Optische sensoren, druksensoren, trillingsensoren… de industrie kent vele soorten voor evenveel toepassingen. Ondertussen wordt er bij TNO – in samenwerking met het bedrijfsleven, de overheid en onderwijsinstellingen – hard gewerkt aan de sensoren van de toekomst. Want hoe ver zijn we eigenlijk al op het gebied van bijvoorbeeld quantumsensoren en waarom houden onderzoekers zoals Lun Cheng zich eigenlijk bezig met iets als ‘glasvezelsensoren’?

Wie wil weten waar we technisch en technologisch gezien naartoe (willen?) gaan in de toekomst, kan het beste een kijkje nemen bij TNO. Deze onafhankelijke onderzoeksorganisatie ziet voor zichzelf twee kerntaken: het ondersteunen van de overheid bij het uitvoeren van (wettelijke) overheidstaken en het bevorderen van het verdienvermogen van de Nederlandse economie en het vergroten van de werkgelegenheid. 

TNO bestaat inmiddels ruim negentig jaar en heeft in deze decennia aan de wieg gestaan van heel wat relevantie innovaties. Daarbij combineert de organisatie wetenschappelijk en fundamenteel onderzoek steeds meer met de capaciteiten van onderwijsinstellingen en het bedrijfsleven. Dit met het oog op de praktische toepassing ervan. 

De nabije toekomst 

Iedere tien jaar stelt TNO nieuwe doelen die zijn afgestemd op de actuele stand van zaken en de toekomst. Zo ligt de focus voor 2030 op onderzoek naar onder meer medicijnen, de klimaatproblematiek, cybersecurity en grondstoffen. Binnen deze brede verdeling van onderwerpen definieerde TNO onlangs een nieuwe lijst van zogenaamde ‘sleuteltechnologieën’. Deze lijst is opgesteld op basis van de actuele ontwikkelingen in de maatschappij én in de wetenschap en technologie wereldwijd. 

Kenmerkend voor sleuteltechnologieën is onder meer de brede toepasbaarheid in verschillende innovaties en sectoren en het feit dat zij baanbrekende proces-, product- en/of diensteninnovaties mogelijk maken. Onderzoek naar sleuteltechnologieën kan fundamenteel zijn, maar altijd gericht op toepassing op de middellange tot lange termijn. Kortom: Het zijn dan ook zonder uitzondering technologieën die we enerzijds nodig hebben, maar anderzijds waarmee Nederland zich kan profileren omdat we hiervoor de ‘juiste kaarten’ in handen hebben. 

Sensoren 

Opvallend in de nieuwe lijst sleuteltechnologieën is het aantal keer dat sensoren worden genoemd. Hieruit blijkt dat deze componenten in uiteenlopende sectoren een onderscheidende rol spelen; niet alleen in de energietechniek en gezondheidszorg, maar ook in de categorie engineering en productietechniek of maakindustrie. In deze categorie gaat het om geavanceerde ontwerp- en productietechnologieën die zich richten op de verbetering van producten of productieprocessen. Sensoren spelen hierin een belangrijke rol en binnen de categorie worden dan ook direct links gelegd naar digitale en informatietechnologie, AI, nanotechnologie, nieuwe materialen, optische technologieën en quantumtechnologie. 

De opsomming maakt goed duidelijk dat sensoren meer zijn dan enkelvoudige componenten die een grootheid meten en deze terugkoppelen naar de besturing. Ook voor de maakindustrie zijn het de onmisbare componenten om data in grote hoeveelheden te verzamelen. Gegevens die noodzakelijk zijn voor hogere doelen zoals artificiële intelligentie, voorspellend onderhoud, kwaliteitscontrole en energie-efficiëntie. Bovendien is de data nodig voor het voeden van digital twins waarmee uiteindelijk producten en productieprocessen zijn te verbeteren. 

Glasvezelsensoren 

Eén van de aandachtsgebieden binnen het sensoronderzoek bij TNO zijn zogenaamde glasvezelsensoren. Glasvezel is bij de meeste mensen bekend van de telecommunicatie en kent enkele specifieke voordelen; zeker ten opzichte van koperkabels. 

Voordelen glasvezel 

Omdat glasvezels met licht werken en niet met elektriciteit, kunnen er geen EMC gerelateerde verstoringen of andere interferentieproblemen ontstaan én geen elektrische vonken. Dit is weer een voordeel in zogenoemde explosiegevaarlijke zones. Daarnaast is informatie met de snelheid van licht (en dus razendsnel) te versturen. Bovendien is de hoeveelheid data die gelijktijdig is te verzenden veel groter waardoor het versturen van beelden – bijvoorbeeld in het kader van objectherkenning of kwaliteitscontrole – feitelijk geen enkel probleem is. Tot slot is glas een materiaal dat bestand is tegen relatief hoge en lage temperaturen en de meeste chemicaliën. Een glasvezel zelf is wel relatief kwetsbaar, maar verpakt in het juiste materiaal als ommanteling hoeft dit geen beperking te vormen. 

Wetenschappelijk medewerker bij TNO ir. Lun-Kai Cheng: “Om met glasvezel een sensor te maken, moeten we in staat zijn om de eigenschappen van het (laser)licht dat je door de kabel stuurt, te koppelen aan de omgeving. Je kunt daarbij denken aan de amplitude van het licht, maar ook kleur, fase of polarisatie. Vervolgens ben je in staat om een glasvezel sensoreigenschappen mee te geven voor het meten van onder meer temperatuur, mechanische spanning (vervorming), maar ook andere parameters zoals druk, versnelling en zelfs aanwezigheid van chemisch stoffen.” 

