TNO innovaties

Hoor je een vreemd zoemend geluid in de lucht, dan is de kans groot dat er een drone boven je zweeft. Handig voor bijvoorbeeld hulpdiensten tijdens een festival, maar drones kunnen ook ingezet worden door kwaadwillenden. Denk daarbij aan het hinderen van de luchtvaart op Schiphol, of aan het bevestigen van explosieve materialen aan de drone om een aanslag mee te plegen.

TNO onderzoekt daarom de mogelijkheden van high energy lasers om ongewenste drones uit de lucht te schieten. De laser is even snel als het licht en is krachtig genoeg om dik staal te doorboren. Met high energy lasers hebben we in de nabije toekomst een krachtig wapen achter de hand dat op veel fronten kan worden ingezet.

Vrijwel alle verbindingen die we in het dagelijks leven gebruiken, zoals wifi, bluetooth en 5G, zijn gebaseerd op radiofrequentiegolven. Sinds een paar jaar werkt TNO aan iets nieuws: laser-satellietcommunicatie. Met licht kun je namelijk veel meer informatie verzenden. Bovendien is het minder duur, verbruikt het minder stroom én kan het lastiger worden onderschept door kwaadwillenden.

Laser-satellietcommunicatie kan daarom het antwoord zijn op de groeiende vraag naar data die ontstaat door social media en innovaties, zoals de zelfrijdende auto en het Internet of Things, – én het zou in de toekomst gebruikt kunnen worden voor betere communicatie tijdens ruimtemissies naar andere planeten.

Informatie delen tussen organisaties kan heel nuttig zijn voor bijvoorbeeld wetenschappelijk onderzoek, maar privacy en concurrentiegevoeligheid zijn vaak argumenten om het niet te doen. TNO werkt daarom aan Multi-Party Computation (MPC). MPC is een ‘gereedschapskist’ met versleutelingtechnieken die het mogelijk maakt dat meerdere partijen gezamenlijk aan data kunnen rekenen, alsof ze een gedeelde database hebben. Doordat de data een-op-een versleuteld is, kan deze geanalyseerd worden zonder dat de partijen andermans data ooit kunnen inzien.

Een van de onderzoeksprojecten is BigMedilytics. Op basis van de gevoelige data over patiënten die lijden aan hartfalen leert TNO’s computermodel allerlei verbanden uit de gecombineerde data van Zilveren Kruis en Erasmus MC. Hierdoor wordt het mogelijk om voorspellingen te doen wie er een verhoogd risico loopt op hartfalen – en kunnen deze mensen de zorg krijgen die ze nodig hebben.

Het satellietinstrument TROPOMI, ontworpen door optische en mechanische experts van TNO, Airbus Defence and Space Netherlands en mede door SRON en KNMI, is het meest geavanceerde en nauwkeurige instrument ooit, dat vanuit de ruimte metingen verricht voor onderzoek naar broeikasgassen en luchtverontreiniging. Hierdoor is nauwkeurig te meten hoe bijvoorbeeld ozon, stikstofoxide en methaan zich in de atmosfeer ontwikkelen.

Dankzij de precisie van dit instrument wordt luchtvervuiling tot op stadsniveau in kaart gebracht. Verder kan TROPOMI onderscheid maken tussen verschillende bronnen van vervuiling, zodat passende maatregelen kunnen worden genomen. Deze informatie is belangrijk, omdat we nu inzichtelijk hebben hoe schoon de lucht is op lokaal niveau en overheden kunnen zien of milieuregels worden nageleefd of nodig zijn. Zonder kennis van TNO was dat niet gelukt

In 2011 werd het Informatieknooppunt Cybercrime ondergebracht bij TNO. Daarin werken overheden en bedrijven samen om ons land te beschermen tegen digitale dreigingen. Om bij te dragen aan het opsporen van criminelen, ontwikkelde TNO in samenwerking met de politie, de software QUIN.

