulaties nog niet al te hoge voorspellende waarde hebben. We gebruiken wel standaard CFD-pakketten bij het reactorontwerp, maar metingen in de praktijk zullen toch moeten leren hoe het ècht in elkaar zit.” Dat zijn werk ook internationaal aanslaat bewijst de komst in 2005 als deeltijdhoogleraar naar Eindhoven van de, in kringen van microreactoren, wereldberoemde prof.dr. Volker Hessel van het Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM). Hij is een week in de maand in Brabant. “IMM is toonaangevend in Europa en het was mooi om hem hier binnen te halen. Dat is toch een impliciete erkenning voor het werk dat we hier doen als groep.” <

citeit van 1700 kg per uur. De reactanten worden met elkaar in contact gebracht in tienduizenden microkanalen.

oM (Fot

icro

nit M

ic

uidic ro f l

s, En

sc h e

de)

De productiecapaciteit van microreactoren kan makkelijk worden vergroot door de reactoren te stapelen. Deze stapeling van 10 parallelle reactoren, ontwikkeld en geproduceerd door technologiebedrijf Micronit Microfluidics in Enschede, wordt momenteel geëvalueerd door DSM Pharmaceutical Products. De reactoren zijn opgebouwd uit verschillende lagen glas, waarin met behulp van lithografie technieken en poederstralen kanalen zijn gemaakt. De verschillende lagen worden

Voor nadere informatie over dit onderwerp, kunt u contact opnemen met

uiteindelijk met een thermisch proces to één grote reactor van 100 milliliter

prof.dr.ir. Jaap Schouten, e-mail [email protected]

samengevoegd.

Micro Micro


23

Kleine en trillingsvrije puntkoeler ook in trek bij astronomie vanaf satellieten

Koeling op de punt van een

De versterkers en filters in de zendmasten van mobiele telefoonnetwerken zijn heden ten dage niet-aktief gekoeld. Worden deze wel actief gekoeld tot extreem lage temperaturen (-173 °C) dan schieten de prestaties drastisch omhoog. In gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid kan met dezelfde dichtheid van zendmasten een veel hogere capaciteit worden bewerkstelligd. In gebieden met een lage bevolkingsdichtheid, zoals Australië, kan het koelen worden gebruikt voor een beter bereik, dus minder masten per oppervlak.

24

Micro Micro


naald Een koeler die niet groter is dan de microchips en sensoren die gekoeld moeten worden, die met minimaal inputvermogen temperaturen kan bereiken tot 4K (minus 269 °C) en die ook nog eens trillingsvrij is. De onderzoeksgroep ‘Cooling and Instrumentation’ van de Universiteit Twente kreeg het voor elkaar om micro- en sorptiekoeling te integreren. De vinding, die circa dertig mensjaren onderzoek en ontwikkeling vergde, wordt geëxploiteerd door spin-off Kryoz Technologies BV. abstract

door Joost van Kasteren

“Een van de grote toepassingsgebieden is telecommunicatie”, zegt dr. ir. Pieter-Paul Lerou, directeur van het vorig jaar opgerichte bedrijf. “Samen met Universiteit Twente ontwikkelen we een microkoeler voor gebruik in antennes voor mobiele telefonie. Als je de eerste versterkertrap in die antennes koelt, neemt de signaal-ruisverhouding toe en kunnen er meer telefoons via de antenne communiceren. Voor Australië is dat vooral interessant omdat ze dan minder antennes per vierkante kilometer oppervlak nodig hebben. Voor West-Europa betekent het dat je de enorme groei in mobiele communicatie kunt opvangen zonder het aantal antennes evenredig uit te moeten breiden. Gezien de bezwaren die leven tegen plaatsing van antennes, is dat aantrekkelijk voor telecombedrijven.” Hersenactiviteit Naast telecommunicatie zijn er vele andere toepassingen waarbij het trillingsvrij koelen van elektronische circuits en sensoren tot betere prestaties leidt. Bijvoorbeeld het detecteren van zwakke infrarood- of röntgenbronnen in het verre heelal. Microkoelers kunnen ook worden gebruikt voor het koelen van SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) tot temperaturen waarbij supergeleiding optreedt. Met SQUIDs kunnen heel kleine magnetische signalen worden opgespoord. Ze worden onder meer gebruikt in de medische diagnostiek bij het meten van hartsignalen van een foetus of het detecteren van hersenactiviteit. “Ruim tien jaar geleden liepen we tegen het probleem aan dat de apparatuur voor het koelen van microsystemen relatief groot is”, vertelt prof. dr. ir. Marcel ter Brake, universitair hoofddocent bij de lage temperatuurdivisie van IMPACT, Institute of Mechanics, Processes and Control van de Universiteit Twente en tevens deeltijdhoogleraar microtechnieken aan de TU Eindhoven. “Wanneer je een sensor met een doorsnede van een paar millimeter wilt koelen tot de temperatuur van vloeibare stikstof, dan heb je een koelmachine nodig die inclusief behuizing een omvang heeft van om en nabij tien liter. In 1997 hebben we daarom, samen met prof. Miko Elwenspoek en prof. Horst Rogalla, een STW-beurs aangevraagd en gekregen om na te gaan of we de Twentse expertise op het gebied van de micromechanica konden gebruiken om in ieder geval delen van een koelmachine te verkleinen.” >

Vibrationless microcooler for more efficient electronics A cooling unit, not much larger than the microchips and the sensors that are to be cooled to 100K (minus 173 °C). The latest model has a smart closed loop gas supply based on cyclic ad- and desorption of the gas by active carbon. And because it doesn’t have moving parts it is free from vibrations. That is the result of thirteen years of research at the Low Temperature Division of the Institute of Mechanics, Processes and Control (IMPACT) at the University of Twente. Active cooling of electronics can be extremely beneficial to signal amplifiers in transmitters of mobile networks or to spectrometers in satellites, used for the detection of far-off X-ray sources in the Universe. A properly cooled telecom transmitter will produce a much stronger signal, while the overall power consumption will only be slightly higher. It would reduce the number of transmission towers necessary to cover a particular area. The European Space Agency ESA has shown an interest too, because they might be able to leave out huge helium tanks from the next generation space telescopes. IMPACT is also directly involved with SKA, a new method of radio astronomy using a square kilometer array of antennas. Even SQUIDS, used in brain research, might benefit from microcoolers, resulting in better quality images of the human heart or brain. Kryoz Technologies BV, a spin-off company of the university, is to commercialise the patented technology. For further information about this subject, please contact Dr Pieter-Paul Lerou, phone +31 6 532 514 59, e-mail pieter.lerou@ kryoz.nl or Professor Marcel ter Brake, phone +31 53 489 4349, e-mail [email protected]