Toepassingen 

Hoewel het principe van een glasvezelsensor al langer bekend is, zet TNO in samenwerking met overheden, het bedrijfsleven en onderwijsinstellingen expliciet in op het nuttig toepassen van glasvezelsensoren in de praktijk. Lun Cheng: “Een van de belangrijkste voordelen is het feit dat met geschikte technieken diverse glasvezelsensoren op verschillende punten in één glasvezel zijn te plaatsen. Vervolgens zijn ze uit te lezen met één meetsysteem: de zogenaamde multiplexing. De sensoren zijn zelfs te ontwerpen voor het meten van verschillende parameters om zo een ‘multi-parameters sensorsysteem’ te realiseren. In een bijzonder geval kan iedere locatie in de glasvezel fungeren als sensor wat we gedistribueerde meting noemen.” Hij vervolgt: “Dat betekent dat met een lange glasvezel over deze hele lengte metingen zijn uit te voeren. Een glasvezelkabel van bijvoorbeeld 10 kilometer betekent data verzamelen over de gehele lengte van 10 kilometer. 

Dit is onder meer te gebruiken voor het monitoren van conditie van dijken en kades. Verder is de gedistribueerde glasvezelsensor ook in te zetten om brand te detecteren via de temperatuurverandering. Je profiteert dan van het feit dat je zo’n sensor door een heel gebouw kunt laten lopen en niet afhankelijk bent van enkele losse brand- of rookmelders. In praktisch al deze gevallen is het bovendien een voordeel dat de data die de glasvezel verzamelt in principe eenvoudig is te verbinden met het meetsystem op een centrale locatie. Het uitlezen is dus mogelijk op een plek op een veilige afstand waarna de info naar wens is door te sturen naar een willekeurige plek in de wereld.” 

Industriële toepassingen 

Natuurlijk ziet Lun Cheng ook mogelijkheden voor industriële toepassingen: “We starten nu met speciale ontwikkelingen van de glasvezelsensor voor bepaalde toepassingen om ervaring op te doen en gegevens te verzamelen. Deze kennis is uiteindelijk ook te gebruiken voor andere sectoren zoals de industrie. Ik kan me applicaties voorstellen waarin glasvezelsensoren trillingen meten wat in het kader van voorspellend of condition based onderhoud belangrijke informatie kan genereren. Ook is de locatie waar zich afwijkende trillingen voordoen goed te detecteren. Hetzelfde geldt voor warmtemetingen. Een volledige glasvezelkabel is uitstekend in staat om zogenaamde ‘hotspots’ te lokaliseren. Deze kunnen mogelijk wijzen op afwijkingen in het proces; bijvoorbeeld verhoogde wrijving met bijbehorende smeerproblemen of eventueel ook elektrische problemen. Tot slot zijn glasvezelsensoren ook toepasbaar voor objectdetectie, het meten van verplaatsing, snelheden, kwaliteitscontrole en locatiebepaling.” 

Nog even wachten 

Uiteraard is het allemaal nog niet zo ver. De eerste toepassingen zijn onder meer te vinden in monitoringopgaven over grotere afstanden. Daarbij is te denken aan lekkages van pijpleidingen, vermoeiingen van apparatuur in de olie- en gasindustrie of het controleren van communicatienetwerken. Daarbij profiteren vooral toepassingen in omgevingen waar elektriciteit om redenen van EMC-effecten of vonkvorming niet gewenst is. Dit is onder meer aan de orde in de (petro)chemische industrie, energiecentrales gekoppeld aan duurzame energiebronnen enzovoorts. Lun Cheng: “Door samen te werken met het bedrijfsleven verwacht ik in de toekomst nog veel meer zinnige toepassingen voor glasvezelsensoren te kunnen definiëren en dan zal ook zeker de industrie hier haar voordeel mee kunnen doen.”

Quantumsensoren

Voor de meeste mensen ligt quantumtechnologie nog ver buiten het interessebereik. Enerzijds logisch; onderzoek naar quantum is nog maar nét begonnen en we weten meer niet dan wel. Anderzijds zijn bepaalde quantumsensoren al ‘gewoon’ in gebruik en zelfs op de markt. 

De ontwikkeling van quantumsensoren heeft bij TNO de specifieke aandacht omdat ze – afhankelijk van de business case – goedkoper kunnen zijn. Maar in andere gevallen ook draagbaarder of ze hebben een langere levensduur. Daarbij kan de nauwkeurigheid oplopen tot in het nanobereik en zijn de sensoren in bepaalde gevallen ook aanzienlijk gevoeliger. Dit levert belangrijke voordelen op voor bijvoorbeeld de medische en halfgeleiderindustrie, communicatie, instrumentatie en materiaalonderzoek. 

TNO heeft de keuze gemaakt om een quantum sensing lab in te richten waarin het quantumsysteem ‘NV-center’ verder wordt onderzocht. Er is specifiek gekozen voor dit systeem omdat NV-centers gevoelig zijn voor een groot aantal gangbare grootheden zoals magnetische en elektrische velden, temperatuur, druk en rotatie. Met andere woorden: de quantumsensoren die op basis van dit systeem zullen ontstaan zijn breed toepasbaar. To be continued.

Bij de hoofdafbeelding: Dr. Clara Osorio Tamayo (TNO) met een magnetometer, een instrument dat miljoenen parallelle sensoren bevat in de vorm van ‘defecten’ waardoor de gevoeligheid toeneemt.