Je kunt QUIN zien als een ervaren rechercheur die ontzettend veel politieonderzoeken heeft gezien. Op basis van oude zaken kan er voorspeld worden welke stappen een crimineel die nog een straf moet uitzitten, zal gaan zetten. Het geeft aan welke opties de meest waarschijnlijke zijn, bijvoorbeeld vluchtgevaar, en waarop politie in de opsporing het beste kan inzetten. QUIN heeft bovendien deelgenomen aan het populaire tv-programma ‘Hunted’.

Voor de energievoorziening van de toekomst zijn ‘smart grids’ nodig: slimme infrastructuren voor elektriciteit, gas en warmte, waarin ICT een onmisbare component vormt. Smart grids stemmen vraag en aanbod optimaal op elkaar af door energiestromen te meten. Ook bevatten de systemen toepassingen om deze energiestromen en -productie, bijvoorbeeld uit zonnepanelen, aan te sturen.

In 2005 werden smart grids voor het eerst onder de aandacht gebracht, maar TNO doet al decennialang onderzoek naar dit onderwerp. Zij ontwikkelt hiervoor concepten, rekenmodellen en systemen. In 2005 lanceerde TNO een eerste toepassing, vooruitlopend op de slimme meter die je anno 2022 in vrijwel elk huishouden kunt vinden.

Bij de ontwikkeling van medicijnen wordt vaak pas in de eindfase een studie verricht naar menselijke absorptie, distributie, metabolisme en excretie (ADME) van het middel. Dit betekent dat wanneer er op dat moment toch metabolieten worden ontdekt, het voor biotechnologiebedrijven een enorme uitdaging is om goedkeuring voor het geneesmiddel te krijgen. TNO is de enige organisatie in Europa met een biomedische Accelerator Mass Spectrometer (AMS).

Aan de hand van deze microtracer kunnen in een vroeg stadium al metabolieten worden opgespoord. Dit vergroot niet alleen de snelheid waarmee een medicijn op de markt kan worden gebracht, het verkleint ook de noodzaak voor dierproeven. De procedure is bovendien minder arbeidsintensief, wat leidt tot een goedkoper geneesmiddel voor de patiënt.

Geen stapel pasjes meer in je portemonnee, maar betalen via je smartphone. Het klinkt als een modern fenomeen, maar het eerste onderzoek op dit gebied werd al in 1995 uitgevoerd door KPN Research, sinds 2003 onderdeel van TNO. Later deed TNO uitgebreid onderzoek naar de Near Field Communication, de NFC-technologie die nodig is voor de communicatie tussen de smartphone en het betaalapparaat – en met succes. Daarmee werd de eerste stap in Nederland richting het betalingssysteem van de toekomst gezet.

Al sinds de start van de Koude Oorlog werken de Koninklijke Marine en TNO samen aan betere sonartechnologie voor onderwater waarnemingen. Een eerste voorbeeld daarvan is de passieve Twin Array, waarmee kon worden waargenomen of een doel zich links of rechts van een schip bevond. De ontwikkeling van de actieve sonar was een belangrijk vervolg, waarmee het mogelijk werd om niet alleen te ontvangen, maar óók te zenden.

Hierdoor werd het mogelijk om moeilijk waar te nemen, vijandelijke objecten, tijdig en op grote afstand te detecteren. Daarmee is de veiligheid van legereenheden beter te garanderen. TNO is sinds 2001 betrokken bij SOCRATES (SOnar CalibRAtion and TESting) en opvolger SOCRATES 2.

Je ziet om je heen steeds vaker mensen die een noise cancelling koptelefoon dragen. Door het tegengestelde geluid te laten horen, wordt het lawaai op de achtergrond flink verlaagd. Al in 1994 voerde TNO proeven uit met antigeluid. Door op vliegtuigpropellers magnetische sensoren te plaatsen kon het frequentiespectrum van het motorgeluid worden vastgesteld.

Dit signaal werd doorgevoerd naar een zogenaamde toongenerator, die dat spectrum analyseert en bij elke frequentie het tegengestelde geluid produceerde. Dit antigeluid werd via luidsprekers in de vliegtuigcabine hoorbaar gemaakt. Zo konden piloten opeens zonder koptelefoon met elkaar communiceren. Vandaag de dag wordt de noise cancelling technologie steeds vaker toegepast in luisterapparatuur voor consumenten.