Micro Micro


25

(Foto: ESA and the SPIRE Consortium)

Beelden van het verre infrarood gebied van sterrenstelsel M74 bij drie verschillende golflengtes. De opnames werden op 19 juli 2009 gemaakt met de recent gelanceerde Herschel-telescoop van ESA. Deze golflengtes zijn het equivalent van de kleuren blauw, groen en rood in het zichtbare spectrum. De beelden zijn bewerkt om de uitgebreide structuur en de details in de achtergrond van het sterrenstelsel goed naar voren te laten komen. Bij een golflengte van 250 micron is het beeld het scherpst. Het gecombineerde beeld stelt astronomen in staat aan de eigenschappen rekenen van het uitgestoten stof. Röntgenopname van N132D, restanten van een (Afbeelding: NASA/SAO/CXC)

gigantische geëxplodeerde ster in de Grote Magelhese Wolken, onderdeel van ander sterrenstelsel en op een afstand van 180.000 lichtjaren van de aarde. De beelden zijn gemaakt door de Chandra satelliet die in juli 1993 door NASA werd gelanceerd. De verschillende kleuren vertegenwoordigen verschillende gebieden uit het röntgenspectrum, waarbij rood, groen en blauw voor

(Afbeeldingen ESA /AOES Medialab)

resp. laag, gemiddeld en hoge röntgenenergie staat.

Artist impression van de Europese

Tekening van Herschel’s heliumtank

satelliet Herschel die 14 mei 2009 door

met daarop de drie wetenschappelijke

ESA werd gelanceerd. Deze (ruimte)

instrumenten. Over de instrumenten

telescoop heeft met haar 3,5 meter

wordt een kap aangebracht, waar-

de grootste spiegel ooit in de ruimte.

binnen een cryostaat wordt gevormd.

Het licht uit deze telescoop valt op

De tank bevat 2367 liter liter super-

drie wetenschappelijke instrumenten,

vloeibaar helium en is daarmee het

waaronder een spectroscoop. Deze

grootste onderdeel van de satellite.

zogenoemde HIFI, ontwikkeld door een

Het gebruik van de Twentse koeltech-

consortium onder leiding van de SRON

niek zou zonder verlies van presta-

in Groningen, is tijdelijk buiten wer-

ties van de instrumenten een enorme

king. De telescoop bestrijkt het spec-

reductie in omvang en het gewicht van

trum van het verre-infrarood tot het

de satelliet kunnen hebben gehad.

sub-millimeter gebied en wordt ingezet om de koudste en verstverwijderde objecten van het Heelal te bestuderen. Dit is vanaf de aarde niet mogelijk is vanwege dampkring. Om de instrumenten te beschermen en zo gevoelig mogelijk te houden, worden ze met supervloeibaar helium gekoeld tot -273 °C (0,3°C boven het absolute nulpunt).

26

Micro Micro


Trillingen Resultaat van dit eerste project was een prototype microkoeler, geëtst in silicium. Daarbij werd gebruik gemaakt van een expanderend gas dat met glazen buisjes werd aangevoerd. Door drukverlaging daalt de temperatuur dusdanig dat het gas vloeibaar wordt. Het daarop volgende verdampingsproces onttrekt warmte aan de omgeving, die daardoor wordt gekoeld tot (in dit prototype) een temperatuur van 165K (-104°C). Ter Brake: “Eigenlijk is de koelcyclus vergelijkbaar met die van een gewone koelkast, waarbij ook steeds warmte wordt onttrokken door verdampen van het koelmiddel.” Waar de gewone koelkast en vriezer zijn uitgerust met een intermitterend snorrende elektromotor om de dampfase te comprimeren, was dat bij de microkoeler absoluut uit den boze, omdat de bijbehorende trillingen de werking van de te koelen elektronische circuits en sensoren zou verstoren. Ter Brake: “Daarom hebben we gekozen voor sorptie om het gas te comprimeren. Als compressor gebruiken we actieve kool, een materiaal dat een groot inwendig oppervlak heeft en waar je dus veel gas in kunt opslaan. Adsorptie is een fysisch proces; er treedt geen chemische reactie op tussen het werkgas en de actieve kool (zoals wèl het geval is bij chemische absorptie), zodat het materiaal ook niet degradeert. Door de actieve kool te verwarmen, desorbeert het gas en kun je een hoge druk opbouwen. Door het vervolgens te laten expanderen, koelt het zo sterk af dat het vloeibaar wordt.” Microsatelliet De ontwikkeling van de microkoeler en de compressor gebaseerd op sorptie werd enkele jaren geleden gecombineerd in een onderzoeksproject dat is uitgevoerd in het kader van het MicroNed-programma. De focus lag daarbij op het ontwikkelen van koelsystemen voor microsatellieten, een project van de Faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft. Ter Brake: “Microsatellieten of zelfs nanosatellieten zijn een goedkope optie voor ruimtevaartmissies. De vraag voor ons was echter wat er gebeurt met de warmtebalans van de satelliet wanneer je hem kleiner maakt. De kans is zeer groot dat die kritisch wordt voor een aantal onderdelen van de satelliet. Een microkoeler zou dan uitkomst kunnen bieden.” De combinatie microkoeling en ruimtevaart kwam niet helemaal uit de lucht vallen. Tussen 2003 en 2006 voerde de groep van Ter Brake een onderzoeksproject uit voor het Europese Ruimtevaart Agentschap (ESA). Zij zijn (in 2008 kwam er een vervolgproject) geïnteresseerd in het gebruik van trillingsvrije koelmachines voor spectroscopen die op zoek zijn naar infrarood- en röntgenbronnen in het heelal. Hoe kouder de detector in de spectroscoop, hoe beter de signaal-ruisverhouding en hoe groter de kans op detectie. Mede naar aanleiding van het door MicroNed gefinancierde project, waarin een postdoc kon worden aangesteld, werd begonnen met de integratie van de microkoeler en de sorptiecompressor tot een koelsysteem met een formaat ter grootte van een halve liter. Het gaat om een gas-vloeistof systeem, waarbij actieve kool fungeert als medium om druk op te bouwen en waarbij twee buffervaten zorgen voor tussentijdse

