Sensortechnieken die worden gebruikt om de conditie van een constructie te bepalen, zijn vaak duur, complex en kosten veel energie. Assistant professor in Structural Health Monitoring Mohammad Fotouhi werkt aan een innovatief kosteneffectief coatingmateriaal dat van kleur verandert als een vroegtijdig waarschuwingssysteem, en zo ruim van tevoren kwetsbaarheden zichtbaar maakt. Deze slimme en duurzame techniek is al geschikt voor gebruik. Met meer onderzoek hoopt Fotouhi de sensorfunctie verder te verbeteren en industrieën te stimuleren om innovatieve materialen te gebruiken.
Wat is de overeenkomst tussen de edelsteen opaal en een kameleon? Ze kunnen allebei van kleur veranderen. Externe factoren zoals warmte (opaal) of gevaar (bij de kameleon) zorgen ervoor dat licht op een andere manier op het oppervlak reflecteert, wat resulteert in kleurverandering. Dit natuurfenomeen vormde voor Mohammad Fotouhi de inspiratie voor een innovatieve technologie: sensormateriaal dat aan de hand van kleurverandering laat zien of een constructie kritieke schade heeft of dat de resterende levensduur van structuren aangeeft.
Fotouhi deed zijn ontdekking tijdens een onderzoeksproject aan de University of Bristol op het gebied van composiet, materiaal dat bestaat uit verschillende componenten. “Met mijn team werkte ik aan de ontwikkeling van een nieuw composiet materiaal, bestaande uit koolstofvezels. Bij het testen hiervan kwamen we erachter dat het materiaal niet alleen heel sterk was, maar ook dat de kleur veranderde wanneer we het mechanisch belastten. Dat vormde een trigger voor meer onderzoek naar deze eigenschap en de potentie hiervan. Bijvoorbeeld door deze functionaliteit in te zetten als visueel afleesbare sensor.”
De conditie van een constructie bepalen
Sensoren spelen een belangrijke rol in het onderzoek van Fotouhi. Hij houdt zich onder meer bezig met onderzoek naar hoe de conditie waarin een constructie verkeert het beste gemonitord kan worden. “Door structurele belasting, statische en cyclische krachten kan een constructie beschadigd raken of zelfs breken. Wanneer je goed zicht hebt op de staat van het materiaal, kun je vroegtijdig inschatten in hoeverre onderhoud of een andere ingreep zoals reparatie nodig is. In sommige gevallen kan dat van levensbelang zijn. Denk aan een beschadigde vleugel van een vliegtuig of een brug die op instorten staat.”
Huidige technologieën kosten veel geld en energie
Kritieke constructies zoals bruggen en windturbines kunnen het plotseling begeven zonder enige zichtbare waarschuwing. Een voorbeeld hiervan is de instorting van een brug in Italië in 2018 waarbij 43 mensen om het leven kwamen. Voor het vaststellen van de fysieke conditie worden momenteel verschillende diagnostische hulpmiddelen gebruikt die werken op basis van trillingen, akoestische emissie en ultrasone signalen, zegt Fotouhi.
De informatie die deze instrumenten verzamelen, geven samen een goed beeld van de toestand. Maar er zitten ook nadelen aan deze technologieën, zoals de hoge kosten, de energie die je nodig hebt en onbetrouwbare detectie op de lange termijn. Sensoren zijn bijvoorbeeld uitgerust met batterijen en kabels. Daarnaast moet je alle verzamelde data ergens opslaan en verwerken. Verder zijn inspecties bij sommige constructies tijdrovend en complex en zijn er gespecialiseerde inspecteurs nodig die samples uit het materiaal nemen voor een analyse.”
Veel van de huidige technologieën zijn slim en handig, maar tegelijkertijd duur en complex.
De kracht van eenvoud als drijfveer
Omdat de sensorfunctie in het composiet van Fotouhi al in het materiaal zelf zit, heeft het al deze nadelen niet. Hij legt uit hoe het werkt. “De buitenlaag van dit materiaal bestaat uit een dunne laag koolstofvezel en glas. Onder kritieke toestand, bijvoorbeeld bij een hoge belasting, ontstaan er patronen met kleurverschillen. Het materiaal wordt dan – afhankelijk van de belasting – steeds donkerder van kleur.
Wat Fotouhi vooral fascineert aan de technologie is de eenvoud ervan. “Ik ben opgegroeid op het platteland. Daar hadden we weinig middelen en waren we veel op onszelf aangewezen. Hierdoor leerde ik al op jonge leeftijd creatief te zijn en te denken in simpele oplossingen. Veel technologieën die we vandaag de dag gebruiken zijn slim en handig, maar ook erg complex en duur. Ik wil laten zien dat we ook met relatief eenvoudige en goedkope technieken oplossingen kunnen bieden voor vraagstukken.”
Het sensormateriaal verandert van kleur door overbelasting en scheurgroei
Birdstrike detecteren
Door middel van simulaties en experimenten testte Fotouhi met collega’s de werking van het sensormateriaal. “We hebben bijvoorbeeld een gewicht van verschillende hoogtes op composieten panelen laten vallen. Zo kun je de impact van gebeurtenissen uit de praktijk nabootsen. Een goed voorbeeld hiervan is een bird strike, een incident waarbij een vliegtuig in aanraking komt met vogels. Dit veroorzaakt vaak interne schade aan het toestel die je met het blote oog niet ziet. Maar als je de buitenste laag van het toestel voorziet van het sensormateriaal zie je de impact dus direct aan de hand van kleurverschillen aan het oppervlak.”
Zorgvuldige monitoring kan helpen om de sector te overtuigen om duurzamere en innovatievere materialen te gebruiken.
Innovatie in de bouwsector
Misschien nog wel meer dan voor de luchtvaartsector, biedt de innovatie uitkomst voor de bouw. Nieuwe duurzame materialen en oplossing bestaan, maar de vraag is of de sector ze betrouwbaar genoeg vindt. Fotouhi: “Het is ontzettend lastig iets nieuws te introduceren in de bouwwereld. Je echt moet kunnen aantonen dat een nieuw materiaal voor hele lange tijd op een betrouwbare manier meegaat. Nauwkeurige monitoring kan hen hopelijk over de streep trekken om duurzamere en innovatieve materialen te gebruiken. Wat enorm helpt, is dat industrieën ons helpen bij het verder ontwikkelen van het sensormateriaal.”
Sensormateriaal kan nog slimmer
Ondertussen werkt Fotouhi aan het nog slimmer maken van het sensormateriaal. Zo onderzoekt hij het effect van het aanbrengen van meerdere sensorlagen. Fotouhi: “Hiermee hopen we het materiaal een soort eenvoudig visueel afleesbaar geheugen te kunnen geven. Uit de lagen kun je dan verschillende fasen onderscheiden waar het materiaal doorheen is gegaan. Dit geeft bijvoorbeeld informatie over het aantal keer dat er een bepaalde belasting op heeft gerust en wanneer die belasting heeft plaatsgevonden. Ook dit is weer een mooi voorbeeld van hoe je met een relatief eenvoudige en goedkope oplossing complexe en dure technologie overbodig maakt.”
Gepubliceerd: januari 2024