Rekeningrijden heeft als doel om het gebruik van het wegennet te optimaliseren en zo het verkeer beter te spreiden, files te verminderen, en de uitstoot te verlagen. Een mooi principe, maar hoe breng je dat in de praktijk? Het kon niet anders dan dat TNO het eerste onderzoek op dat gebied uitvoerde. In 1998 opperde TNO om automobilisten tijdens spitsuur een heffing te laten betalen op filegevoelige wegen rond de vier grote steden. Hiervoor ontwierpen ze een klein elektronisch apparaat voor achter de voorruit. De betaling zou plaatsvinden aan de hand van een chipkaart. Ondanks uitvoerig testen is het plan nooit helemaal uitgerold.

Nu uitstootvermindering hoog op de politieke agenda staat, zou rekeningrijden zomaar een opleving kunnen krijgen. We kunnen dan terugblikken op dit TNO-experiment als de start voor duurzamer weggebruik in Nederland.

Wat heeft de expertise van TNO op het gebied van ruimtevaart te maken met chips? Al decennia werkt TNO aan ruimtevaartinstrumenten en die moeten zeer schoon gehouden worden. Deze kennis werd later ingezet bij het fabriceren van chips. Daarvoor is licht nodig om een patroon in silicium te ‘schrijven’. ASML bereikte al bijna de grens met zichtbaar licht, en heeft vervolgens samen met TNO een nieuwe techniek ontwikkeld op basis van Extreem UV-licht.

Hiervoor moest een hele nieuwe lithografiemachine worden ontwikkeld, in vacuüm en met extreem schone spiegels. Het kleinste nano-stofdeeltje kan het hele fabricageproces namelijk verstoren. TNO ontwikkelde daarom technieken voor de schoonste spiegels ter wereld – veel schoner dan instrumenten in een operatiekamer.Inmiddels wordt wereldwijd geen chip meer gefabriceerd zonder gebruik van een machine van ASML.

De Nederlandse glastuinbouw wordt over de hele wereld geroemd. Een belangrijke reden voor dat succes is het uiterst efficiënte ontwerp van de kassenconstructie, wat mogelijk is dankzij het TNO-programma CASTA. Ook buitenlandse kassenbouwers maken steeds meer gebruik van deze software, die in 1993 operationeel ging. Het resultaat? Lichtere, maar sterkere en grotere kassen die schaalvergroting mogelijk maakten en zo de concurrentiepositie van Nederlandse tuinders vergrootte.

In 2006 hielp TNO de sector door het ontwikkelen van een draadloos systeem dat de grondvochtigheid van potplanten in kassen bewaakt: Sensiplant. De kennis en expertise van TNO worden vandaag de dag nog steeds ingezet, in Nederland maar ook wereldwijd.

Al decennialang doet TNO onderzoek naar waterstof als energiedrager. De eerste grote TNO-studie hierover verscheen in 1975. Verontrusting omtrent CO2-problematiek gaf in 1990 aanleiding opnieuw na te denken over alternatieve energiebronnen, zoals wind en zon, en de rol van waterstof hierin. Een nieuwe studie concludeerde dat technieken op het gebied van elektrolyse en brandstofcellen flink waren verbeterd en dat waterstof binnen vijftig jaar een grote rol zou kunnen spelen als alternatieve brandstof.

Inmiddels ontwikkelt TNO samen met partners technologie voor een nieuwe generatie elektrolysers, die waterstofproductie goedkoper maakt en een belangrijke rol gaat spelen in ons energiesysteem. Hierdoor staat Nederland bekend als waterstofland én hebben we een primeur met de eerste pilot van waterstofproductie op zee.

Wist je dat het idee voor zelfscanners in de supermarkt al ruim dertig jaar oud is? In 1987 benaderde Albert Heijn TNO voor de uitwerking van een compacte barcodelezer waarmee klanten zelf hun artikelen kunnen registreren tijdens het winkelen. Dat leidde tot een eerste prototype in een filiaal in Tilburg.