106

opslag, respectievelijk onder hoge en onder lage druk. Een opmerkelijk attribuut is de warmtewisselaar, waarin het gas onder hoge druk vòòr het expandeert, wordt afgekoeld door het terugstromende lage druk gas. Drie plaatjes glas Zoals gezegd bestond het eerste prototype van de koeltip uit een combinatie van silicium met glazen buisjes voor het gastransport. Deze koeler was ingewikkeld om te maken, maar leverde wel het bewijs dat je een microscopische kleine koeltip kon maken, die trillingsvrij kon worden gekoeld tot temperaturen in de orde van 160K. De volgende stap was het thermodynamisch optimaliseren van de microkoeler, iets waarmee ir. Pieter-Paul Lerou zich de afgelopen jaren mee heeft belast. “De thermodynamica van het geheel is tamelijk kritisch”, zegt Lerou. “Het bruto koelvermogen ligt in de orde van 40 milliwatt en voor het realiseren van de daadwerkelijke koeling heb je een netto vermogen nodig in de orde van 20 milliwatt. Dat betekent dat je thermische verliezen ook niet groter mogen zijn dan 20 milliwatt, want anders loop je het risico dat er geen of te weinig gas condenseert en haal je de vereiste temperatuur niet.” Het thermodynamisch optimaliseren leidde tot een bepaalde geometrie van de microkoeler en tot gebruik van bepaalde materialen. Of beter gezegd, één materiaal, namelijk glas, een goede thermische isolator. In de uiteindelijke uitvoering bestaat de koeler uit drie plaatjes glas met een lengte van 17 millimeter die op elkaar zijn gestapeld. Warm gas (kamertemperatuur) wordt onder hoge druk via een kanaaltje in het bovenste laagje glas naar de koeltip geleid, waarbij in het glas ook nog een uitstroomopening is geëtst. Vanuit de koeltip stroomt het koude gas onder lage druk door een kanaal in het onderste glasplaatje. Tussen de twee glasplaatjes waar het lage-druk respectievelijk hoge-druk gas doorheen stroomt, bevindt zich een derde – heel dun - glasplaatje, dat dankzij contactgeleiding fungeert als warmtewisselaar tussen de beide gasstromen.

102 100 Intrinsieke ruis van een

10-2 10-4

optische detector op basis van silicium.

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 Temperature (K)

Een voorbeeld van commercieel verkrijgbare koelers. Deze koelers zijn met name ontwikkeld voor militaire toepassingen en hebben koelvermogens in (Foto: Thales Cryogenics, Eindhoven)

Dark current (e –pixel/s)

104

het bereik van 0,1 tot 10 watt bij een temperatuur van 80 K. Voor elektronische circuits met dissipatie in het milliwatt-gebied zijn dergelijke koelers nogal overgedimentioneerd.

4

1

2

3

Schematische weergave van een zogenoemde

5

Linde-Hampson sorptie-

8 10

cyclus, met Joule-Thomson expansie. De actieve kool bevindt zich in de con-

9 P H

6

tainer (1) die middels een

7

gas-gap (3) gescheiden is

P

van de warmte-opnemer

L

(5). In de gas-gap actuator (2) bevindt zich een kleine hoeveelheid kool met een speciaal geselecteerd contactgas. Door de

13

kool te verwarmen, komt het contactgas vrij dat de gap vult en zo goed ther-

Enige ter wereld Het maken van de microkoeler is geen sinecure. Het gebeurt bij Micronit Microfluidics BV in Enschede, een bedrijf dat is opgericht door een aantal afgestudeerden van de Universiteit Twente en gespecialiseerd is in ontwerp, ontwikkeling en fabricage van microfluidics devices, onder andere voor ‘labs on a chip’. Micronit R&D-manager dr.ir. Marko Blom: “We maken gebruik van één soort glas om te voorkomen dat er spanningen optreden door verschil in uitzettingscoëfficiënt. Voor elk laagje hebben we een afzonderlijke wafer; drie wafers in totaal dus. Er zijn zes maskerstappen en tien bijbehorende bewerkingsstappen, die elk voor zich weer bestaan uit verschillende processtappen. De bewerkingen bestaan onder meer uit etsen en poederstralen, waarmee we een driedimensionale structuur op en in het glas aanbrengen. Ik durf wel te zeggen dat wij één van de weinigen, zo niet het enige bedrijf in de wereld zijn die dit voor elkaar krijgt.” Na bewerken worden de wafers op elkaar gelast. Nou ja, gelast. Blom: “Het oppervlak van het glas is zo zuiver, dat wanneer je >

misch contact bewerk-

12 11

stelligt tussen container en warmte-opnemer. De kool in de container koelt

zo af tot de temperatuur van de warmte-opnemer, en adsorbeert gas in de container tot de druk zo laag is, dat de lage-druk klep (7) opent en werkgas uit de lagedruk buffer (8) door de kool in de container wordt opgenomen. Wanneer de kool in de container is verzadigd met werkgas, wordt het verwarmen van de gas-gapactuator gestaakt, zodat het contactgas uit de gas-gap wordt opgenomen in de kool van die actuator. De container wordt zo thermisch geïsoleerd van de warmteopnemer. Vervolgens wordt de kool in de container verwarmd met een inwendig verwarmingselement (4) waardoor het werkgas wordt gedesorbeerd en druk in de container wordt opgebouwd. Zodra de druk in de container hoger is dan die in de hoge-druk buffer (10), opent de hoge-druk klep (9) en stroomt werkgas onder hoge druk van de container via de aftercooler (6) naar de hoge-druk buffer. Vandaar loopt het gas via een tegenstroom-warmtewisselaar (13) door een restrictie (11) waar het expandeert en aldus afkoelt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het Joule-Thomson effect. Door de afkoeling condenseert het werkgas en de vloeistof verzamelt zich in de verdamper (12). Hier is het koelvermogen van de koeler beschikbaar.

Micro Micro


27

Demo-microkoeler uit 2001, gerealiseerd in het toenmalige promotieproject van Johannes Burger: De warmte-opnemer met daaronder de vijf compressorcellen, wordt gekoeld met een ventilator die voor deze foto is weggehaald. Rechts bevinden zich de gasaansluitingen voor alle vijf cellen. Daarnaast zijn twee stromingsmeters te zien die de gasstromen aan de lage- en aan de hogedrukkant meten. Het driehoekvormige kastje is de vacuümruimte met daarin de koeltrap.

