Er waait een frisse wind door chemisch Delft. Steeds meer vakgroepen steken de koppen bij elkaar om tot vernieuwende concepten te komen. Met Marc-Olivier Coppens als katalysator.

Met zijn ideeën over ‘natuurlijke’ architecturen binnen de procestechnologie krijgt Marc-Olivier Coppens steeds meer invloed binnen de TU Delft. Eind 2001 werd hij aangesteld als hoogleraar binnen de sectie Reactor & Catalysis Engineering (RACE) van de faculteit Toegepaste Natuurwetenschappen. Vorig jaar kreeg hij van NWO en TU Delft, een Pioniersubsidie van 1,2 miljoen euro toegekend. En per 1 maart is hij gepromoveerd tot sectieleider Physical Chemistry and Molecular Thermodynamics.

Het betekent dat hij vier vakgroepen onder zich gekregen heeft. Van zijn collega’s Frens en de Swaan Arons, die onlangs met emeritaat gingen, heeft hij respectievelijk Fysische Chemie en Toegepaste Thermo­dynamica overgenomen. Daar kwam nog de groep Computational Physics bij, plus natuurlijk Coppens’ eigen groep Nature Inspired Chemical Engineering (NICE). “In totaal omvat de sectie nu zo’n veertig mensen, waarvan een dertigtal onderzoekers. We hebben ze samengevoegd om te kunnen focusseren op meer fundamentele problemen, met de bedoeling te komen tot meer duurzame processen”, vertelt Coppens. “Maar de contacten met RACE zijn nog altijd intensief”, voegt hij er meteen aan toe.

Synergie

Multidisciplinaire samenwerking is een belangrijk onderdeel van Coppens’ visie. De contacten tussen álle Delftse vakgroepen moeten veel intensiever worden dan ze een tijdlang zijn geweest. “Ik geloof niet in ‘bigger is better’, maar wel in synergie”, stelt de kersverse sectieleider. “Je moet je wel verdiepen in één vakgebied. Maar terwijl je dat doet, moet je ook kijken of je iets kunt gebruiken dat uit een heel andere hoek komt. Algemene principes zien te vinden die je toepast vanuit het ene vakgebied op het andere. In de vroegere groepen zit uiteenlopende kennis: van thermodynamica, transportverschijnselen en statistische mechanica, van poreuze media, surfactanten, kolloïden en interfaces. Dat moeten we allemaal zien te combineren. We hebben een goed team, ingebed in DelftChemTech. Door gemeenschappelijke ‘group meetings’ tijdens de lunch willen we iets opbouwen waardoor we door elkaar worden geïnspireerd.” Uiteraard is interactie met andere groepen van binnen of buiten de TU Delft ook erg belangrijk, evenals meer contact tussen verschillende vakgroepen van de faculteit. De kiem daarvoor was al enige jaren geleden gelegd in de vorm van ‘faculty seminars’.

Overigens benadrukt Coppens dat zijn eigen onderzoeksgroep (NICE) niet groter hoeft te worden dan de huidige zeven of acht mensen. “Als je onderzoek doet moet je het klein doen. Het sectie-idee is interessant voor infrastructuur en voor de intensieve uitwisseling van ideeën. Maar de uitwerking van deze algemene ideeën moet gebeuren op de werkvloer. Daar moet je ook niet palaveren over hoe mooi de bomen zijn.”

Duurzaam

De reeds genoemde duurzaamheid is een ander punt, dat in Delft meer aandacht gaat krijgen. Een paar vakgroepen zijn er al langer mee bezig, en het draagvlak wordt met de dag breder. “Wat mij betreft moet chemisch technologisch onderzoek niet procesgedreven of zelfs productgedreven zijn. Het meest urgent is nu duurzame vooruitgang, gedreven door de maatschappij”, aldus Coppens in zijn intreerede. Volgens hem houdt het in dat wetenschap en technologie meer in harmonie met de natuur moeten zien te komen: “We hebben engineering vooral gezien als een overwinning, een uiting van superioriteit. Maar de tijden zijn veranderd en aan de overheersing blijkt nu een prijskaartje te zitten. De natuur is niet onze leerling; wij zijn leerlingen van de natuur en we hebben de natuur nog niet doorgrond.”