Een paar jaar later kwam TNO, met behulp van een Amerikaanse producent, met een nieuwe versie van de barcodelezer die (inter)nationaal kon worden uitgerold. Toch heeft het even geduurd voordat zelfscanners gemeengoed zijn geworden. Pas sinds halverwege het eerste decennium van 2000 zien we ze steeds vaker in supermarkten opduiken – ook bij de concurrenten van Albert Heijn.

Toen er begin jaren tachtig massaal beeldschermen op Nederlandse kantoren verschenen, ontstond er vrees voor negatieve gezondheidseffecten. Zo was er angst voor verlies van gezichtsscherpte of het optreden van staar. Onder medewerkers van sommige banken meende men zelfs een abnormaal groot aantal miskramen en geboorteafwijkingen te constateren. De Nederlandse overheid gaf TNO in 1985 daarom de opdracht om onderzoek te doen naar beeldschermwerk.

Uit het rapport ‘Achter de schermen’ bleek dat gezondheidsklachten vooral samenhangen met langdurig werk achter een scherm. In hetzelfde rapport werden ook aanbevelingen gedaan om het probleem, met specifieke aandacht voor ergonomische condities, tegen te gaan. Die bevindingen zijn uiteindelijk meegenomen in de belangrijke Arbowet.

Rond 1980 zette TNO de eerste stappen op het gebied van beeldherkenning met het programma Technical Command Language Image. Hierdoor werd het mogelijk een computer te gebruiken om beelden te analyseren, wat efficiënter was dan het menselijk oog. Zo werd het programma bijvoorbeeld gebruikt om stekjes van chrysanten te selecteren voor productverbetering, maar ook om de invloed van kankermedicatie te onderzoeken door het analyseren en beoordelen van medische foto’s.

TNO Beeldherkenning vond niet alleen gretig aftrek onder internationale bedrijven, maar vormde ook de opstap naar beeldherkenning op basis van kunstmatige intelligentie.

Radartechnologie vormt al decennialang een hoofdthema binnen het onderzoek van TNO. Vanaf eind jaren zestig werkten TNO’ers aan de ontwikkeling van nieuwe typen radars die niet meer ronddraaiden, maar gebruikmaakten van elektrisch gestuurde richtingsgevoeligheid: de phased array radars. Het vernuft zat hem in het grote aantal kleine antennes. Hierdoor konden de radars meerdere objecten voortdurend en tegelijkertijd volgen, een revolutie in die tijd. Zo kon de radar de horizon voortdurend afzoeken en ondertussen doelen detecteren en volgen, zoals raketten die vlak boven zee vlogen.
Deze geavanceerde radar vormde de basis voor nieuwere radars, zoals Active Phased Array Radar (APAR) en de latere SMART-L radar, die worden toegepast op marineschepen wereldwijd, zoals op de Nederlandse luchtverdedigings- en commandofregatten.

Als onderdeel van de overheidsinvesteringen in hernieuwbare energie, werd er ook gewerkt aan een betere benutting van zonnewarmte. In 1976 was TNO betrokken bij een pioniersproject waarbinnen vier experimentele zonnewoningen werden gerealiseerd in Zoetermeer. Grote zonnecollectoren vingen energie af, waarmee vervolgens de woning (gedeeltelijk) van warmte werd voorzien.

De kennis die TNO bij dit experiment opdeed werd al snel internationaal opgemerkt: in 1977 werd TNO ingeschakeld bij een groot Europees programma om een testmethode voor zonnecollectoren te ontwikkelen. Ook vandaag loopt TNO voorop in onderzoek naar het optimaal benutten van zonnewarmte, bijvoorbeeld met de ontwikkeling van warmtebatterijen en esthetische zonnewarmtegevels.

De oliecrisis van 1973 leidde in Nederland tot torenhoge prijzen van aardolie, waardoor de autoloze zondagen werden ingesteld en de maximumsnelheid werd verlaagd. Maar er gebeurde nog iets dankzij het tekort aan olie: er werd voor het eerst grootschalig geïnvesteerd in onderzoek naar hernieuwbare energie. Zo werd in 1975 het eerste Nationale Onderzoeksprogramma Windenergie opgericht, waarin TNO, ECN en de TU Delft samenwerkten. De resultaten hebben het mogelijk gemaakt dat de eerste generatie windturbines gebouwd konden worden.