Koeltrap van demo-microkoeler uit 2001, opgebouwd uit drie silicium chips van 9 mm × 9 mm en verbonden door glazen

ze op elkaar legt en de temperatuur iets verhoogt, de plaatjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Er zit dus geen lijm of soldeer tussen; dat zou ook niet kunnen, want een dergelijk laagje zou de thermische eigenschappen teveel verstoren. Pas wanneer de wafers op elkaar zijn gelast, worden de individuele microkoelers gesepareerd. Er zitten twintig microkoelers op een wafer; het is dus een relatief groot product, vergeleken met bijvoorbeeld microchips. Tot nu toe is het maken ervan een semi-automatisch proces, vooral omdat het om kleine series gaat. Worden het grotere series, dan loont het de moeite om het hele proces verder te automatiseren.” “De kans dat het er de komende tijd meer zullen worden, is niet denkbeeldig”, stelt Lerou. “Wanneer de capaciteit van antennes voor mobiele telefonie substantieel toeneem door gebruik van onze koelers, dan verwacht ik een forse stijging van de vraag.”

buisjes. De dikkere buisjes zijn in feite twee buisjes binnen elkaar, die gezamenlijk de tegenstroom-

Square kilometer array Een ander toepassingsgebied, waarvoor mogelijk veel microkoelers nodig zijn, is de radio-astronomie, meer in het bijzonder

warmtewisselaar vormen (hogedrukgas gaat door het binnenste buisje, lagedrukgas loopt door de spleet tussen beide buisjes terug). De dunne glazen buisjes zijn alleen toegevoegd voor mechanische stabiliteit. De chip linksboven is de “splitter” waar de tegenstroomwarmtewisselaar wordt gesplitst naar twee gaslijnen; de middelste chip is een “condenser”. Hier wordt het werkgas met een thermo-electrisch element al zover voorgekoeld dat het condenseert. In de chip rechtsonder expandeert de vloeistof en koelt nog verder af. Deze chip bevat ook de verdamper.

Temperatuurverloop bij afkoeling van de demo-microkoeler. De “geblokte” lijn geeft de temperatuur aan van de condenser, de andere lijn die van de verdamper.

Close-up van de verdamper, aan het einde van de koude trap, dat op het te

Op het moment dat de condenser circa 230 K (-43 °C) is, wordt het werkgas ethy-

koelen elektronische circuit wordt bevestigd. De manier van bevestigen is

leen vloeibaar en koelt de Joule-Thomson tip met verdamper veel sneller af.

uiterst belangrijk en nog onderwerp van onderzoek.

3D-ontwerp van de koude trap van de tweede generatie microkoelers. De koude trap bestaat uit drie dunne laagjes glas die atomair glad zijn. Wanneer die lagen op elkaar worden gelegd, hechten ze “vanzelf”. Glazen wafer met 15 ontwerpen van de middelste laag van de microkoeler, zoals gemaakt door Micronit Microfluidics. In deze tussenlaag zijn de warmtewisselaar kanalen verwerkt. Tijdens het fabricageproces, onder meer etsen en poederstralen, wordt 50% van het materiaal verwijderd. Doordat er zoveel materiaal verwijderd wordt, ontstaan er spanningen in de wafer Boven- en onderkant van de 2e generatie microkoeler met een vermogen van 20

waardoor het bonden van de 3 glaslagen van de koelers een zeer uitdagend

milliwatt bij -173 °C. Deze microkoeler uit 2004 werd nog gevoed met stikstof uit

proces is. Na jarenlang onderzoek is Micronit in staat om meer dan 20 lagen

een fles.

glas op elkaar te bonden tot 1 monoliet.

28

Micro Micro


de zogeheten SKA-antennes zoals die door ASTRON in Dwingeloo worden gerealiseerd. Deze square kilometer array-antennes zijn bedoeld om zwakke radiosignalen uit de ruimte op te pikken en te lokaliseren. Ze bestaan uit duizenden eenvoudige antennes, verspreid over een groot oppervlak. De microkoeler zou – net als bij de telecomantennes – de signaal-ruisverhouding belangrijk kunnen verbeteren. Lerou: “Door te koelen zou je het aantal antennes met een factor 2 tot 4 kunnen verminderen. Ook al zijn de antennes niet duur, dan scheelt dat toch een hoop geld. Bovendien bespaar je daardoor ook op de kosten van signaalverwerking. Om de kosten nog verder te drukken, zoeken we naar mogelijkheden voor gedistribueerde koeling, waarbij één compressor 64 microkoelers bedient.” Deze gedistribueerde koeling is ook interessant voor gebruik in satellieten. Om te besparen op ruimte en gewicht, zou het erg handig zijn om meerdere microkoelers op een sorptiecompressor aan te sluiten. Op dit moment wordt, onder meer voor het Europese Ruimtevaart Agentschap ESA onderzocht hoe de gedistribueerde koeling het best kan worden uitgevoerd. Al met al blijkt de combinatie van een trillingsvrije sorptiecompressor en een microkoeler die op maat kan worden gemaakt voor sensor of chip een interessante optie voor vele toepassingen, variërend van telecom tot ruimtevaart en medische diagnostiek. Lerou: “Het grote voordeel is dat je het hele systeem volledig geïntegreerd kunt aanbieden: een gesloten systeem met een lange levensduur en trillingsvrij. ‘Embedded cooling’, zeg maar, dat is echt nieuw in deze markt.” <

Het toepassen van microkoelers in SQUID-technologie, zoals onder meer wordt toegepast voor hersononderzoek, kan leiden tot een hogere kwaliteit van de beelden.

De Delftse nanosatelliet Delfi-C3 die op 28 april 2008 werd gelanceerd.

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Prof.dr.ir. Marcel ter Brake, tel. (053) 489 4349, e-mail [email protected], of met dr.ir. Pieter-Paul Lerou, tel. (053) 489 4627, e-mail pieter.lerou@kryoz. nl, of met dr.ir. Marko Blom, tel. 053-850 6 850, e-mail [email protected]

300 280

Cold-stage temperature [K]

260 240 220 200

Een artist impressie van de Square Kilometre Array (SKA), aan de realisatie waarvan

180

in Nederland wordt gewerkt door ASTRON in Dwingeloo. De SKA wordt twee ordes groter dan bestaande radio-telescopen waarmee een evenredig grotere gevoelig-

160

heid kan worden bereikt. Deze tot nog toe ongekende gevoeligheid zal grote stap

140

voorwaarts betekenen bij het vergaren van kennis op het gebied de Big Bang, de

120

100

relativiteitstheorie, zwarte materie, sterformatie en het ontstaan van leven. De

0

200

400

600

800

1000

1200

Time [s]

gevoeligheid van SKA, met een groot aantal ontvangers (107), wordt in belangrijke mate bepaald door de ruisbijdrage van de eerste versterker in de ontvangerketen. Het koelen van deze versterker levert een aanzienlijke verbetering op. Om dit te

Afkoelcurve van de 2e generatie koude trap. De tip koelt van kamer

kunnen realiseren op een dergelijke schaal, is een microkoeler waarschijnlijk de

temperatuur naar ongeveer 100 K (-173 °C) in ruwweg 15 minuten. De afkoel-

enige optie. Voor de realisatie van SKA zijn nog twee locaties in de race, Australië

tijd van de huidige generatie ligt inmiddels ver onder de 10 minuten.

en Zuid Afrika. Het zogenoemde ‘First light’ wordt verwacht in 2020.

