Interview met Elena Lomonova
'Software en mechanica redden het niet meer zonder elektromechanica'
7 juli 2009
Ze studeerde en promoveerde op het vermaarde Moscow State Aviation Institute. Tussendoor deed ze onderzoek bij het staatsbedrijf Astrofysics. Enkele maanden geleden werd de van oorsprong Russische wetenschapper Elena Lomonova aan de TU Eindhoven benoemd tot hoogleraar Elektromechanica, Vermogenselektronica en Motion Systemen.
Als we eind 2008 de eerste keer met haar praten heeft Elena Lomonova net een IOP-EMVT-project toegewezen gekregen voor de ontwikkeling van een zwevend-plafondrobot voor zowel industriële als medische toepassingen. Deze ontwikkeling is een futuristische aangelegenheid. Het hele instrumentarium moet door de lucht gaan zweven. Draadloos. Dat heeft veel voordelen, ook wat betreft hygiëne. ‘Het idee is om magnetische afstotingskrachten te creëren’, legt ze uit. ‘De instrumenten zweven en worden bovendien contactloos van informatie en energie voorzien. Als de stroom uitvalt, plakt alles automatisch tegen het plafond door de aantrekkingskracht tussen het ijzer en de permanente magneten die aan de instrumenten zitten.’
Over vijf jaar verwacht Lomonova een proof of principle in het lab te kunnen laten zien. Inmiddels zijn afgelopen maart twee promovendi begonnen met dit onderzoek. Aan dit soort onderzoeksideeën ontbreekt het haar niet. Het zijn wetenschappers aan wie ze een schreeuwend tekort heeft en aan jonge mensen die in een promotieonderzoek verder willen kijken dan hun vakgebied. Want in grensoverschrijdend samenwerken in technologie zit volgens haar de komende decennia de uitdagingen.
Propaganda
Lomonova is de nieuwe TUE-hoogleraar Elektromechanica, Vermogenselektronica en Motion Systemen. Ze volgt de vorig jaar overleden André Vandenput op als voorzitter van de onderzoeksgroep Electromechanics and Power Electronics.
Lomonova is intussen Nederlandse, maar van oorsprong Russisch. Ze werd in 1959 geboren in Moskou en groeide op met verhalen over de kosmonaut Joeri Gagarin. In Rusland werd het hele ruimtevaartprogramma breed uitgemeten in de media. ‘Kranten, op tv, het was overal.’ Dat Gagarin in 1961 als eerste mens een ruimtereis maakte, had destijds een grote impact op de hele Russische maatschappij. Lucht- en ruimtevaart waren in de jaren zestig van de vorige eeuw hét onderwerp van gesprek. Lomonova zat er middenin en ervoer het als een nieuwe tijdgeest. Voor die tijd waren kernenergie en fysica nog de belangrijkste onderzoeksgebieden in de Russische wetenschap. ‘We groeiden op met Gagarin, Titov, Popovich en Tereshkova.’ Dit was dé manier om de mensen te mobiliseren na de tweede wereldoorlog.
Over het Westen hoorde ze weinig. In Rusland zag je vooral films over de tweede wereldoorlog met de focus op het eigen land. ‘Het werd openlijk besproken dat de Engelsen en Amerikanen hadden geholpen, maar wat het Westen precies voor rol speelde in de periode van ’41 tot ’45, daarover hadden we geen benul’, zegt ze. Stalin was intussen taboe. ‘Het ging over het professionalisme van onze generaals en maarschalken, over successen, opoffering en de Duitse concentratiekampen. We werden met het idee opgevoed dat de tweede wereldoorlog door Rusland was gewonnen.’
Het belang van technologie doordrenkte Lomonova’s jeugd en de gehele Russische gemeenschap. De aandacht was sterk gericht op intellectuele ontwikkeling. Er was respect voor de intelligentsia. ‘Na de tweede wereldoorlog was onze maatschappij heel arm. Iedereen had het over je kinderen ontwikkelen en onderwijzen. We zagen onderwijs als toegangspoort tot de welvaart.’
Het was propaganda, maar wel met goede elementen, zegt ze nu. Het motiveerde haar om voor een goede opleiding te kiezen. ‘In mijn generatie waren er zeer veel goed opgeleide mensen. Van mijn vrouwelijke leeftijdsgenoten heeft 51 procent hoger onderwijs gevolgd.’ Toen al waren er gelijke mogelijkheden in de technische wetenschappen voor mannen en vrouwen. Ze onderstreept het nog maar eens, want in Nederland werd Lomonova als vrouwelijke wetenschapper tot haar verbazing niet altijd serieus genomen.
Wie de carrière van Elena Lomonova overziet, zal zich voor de stereotypehouding van zijn landgenoten plaatsvervangend schamen. Nadat ze op de middelbare school twee klassen had overgeslagen en cum laude slaagde, begon ze op haar zestiende aan het Moskou State Aviation Institute. Dit is de vermaarde technische universiteit die werd opgericht als gevolg van de successen van vliegtuigontwerpers Tupolev (bommenwerpers en verkeersvliegtuigen), Mikoyan (van de Mig-straaljagers) en Jakovlev (van de driemotorige Jak-vliegtuigen).
Ze vertelt hoe belangrijk sociale contacten en vriendschappen voor haar waren. ‘We investeerden daar veel in, omdat we uit kleine gezinnen kwamen waarvan beide partners werkten. Toen al was het bijna onmogelijk om in Rusland van één salaris te leven. Al waren de salarissen voor zowel mannen en vrouwen wel even hoog.’