En in dat laatste ligt het belangrijkste element van Coppens’ filosofie besloten. De naam NICE zegt het al: de natuur dient als inspiratiebron. En daarbij is het niet (of in elk geval niet alleen maar) de bedoeling om natuurlijke processen te bestuderen en te imiteren op moleculair niveau. Liever beschouwt Coppens de natuur op mesoschaal, het niveau tussen micro en macro in. “Kijk je naar een boom, dan kun je elk takje afzonderlijk beschrijven. Maar je kunt hem ook bezien van een iets grotere afstand. Dan zie je pas de symmetrie. Ook interessant is dat de natuur niet altijd per se efficiënt is, maar wél altijd effectief. Dat een boom in de herfst zijn bladeren verliest is misschien niet efficiënt, maar het is wel een mooi recyclingsysteem. Je kunt een proces dus ook optimaliseren op effectiviteit. Niet elk deel hoeft efficiënt te zijn. Als het geheel maar effectief is.”

Fractals

Patronen vinden, daar draait het dus om. Coppens liet zich hiervoor onder andere inspireren door Benoit Mandelbrot, de ‘uitvinder’ van de fractale geometrie. Fractalen vertonen patronen die gelijkaardig zijn op verschillende schalen, ook als je blijft inzoomen. De details worden almaar kleiner, maar het basispatroon blijft hetzelfde. Net als bij de takken van een boom, of bij het bloedvatenstelsel in de longen, of bij turbulente stromingen. “Je vindt het op zoveel plekken terug”, stelt Coppens. “Vaak was het al eerder ontdekt. Het genie van Mandelbrot bestond uit het ontdekken van de samenhang.”

Als zo’n structuur in de natuur effectief is, is hij het dan ook in een chemische reactor? In elk geval zou schaalvergroting veel eenvoudiger worden: vergeleken met een kleine boom is een grote boom gewoon meer van hetzelfde. “En het systeem is zeer robuust. Met een tak minder werkt een boom nog steeds”, vult Coppens enthousiast aan.

Een paar jaar geleden stelde hij al een ‘fractal injector’ voor, een pijpenstructuur in boomvorm, bedoeld om een gas- of vloeistofstroom regelmatig te verspreiden over een reactorvat. Promovendus Sander Lems is dit aan het uitproberen in een wervelbed. De eerste proeven suggereren dat het inderdaad een verbetering is ten opzichte van de gebruikelijke injectors, die het gas alleen vanuit de bodem naar boven blazen. Eenzelfde hoeveelheid gas wordt nu verspreid over een groter aantal kleine bellen, met als gevolg een intensiever contact met de vaste stof.

Op de suggestie, dat zo’n injector te ingewikkeld is om genade te vinden in de ogen van de chemische industrie, reageert Coppens vurig. “Ik krijg dat commentaar altijd en het is niet waar. Veel apparaten zijn een stuk complexer dan dit ding. Vergelijk een warmtewisselaar, of een kolompakking, of een microchip. De injector bestaat uit een groot aantal identieke eenheden die je koppelt. Als je er maar één bouwt is dat duur, maar het wordt een stuk goedkoper wanneer je ze in massa produceert.”

Bladeren

Maar de natuur kent meer patronen. Vaak is sprake van translatie- of kristalsymmetrie, waarbij een structuur wordt opgebouwd uit een groot aantal identieke bouwstenen. Voorbeelden zijn een honingraat en - minder natuurlijk - de gemiddelde Vinexwijk.

Ook dit patroon komt terug in de chemische technologie. Bijvoorbeeld in kolompakkingen, of in poreuze katalysatordragers. Binnen NICE streeft men naar structuren met twee maten poriën. Coppens vergelijkt het met boombladeren. Eerst worden losse katalysatorkorreltjes (de bladcellen) gemaakt, met nanoporiën die de gewenste reactie bevorderen. Vervolgens ‘plakt’ men ze aan elkaar, waarbij men ervoor zorgt dat tussen de korreltjes meso- en macroporiën overblijven (de nerven) voor de aan- en afvoer van reactanten.

Beide poriënnetwerken laten zich onafhankelijk van elkaar instellen. De kunst is voor elke reactie het optimum te bepalen, veelal met geavanceerde computersimulaties. Daarmee kun je trouwens, als bijzonder geval, ook rekenen aan fractale structuren, en de eerste resultaten doen vermoeden dat een fractaal opgebouwde katalysator quasi-optimaal zou zijn. In zijn intreerede vroeg Coppens zich hardop af waarom de natuur dan toch verschillende oplossingen heeft gekozen voor boomtakken en bladnerven. Het zou kunnen komen doordat in het ene geval diffusie limiterend is, en in het andere geval de stromingsweerstand. Of zit de natuur toch complexer in elkaar? Er valt nog veel te ontdekken. l

Meer informatie: www.dct.tudelft.nl/pcmt