Micro Micro


29

Verslag van een studiereis “MicroNano” naar Denemarken en Zweden MicroNed staat niet alleen voor onderzoek en onderwijs in Nederland, maar ook voor internationale positionering. Een kort reisverslag van een studiereis vanuit de TU Delft naar Kopenhagen en Lund. door Richard van der Linde Van 23 t/m 26 augustus 2009 bracht een delegatie van voornamelijk hoogleraren vanuit de TU Delft (Kavli Institute of Nano Science, Dimes en de Delft Center for Mechatronics and Microsystems) een werkbezoek aan de micronano-faciliteiten aan de Technische Universiteit van Denemarken en de Universiteit van Lund in Zweden. De aanleiding voor de reis was dat men wilde kijken welke strategische keuzes er in Denemarken en Zweden zijn gemaakt op het gebied van de micronano-wetenschappen. Evenwel mikten de initiatiefnemers ook op het vergroten van de interne binding tussen de verschillende deelnemende faculteiten, instituten en disciplines. Beide bezochte landen staan te boek als succesvol in innoveren en ondernemen, en de samenwerking tussen universiteiten en bedrijven. Met respectievelijk 5,4 miljoen en 9 miljoen inwoners zijn Denemarken en Zweden samen in bevolkingsaantal ongeveer gelijk aan Nederland. Scandinavische landen hebben een soortgelijke culturele achtergrond als Nederland. Het is daarom interessant om te zien hoe zaken als onderzoeksinfrastructuur, onderzoeksportfolio en de interactie tussen het bedrijfsleven en universiteit daar zijn georganiseerd. Medical Valley Het eerste deel van de reis betrof een uitgebreid bezoek aan de hoofdzetel van de Danmarks Tekniske Universitet (DTU) in Lyngby, zo’n 15 kilometer van Kopenhagen. Op de campus werden verschillende aan de DTU gelieerde faciliteiten bezocht, onder meer Nano-

De Delftse hoogleraar Rob Munnig Schmidt krijgt een uitleg over signaalverwerking in medische apparatuur van DTU professor Jørgen Arendt Jensen.

Tech (Sectie micro- en nanotechnologie), Danchip (Nationaal Center voor micro- en nanofabricatie), Cen (Center voor Elektroscopie) en Capres (een start-up bedrijf in 4-punts probe-systemen). Na een effectieve bustransfer tussen Lyngby en Lund van minder dan 1 uur werd de volgende dag begonnen met het tweede deel van de studiereis. De geringe afstand tussen beide locaties onderstreept nog eens waarom men in die regio spreekt over hun ‘Medical Valley’, als ware het één regio. Het programma aan Lund University, met bijna 43.000 studenten, betrof het Max Lab (National Electron Accelerator Laboratory for Synchrotron Radiation Research), Ideon Innovation (een incubator park), Phase Holographic Imaging Centre, het Nanometer Structure Consortium en diverse onderzoeksgroepen in de elektrotechniek en werktuigbouwkunde.

De deelnemers krijgen uitleg over de DTU-campus in Lyngby.

30

Micro Micro


Sterke focus De studiereis heeft veel waardevolle indrukken opgeleverd. Een indruk die bij menig deelnemer beklijfde is de sterke focus van het onderzoek. Alles is er georganiseerd rondom de drie dominante industriële takken: ICT, life science en duurzame energie (o.a. Sony Ericsson, Astra Zeneca, ABB). Zoals de naam al aangeeft, Danchip is

Agenda Congressen/Symposia/Beurzen

Mededelingen

Nieuws

Delivery of functionality in complex food systems 18-21 oktober, 2009 Universiteit Wageningen

Werkpakketbijeenkomsten

Publicatieprocedure Mw. Marianne Stolker is weer het centrale contactpunt voor de procedure voor publicatietoestemming. Gaarne haar 15 werkdagen voor de publicatiedatum een kopie sturen van het vrij te geven materiaal. Mw. Stolker zal zorg dragen voor verspreiding in het betreffende WP. Ze is bereikbaar via e-mail [email protected].

MicroNano Conference 2009 5-6 november 2009 Aula Congrescentrum, TU Delft www.micronanoconference.nl Precisiebeurs 2009 2-3 december 2009 Conferentiecentrum De Koningshof, Veldhoven http://www.precisiebeurs.nl/ Euspen 2010 31 mei t/m 3 juni 2010 Aula Congrescentrum, TU Delft http://www.euspen.org/displayevent.asp?eventid=16 Eurohaptics 2010 8 t/m 19 juni 2010 Vrije Universiteit, Amsterdam www.eurohaptics2010.org COMS 2010 22 t/m 26 augustus 2010 Albuquerque, New Mexico, USA www.mancef.org/COMS2010

2C bijeenkomst 22 oktober 2009, TU Eindhoven Info: [email protected] 2D bijeenkomst 15 oktober 2009, Wageningen University Info: [email protected] 2G bijeenkomst 24 november 2009, Universiteit Twente Info: [email protected]

HTSM FES De herindiening van het vernieuwde HTSM FES-voorstel heeft 1 oktober plaatst gevonden. Een mondelinge verdediging zal later in oktober plaatsvinden.