Hiermee heeft TNO de kennispositie opgebouwd tot expert op het gebied van ontwerpmodellen waarmee nieuwe, grotere turbines te ontwikkelen zijn. Een van de grootste windturbines ter wereld, waar TNO haar bijdrage aan heeft geleverd, is de Haliade X van 245 meter hoog op de Maasvlakte. Deze levert een vermogen op waarmee de grootste Tesla binnen 30 seconden helemaal opgeladen kan worden.

Botsproeven zijn een onmisbaar onderdeel bij het ontwerpen van veilige auto’s. Voorheen konden deze tests alleen plaatsvinden met crashdummy’s, maar het was natuurlijk erg kostbaar om dagelijks meerdere dummy’s te verslijten. Daarom ontwikkelde TNO in de jaren zeventig een programma waarmee het mogelijk was om vooraf te berekenen wat er tijdens een botsing met het menselijk lichaam gebeurt. Dit programma was genaamd: Mathematisch Dynamisch Model, afgekort tot MADYMO.

Ook vandaag nog gebruiken vrijwel alle grote autoproducenten MADYMO in de beginfase van een nieuw auto-ontwerp om zo de veiligheid van inzittenden te verzekeren. Hoewel het programma door de jaren heen misschien wat veranderd is, lag de basis bij TNO.

Met de toename van het autoverkeer en een alsmaar groeiende industrie begonnen overheden en bedrijven na te denken over hun emissies. Wat had al die uitstoot voor gevolgen voor de lucht- en waterkwaliteit? TNO was de enige partij met voldoende capaciteit en kennis om dit te onderzoeken. Vanaf 1971 bezochten TNO-onderzoekers de chemische industrie in Limburg, de Hoogovens en een groot aantal kleinere bedrijven.

Tegelijkertijd berekenden ze de emissies van auto’s op grote wegen. In ruim dertig jaar vormden de TNO-gegevens de basis van gericht beleid voor het verbeteren van de lucht- en waterkwaliteit. Vanaf 2004 ligt de coördinatie bij het RIVM en is TNO betrokken als expert bij de controles en berekeningen.

Autorijden is vandaag de dag veiliger dan ooit. Nadat het aantal verkeersslachtoffers in de jaren vijftig en zestig alleen maar was toegenomen door de opkomst van de auto, werd begin jaren zeventig de daling ingezet. Van 3196 slachtoffers in 1972 naar 582 in 2021.

Hoe dat komt? Door de invoering van de gordelverplichting in 1971. Deze beleidskeuze was mogelijk dankzij innovatief TNO-onderzoek, waarbij voor het eerst gebruik werd gemaakt van een crashdummy.

De bof, difterie, polio, rodehond, tuberculose – vooral voor kinderen kunnen de gevolgen zeer ernstig zijn. In de strijd tegen deze ziektes, werd het Rijksvaccinatieprogramma opgericht. Vanaf 1957 konden kinderen die na 1945 geboren waren, ingeënt worden tegen polio.

Tegenwoordig biedt het vaccinatieprogramma bescherming tegen maar liefst twaalf infectieziekten. TNO verzorgde een belangrijke bijdrage aan het tuberculosevaccin en is vandaag de dag nog steeds nauw betrokken bij onderzoek naar deelnamebereidheid aan verschillende vaccinatieprogramma’s.

In nauwe afstemming met de Koninklijke Landmacht ontwikkelde TNO tussen 1956 en 1960 een digitaal vuurleidingstoestel. Dit was een apparaat voor luchtafweergeschut dat kon berekenen naar welk punt een projectiel afgeschoten moest worden. Door zeer kleine magnetische ringetjes toe te passen als geheugen, werd de nauwkeurigheid van de berekeningen vele male groter – en daarmee het luchtafweergeschut efficiënter.