2H bijeenkomst 30 oktober 2009, Universiteit Wageningen Info: [email protected] 4AB bijeenkomst 9 december 2009, TU Delft Info: [email protected] 4C bijeenkomst 27 november 2009, TU Eindhoven Info: [email protected] 4D bijeenkomst 30 oktober 2009, TU Delft Info: [email protected]

Micro & Nano Engineering Conference 19 t/m 22 september 2010 Genda, Italië www.mne2010.org

de enige plek in Denemarken die diensten aanbiedt voor micro- en nanofabricage. Dit geeft focus en helderheid. Zelfs concurrentie vanuit Zweden lijkt er nauwelijks te zijn, omdat er is gekozen voor niet-concurrerende specialistische diensten. De toegang tot de cleanroom is ook als een aparte zakelijke dienstverlening ingebed in een academisch bestel en daardoor laagdrempelig voor bedrijven. Een andere indruk is dat onderwijs en onderzoek een hechtere band lijken te hebben dan in Nederland; ook de big-shots hebben een actieve betrokkenheid in de eerstejaars colleges. Scouting De Scandinavische situatie is echter niet één op één te vertalen naar de Nederlandse context. Zo is bijvoorbeeld het fiscaal klimaat voor private donaties erg gunstig en wordt er dan ook vlijtig en met veel respect en ontzag gebruik van gemaakt. Het gehele DTU Cen was bijvoorbeeld gerealiseerd met een donatie van Maersk. Ook lijkt er veel overheidsgeld beschikbaar te zijn voor zakelijke initiatieven, zolang ze passen bij de gekozen focus. Zo is IPU een soort ‘privaat, kleinschalig TNO’ dat binnen DTU op eigen initiatief scout naar vercommercialiseerbare kennis. Het te gelde maken van kennis wordt fiscaal zeer aantrekkelijk gemaakt. Hoewel het gras bij de buren vaak groener lijkt, zou een volgende studiereis samen met Nederlandse beleidsmakers en politici wellicht inspirerend werken.

De synchrotron op Lund University.

Micro Micro


31

Netherlands MicroNano Science & Industry meet on a high level of content and impact

8655 MicroNano First Announcement.indd 1

32

Micro Micro


23-06-2009 11:06:15

Conference 2009 Where are we today on the road to future health and prosperity with microsystems and nanotechnology? The two day program of the Netherlands MicroNanoConference is promising. During those two days a great number of inspiring answers will be given.

Tentative exhibitors: The whole set up of the fifth edition of this event gives the idea that there is a leading role for the Netherlands in both scientific research and industrial application of the new and promising technologies. On a yearly basis the communities of the extensive research programs MicroNed and NanoNed come together with relevant industries, organised by their trade association MinacNed. This year’s edition is on November 5 and 6 at the Conference Centre of Delft University of Technology. As may be expected from organisations with such a background, scientific and industrial contributions are on a high level of content and impact. In the Netherlands substantial budgets of public funding are allocated for microsystems and nanotechnology research. The conference intends to monitor the progress of these research programs and to present results, future challenges and business opportunities to industry. From both the participants lists of editions in the years before and the contributions from industry in the actual conference program, the industry response and interest shows to be high and growing. The structure of the Dutch economy and its research agenda matches quite well to create interaction between market and research in the first tier application areas. The areas the Netherlands MicroNanoConference ’09 specifically addresses are ‘fluidics in the process industry’, ‘food & water’, ‘sensing & diagnostics’, ‘industrial equipment’, ‘instrumentation & tooling’, ‘nano instrumentation’ and ‘energy’. The keynote speakers are high level representatives from ASML, Cientifica Ltd., University of Cambridge, National Research Council of Canada, Caltech Nanofabrication Group, Boehringer Ingelheim and JPL/NASA. We are glad that one of the most experienced and successful Microsystem scientists, Albert van den Berg, recent winner of the most prestigious scientific prize in the Netherlands (the NWO/ Spinoza Prize), will be a keynote speaker. Van den Berg has made key breakthroughs in the understanding and manipulation of fluids in micro- and nanochannels, and has applied this knowledge to areas such as new medical equipment. The Netherlands MicroNanoConference is directly supported by some forty private companies, most of them Dutch based. Furthermore FHI, Federation of Technology Branches supports the organization, representing eight hundred technology firms. At least four hundred participants from science and industry are expected. Please find detailed information concerning the programme and the exhibition: at

www.micronanoconference.nl

MA3 Solutions Micronit Microfluidica BV MiPlaza Philips Research NT-MDT PANanalytical BV Sigma Aldrich Chemie BV Specs Nanotechnology ST Instruments Sysmex Nederland B.V. Thermo Fisher Scientific TNO Science and Industry TNO Science and Industry / Van Leeuwenhoek Laboratorium Veeco Instruments

Anaspec Solutions Beckman Coulter Nederland BV Bronkhorst Nederland Dastex (Initial Hokatex B.V.) Distrilab Particle Technology Femto Engineering Flowid Future Chemistry Initial Hokatex B.V. Innosieve Diagnostics BV Jeol (Europe) B.V. Kryoz BV Lionix B.V. Leica Micro Systems Mallinckrodt Baker BV

Keynote speakers: Jos Benschop, ASML Nicholas Deliyanakis, European Commission, DG Research ‘Implementation of the EC Nanotechnology Action plan’ Nils Petersen, National Research Council Canada Reiner Wechsung, Boehringer Ingelheim ‘Potentials of MicroNanotechnologies for Biomedical Applications’ Axel Scherer, Caltech Nanofabrication Group ‘Applications of nanospectroscopy and microfluidics’ Barry Goldstein, JPL/Nasa ‘Autonomous Systems and Exploration for Planetary Science’ Tim Harper, Cientifica Ltd. ‘Nanotechnology: After Fifteen Years of Research And No IPO’s What On Earth Does The Future Hold And How Can We Know?’ Wilhelm Huck, University of Cambridge ‘Microdroplets in Microfluidics, from Device Design to Stochastic Confinement’ Albert van den Berg, University of Twente

Schrijf je nù in voor de conferentie via de website. Micro Micro


33

MicroNed impact Nieuwe Auxilliary Projecten

Project 9 Micro petridish Projectleider: Dr. Richard Anthony ([email protected]) Partners: KIT, Microdish, CCM Doel: Het project integreert een microcultuurkweek met een innovatief mechanisme om de detectie en karakterisering van tuberculose te versnellen.

Project 10 Advanced applications of topology optimisation Projectleider: Dr.ir. Ronal van Dijk ([email protected]) Partners: TUDelt, Femto, ASML Doel: Het toepassing van de in MicroNed ontwikkelde kennis op het gebied van topologie-optimalisatie in de High Tech industrie, met name voor ontwerpkritische onderdelen zoals stages.

Maatschappelijke en economische output De meeste werkpakketten scoren goed op wetenschappelijk gebied, maar vele pakketten blijven sterk achter op maatschappelijke en economische output. Er moet dan ook nog een tandje worden bijgezet. Navraag bij enkele werkpakketten leert dat men niet goed op het netvlies heeft staan wat te verstaan onder maatschappelijke en economische output. Daarom hier een aantal suggesties. Voorbeelden van maatschappelijke deliverables: • Artikelen in dagbladen, weekbladen, magazines, universiteitsbladen, Technisch Weekblad, de Ingenieur, Intermediair, Machinebouw, Mikroniek, MicroMegazine etc.

34

Micro Micro


Project 11 Development of micromilling technologies Projectleider: Dr.ir. Hans Langen ([email protected]) Partners: TUD, TNO, van Hoorn carbide, Philips consumer lifestyle, Philips Apptech, Alliance Technologies Doel: Het ontwikkelen van een proces om microreactoren te kunnen fabriceren. Hiervoor zal de in MicroNed ontwikkelde microfrees de basis zijn.

Project 13 Development of a TB protein biosensor Projectleider: Dr. Maarten Jongsma, [email protected] Partners: WUR (PRI, OC), NXP, Philips Doel: Eerst worden de Ilama antilichamen getest voor 25kDa tuberculose proteïne. Daarna wordt de monolaagstabiliteit van Cu-gebaseerde biosensoren in water omgevingen verbeterd.

Project 12 A leak tight micro valve Projectleider: Dr.ir. Henri Jansen ([email protected]) Partners: UT, Bronkhorst, Lionix, TNO, TUDelft Doel: Het ontwikkelen van een geminiaturiseerde actieve (regel)klep voor toepassingen waar extreme lekdichtheid gewenst is, zonder hoge sluitkrachten toe te passen.

Project 14. Gravimeter miniaturisering Projectleider: Dr.ir. Jaap Flokstra ([email protected]) Partners: UT (LTG, TST), Shell, Fugro, NIVR, SRON Doel: De binnen MicroNed ontwikkelde gradiometer verder miniaturiseren voor het gebruik in boorgaten of onbemande zeevoertuigen.

• Optreden op (locale) TV, radio. • Bijdragen aan Wikipedia, open source SW, binnen MicroNed ontwikkelde producten die op de markt zijn verschenen, dan wel resultaten van MicroNed toegepast in “real life” situaties. • Toespraken en/of presentaties voor een niettechnisch publiek (bijvoorbeeld de Rotary, op scholen, bij open dagen, gedurende cursussen). • Organiseren van en/of participeren aan open dagen / voorlichtingsdagen voor bijvoorbeeld nieuwe studenten. • Meewerken aan het creëren van lesmateriaal. • Toegekende prijzen en beurzen voor MicroNed-werk. • Webpagina’s maken die resultaten van MicroNed laten zien. • Meewerken aan symposia gericht op een breder publiek (voorbeelden: mini-

symposium over Duurzame Chemie, Cradle to Cradle symposium etc.). • MBO en HBO stageplaatsen creëren Voorbeelden van economische delivarables: • Spin-off bedrijven. • Gebruikers vergaderingen. • Nieuwe gebruikers bij MicroNed betrekken. • Initiëren van of deelnamen aan vervolg- of spin-off projecten met een of meer industriële partners. • Patenten/licenties. • Publicaties in vakspecifieke bladen. • Demonstratie van technologie aan specifieke doelgroepen. • Stand op een (niet-wetenschappelijke) beurs. Uiteraard moeten het wel aan MicroNed of Microtechnologie verwante activiteiten/ onderwerpen betreffen.

Estafette-column Integratie Micro is Mega schreef Han Zuilhof in de vorige estafette column. Het is inderdaad een voorrecht om te werken met getalenteerde mensen aan interessante onderwerpen om telkens weer grenzen te verleggen. Dat is mega-mooi. Voor mij, als industrieel R&D manager, zit er echter nog een extra dimensie aan, namelijk de vraag of het – op termijn - ook nog iets oplevert. Het lijkt een eenvoudige vraag, maar hoe meet je het resultaat van een privaat-publieke samenwerking eigenlijk? Het is zeer moeilijk om een betrouwbare, eenvoudige financiële – economische berekening te maken, omdat de aard van het onderzoek volledig pre-competitatief is en mogelijke commerciële toepassingen dus nog jaren ver weg zijn. Een iets minder abstracte maat kan het aantal octrooiaanvragen zijn. Een inschatting maken van de kans dat een vinding commerciële waarde heeft, is echter al bijna even moeilijk, maar niet onmogelijk. Indien deze inschatting positief is, is het verstandig een octrooiaanvraag te doen. Pas zo’n anderhalf jaar later is dan bekend of de kans dat het octrooi ook gaat worden verleend, groot of klein is. Daadwerkelijke verlening duurt gemiddeld nog eens 2,5 jaar. Aan het tellen van het aantal octrooiaanvragen als waardebepaling voor een samenwerking zitten dus wel enige haken en ogen, al zegt het natuurlijk wel iets, want een octrooiaanvraag vereist een serieuze financiële investering. De meerwaarde van publiek-private projecten wordt vaak gezocht in de multidisciplinaire samenwerking tussen verschillende academische groepen en instituten in eigen land. In het licht van internationale concurrentie is dit een steekhoudend argument, omdat een zekere kritische massa moet worden bereikt om innovaties te doen die ècht impact hebben. Onderzoekers hebben elkaar nodig om onderzoeksresultaten kritisch tegen het licht te houden en om nieuwe ideeën te genereren. De rol van de industriële partners is interessant, omdat zij een toepassingsperspectief kunnen schetsen. Toch zijn er wel een aantal kanttekeningen te maken bij deze samenwerking. Promovendi, die uiteindelijk het èchte werk doen, zijn erbij gebaat snel hun promotie-onderzoek op orde te hebben en zijn daarvoor voor het overgrote deel afhankelijk van hun eigen onderzoeksgroep. Ik stel dat het voor het onderzoek zelf en hun eigen ontwikkeling beter zou zijn als ze ‘meer’ zouden zien. Daarom zou

het voor alle partijen goed zijn wanneer promovendi die hun onderzoek binnen een MicroNed-project doen, niet 4 jaar op dezelfde locatie blijven, maar 1 of 2 jaar bij een consortiumpartner worden gestationeerd. Dit dwingt de onderzoekleiders van de verschillende deelnemende partners hun onderzoekslijnen beter te integreren en geeft promovendi een breder opleidingstraject, zonder inbreuk op wetenschappelijke vrijheid en diepgang. Het zal ongetwijfeld even wennen zijn, maar het zal verdere integratie van industrieel en publiek onderzoek bevorderen en verbeteren. Zeker in het microland Nederland is het nodig versnippering van inspanning te voorkomen en krachten te bundelen om mega-prestaties te realiseren. En dit kan zeker. Fascinatie voor innovaties zit in de genen van zowel publieke als private onderzoekers. Door programma’s zoals MicroNed scheppen we een kader waarin innovatie een kans maakt, maar dan moeten we wel willen leren integreren.