Ook internationaal trok dit de aandacht. Zo werd het project mede gefinancierd door de Amerikaanse overheid en noemde een Noorse defensievertegenwoordiger het project een ‘hardware project of magnitude developed in a small country’. Het digitale vuurleidingstoestel was een vroeg staaltje signaalverwerking en baande de weg voor de huidige digitale informatiesuperioriteit van onze krijgsmacht.

De groei van kinderen wordt bijna nergens zo goed gedocumenteerd als in Nederland. Al sinds 1955 doet TNO met regelmaat onderzoek naar de groeiontwikkeling van onze jeugd. Hiervoor wordt elke tien tot vijftien jaar een grote groep kinderen gemeten en gewogen. De resultaten worden gebruikt om trends te signaleren, maar ook om nieuwe instrumenten te ontwikkelen die de groei van een kind kunnen volgen en beoordelen.

Denk hierbij aan groeidiagrammen en -calculators, zowel voor ouders als voor medische professionals. Dit alles zorgt voor een gezondere basis van kinderen in Nederland, maar inmiddels ook elders in de wereld.

Na de Watersnoodramp van 1953, besloot de Nederlandse overheid tot de bouw van de Deltawerken. TNO is vanaf het prille begin betrokken geweest bij dit immense project en ontwikkelde een scala aan instrumenten voor het meten van golven, watersnelheid, zoutgehalte en het getij. Omdat de meetinstrumenten moesten functioneren op onbeheerde meetstations, zorgde TNO voor een radioverbinding met het vaste land.

Vanaf de jaren zestig kwam daar de mogelijkheid bij tot dataverwerking door computers – eerst via bandponsers, later via de minicomputer met digitale signaaltransformaties. Dit vroege staaltje van sensornetwerken is de voorloper van de huidige digital twins, die ingezet worden voor het beoordelen van onderhoud van bijvoorbeeld bruggen.

Al tijdens de Tweede Wereldoorlog was TNO bezig met het innoveren van de woningbouw om zo een bijdrage te leveren aan de wederopbouw. In 1948 werden 48 proefwoningen in Rotterdam officieel onthuld door burgemeester Oud. Op het eerste gezicht is er weinig bijzonders te zien aan de appartementencomplexen in de Eksterstraat.

Toch zijn er allerlei bijzondere vloer-, dak- en wandconstructies toegepast, was er aandacht voor warmte- en geluidsisolatie, én werden moderne verwarmings- en ventilatiesystemen geïnstalleerd. Hiermee werd kwalitatief hoogwaardig perspectief geboden voor de naoorlogse woningbouw.

Aan het begin van de 20ste eeuw nam watervoorziening via het leidingnet in Nederland een hoge vlucht. Daarmee ontstond de behoefte om hydrologisch onderzoek centraal te coördineren. In 1946 besloten verschillende ministeries en diensten tot de oprichting van de Commissie Hydrologisch Onderzoek, onder de beschermende vleugels van TNO. Een van de doelen was het inwinnen en verspreiden van hydrologische en waterhuishoudkundige informatie.

Deze resultaten staan in een database die voor iedereen toegankelijk is, genaamd Basisregistratie Ondergrond (BRO). Nergens ter wereld is er zoveel kennis van de ondergrond als in Nederland. Deze geologische database is tegenwoordig cruciaal om veilig tunnels te graven, nieuwe wijken te bouwen, gas te winnen of ondergronds CO2 op te slaan.

Na de Eerste Wereldoorlog werd het menselijk gehoor steeds vaker ingezet voor luchtverdediging. Dankzij het parabolisch luistertoestel konden vliegtuigen sneller worden gedetecteerd bij slecht zicht, zoals tijdens bewolking of gedurende de nacht.

In de jaren dertig werkten onderzoekers van het latere TNO aan een 'elektrisch luistertoestel' voor de plaatsbepaling van luchtvaartuigen. Het systeem bleek uniek, want het zette Nederland en Engeland op voorsprong tijdens de Tweede Wereldoorlog. Het achterliggende principe van parabolische reflectie wordt wereldwijd nog steeds toegepast in richtmicrofoons.