Henk Stapert Program manager Molecular Diagnostics Philips Corporate Technologies

Stapert geeft het estafettestokje door aan Frans Widdershoven van NXP

Micro Micro


35

MicroNed is een publiek-private verband waarin tien kennisinstituten, 28 actief deel nemende bedrijven (partners) en zo’n 25 betrokken bedrijven (gebruikers) samenwerken aan zowel het verwezenlijken van nieuwe MST-toepassingen, als aan het opzetten van een duurzame kennisinfrastructuur op het gebied van microsysteemtechnologie. MicroNed is een van de 37 BSIK-consortia die zijn opgezet voor het versterken van economische kennisinfrastructuur en die deels worden gefinancierd uit de Nederlandse

aardgasbaten. Het totale budget van MicroNed bestaat uit € 58 miljoen. Daarvan is € 30 miljoen ingebracht door de partners, de overheid heeft € 28 miljoen toegezegd. MicroNed staat namens de overheid onder supervisie van drs. J.R.G. Bakker (voorzitter, Min. van Econ. Zaken), drs. J.N. Mout (Min. van Onderwijs, Cultuur & Wetenschap) en mr. P.M.A. Vetter (Min. van Landbouw, Natuur & Voedselkwaliteit).

Raad van Toezicht (deelnemende organisaties & bedrijven, Vz. Prof.ir. O.H. Bosgra) Management Team (7 leden, Vz. Prof.dr.ir. A. van Keulen)

Bureau

Cluster-leider MISAT

Cluster-leider SMACT

Cluster-leider MUFAC

Cluster-leider FUNMOD

1A Satellite bus Dr.ir. C.J.M. Verhoeven Technische Universiteit Delft Fac. EWI / ELCA Postbus 5031 2600 GA Delft Tel. (015) 278 6482 E-mail [email protected]

2A Atomisation Dr. A.M. Versluis Universiteit Twente Fac. TNW / Vloeistoffysica Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053) 489 6824 e-mail [email protected]

3A 3d-Microstructuring Dr.ir. H.H. Langen Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Design Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 1887 E-mail [email protected]

4A/B Transport phenomena & multi physics Prof.dr. D.J. Rixen Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 1523 E-mail [email protected]

1B Payload system Dr.ir. B. Monna SystematIC design BV Motorenweg 5G 2623 CR Delft Tel. (015) 251 1100 E-mail [email protected]

2B Micro-engineering of supramolecular assemblies Prof.dr. E. van der Linden Wageningen Universiteit Agrotechnologie & Voedingswetenschappen / Food Physics Group Postbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 485 417 e-mail [email protected]

3B Micro assembly Dr.ir. M. Tichem Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / PME Mekelweg 2 2600 AA Delft Tel. (015) 278 1603 E-mail [email protected]

4C Micromechanics Prof.dr.ir. M.G.D. Geers Technische Universiteit Eindhoven Fac.Werktuigbouwkunde, MoM, WH 4.135 Postbus 513 5600 MB Eindhoven Tel.(040) 247 5076 E-mail [email protected]

3C Phase separation microfabrication Dr.ir. R.G.H. Lammertink Universiteit Twente Fac. TNW / Membraantechnologie Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053)489 2063 E-mail [email protected]

4D Design & Optimisation Prof.dr.ir. A. van Keulen Technische Universiteit Delft Fac. 3mE / PME Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 6515 E-mail [email protected]

Prof.dr. E.K.A. Gill

1C Spacecraft architecture Ir. A.R. Bonnema Innovative Solutions in Space (ISIS) Rotterdamseweg 380 2629 HG Delft Tel. (015) 256 9018 E-mail [email protected] 1D Formation flying systems Prof.dr.ir. J.M.A. Scherpen Rijksuniversiteit Groningen Fac. Wiskunde en Natuurwetenschappen Instituut Technologie en Management Nijenborgh 4 9747 AG Groningen Tel. (050) 363 8791 E-mail [email protected]

Prof. dr. C.J.M. van Rijn

2C Sensing & Diagnostics on a chip Dr.ir. M.A. Jongsma Wageningen Universiteit Plant Research International Postbus 16 6700 AA Wageningen Tel. (0317) 480 932 E-mail [email protected] 2D Dynamic micro-fractionation Prof.dr. P.M. Sarro Technische Universiteit Delft Fac. EWI / ECTM Postbus 5053 2600 GB Delft Tel. (015) 278 7708 e-mail [email protected]

Dr.ir. H.H. Langen

Prof.dr. D.J. Rixen

3D Non-lithographic micro patterning tools Dr. E.S. Kooij Universiteit Twente Fac. TNW / MESA+ Postbus 217 7500 AE Enschede Tel. (053) 489 3146 E-mail [email protected]

2E Micro coriolis flow controller Ir. R. Zwikker Demcon BV Zutphenstraat 25 7575 EJ Oldenzaal Tel. (0541) 570 720 e-mail [email protected] 2F Fluorescence on a chip Prof.dr.ir. J. Westerweel Technische Universiteit Delft Fac. 3ME / Vloeistofmechanica Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 6887 e-mail [email protected] 2G Smart micro reactors Prof.dr.ir. J.C. Schouten Technische Universiteit Eindhoven Fac. Chemische Technologie / Chemische reactortechnologie Postbus 513 5600 MB Eindhoven Tel. (040) 247 3088 e-mail [email protected] 2H Emulsification Prof.dr.ir. R.M. Boom Wageningen Universiteit Agrotechnologie en Voedingswetenschappen / Sectie Proceskunde Postbus 8129 6700 EV Wageningen Tel. (0317) 482 230 E-mail [email protected]

36

Micro Micro


MicroNed Bureau: Communicatie & PR Communicatie-ondersteuning Financiën Programma management Programmabegeleiding Secretariaat Voortgangscontrole Website & data Bezoek- en postadres: Mekelweg 2 2628 CD Delft Tel. (015) 278 4357 www.microned.nl

Philip Broos ([email protected]) Lucienne Dado ([email protected]) Jan van der Lek ([email protected]) Richard van der Linde ([email protected]) Henne van Heeren ([email protected]) Marianne Stolker ([email protected]) Olga van Paassen-van Halderen ([email protected]) Tjeerd Rijpma ([email protected]) Satish Rangoe ([email protected])

MicroMegazine. Melkpoeder maken met de printkop Microliters meten met minuscule trillingen

Recommend Documents