Socialisme voerde de boventoon: het werd volop gestimuleerd om elkaar en de gemeenschap te helpen. Op zaterdagen na school hielpen Lomonova en haar vriendinnen met straten schoonmaken, papier oprapen en oud ijzer ophalen. ‘Ook toen we op de universiteit zaten, veegden we op zondag bladeren van de boulevards.’ In augustus en september werden jongelui verplicht om in de collectieve boerderijen, de Kolchozen, mee te helpen met de oogst. Ook hielp Lomonova in 1977 en 1978 in Moskou mee met de bouw van het Olympische stadion.
Discipline
Op het Aviation Institute werkte Lomonova aan elektromechanische en regeltechnische systemen voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen. ‘De universiteit leidde specialisten op voor bedrijven, zowel voor de militaire als civiele sector. Het was een springplank naar een enorm aantal bedrijven: Mikoyan, Suhoy, Antonov, Tupolev, Ilushin en Jakovlev, ze hadden allemaal vliegtuigontwerpers nodig.’ Het was zeer geavanceerd werk, letterlijk rocket science, maar het was ook een zeer gesloten industrie.
Daarna ging ze naar het toen tienduizend medewerkers tellende staatsbedrijf Astrofysics. In Rusland moesten afgestudeerden na de universiteit verplicht drie jaar praktijkervaring opdoen. Pas daarna mocht je weer in de wetenschap aan de bak. Ze had het geluk dat ze bij de strategische ontwerpgroep terecht kwam, waar ze verantwoordelijk was voor de elektrische systemen. Ze deed er veel ervaring op met complexe projecten.
Ze herinnert zich de zeer hiërarchische wijze waarop de systemen bij Astrofysics tot stand kwamen. ‘Er was een concentratie van menselijke middelen voor de voornamelijk voor militaire doeleinden georiënteerde productie. De kwaliteit was heel hoog, de omgeving veeleisend, met een sterke discipline. Alles was heel gestructureerd: hoe laat je op je werk kwam, wanneer je wegging, hoe je documenteerde, met militaire controle over de verschillende fases.’ Ook de uitwisseling van documenten van de ene groep naar andere was heel strak gedefinieerd. ‘Als iemand een fout maakte, dan was die heel snel opgespoord.’
De productontwikkeling in het Rusland van de jaren tachtig was een wereld van verschil met de werkwijze die Westerse technologiebedrijven nu hanteren. ‘Hier moet je in drie maanden een concept hebben. Daarna komt de beslissing: gaan we door of niet? Voor ons was dat geen punt. Wij waren in Rusland niet gestrest door de deadline, maar door de oplossing. Het moést 200 kilometer per uur gaan en wij moésten dat halen. Visie was onbelangrijk. Anderen hadden al voor ons bepaald wat ons doel was. In Rusland hadden we daar strategische groepen voor. We hadden geen recht om te zeggen dat het niet zou werken. Er was geen alternatief. We moesten. We werden niet gestrest door de concurrentie, maar door het doel. Dat uitgangspunt is fundamenteel anders dan in Nederland. Als je hier te laat bent, dan verlies je marktaandeel.’
Drie jaar bij Astrofysics werden er uiteindelijk vijf. Lomonova wilde haar project afmaken en de uiteindelijke acceptatie meemaken. Maar daarna had ze het ook gehad met alle beperkingen. ‘Het moest, dus ik deed het. Maar ik ben in hard en nieren een wetenschapper en geen productingenieur. Verder kon ik alleen met naaste collega’s over mijn werk praten.’
In 1987 ging ze terug naar het Aviation Institute in Moskou, waar ze op de afdeling elektromechanica en vermogenselektronica groepsleider werd van zeventien onderzoekers en technici. Ook promoveerde ze er. ‘Subgroepen als supergeleiding en energieconversie hebben er een groepsleider en een professor als voorzitter. Deze professor heeft een relatief luxe baan. Hij raakt geen experimenten aan, geniet meer academische vrijheid en mag twee dagen per week thuis werken. Ik moest er elke dag zijn.’
Aapjeseffect
Lomonova maakte kennis met Nederland toen ze na haar cum laude promotie kon meedoen aan een Nuffic-programma waarmee jaarlijks dertig tot vijftig getalenteerde wetenschappers naar Europese landen konden. Het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) zocht via het programma een specialist met een sterke wetenschappelijke achtergrond. Lomonova kende het Nederlandse lab van internationale tentoonstellingen in Rusland en solliciteerde. Via de NLR-directeur kwam ze bij de faculteit lucht- en ruimtevaart van de TU Delft, waar ze ging werken aan een elektromechanisch vervanger voor een hydraulische actuator van de Cessna 500.
Zowel haar reis naar het Westen als de terugkomst in 1995 waren een cultuurschok. ‘Je ziet winkels en kijkt overal door glazen wanden. Ik zag lachende mensen. In Rusland was dat niet. Rusland is een experiment met een tragische historie. In Nederland begreep ik dat Rusland geen honderd, maar vijfhonderd jaar nodig zou hebben om op hetzelfde punt te komen. Door de aanhoudende oorlogen is er in Rusland de houding dat een mensenleven niet kostbaar is. Daar denk je eerst aan je moederland, dan aan jezelf. Hier is het helemaal andersom: eerst jezelf en je familie, dan je land. Dat is veel menselijker. Nederlanders steunden ons ook. Oké, dat kwam ook een beetje door het aapjeseffect. Ik was de eerste Rus op de Delftse faculteit Lucht- en Ruimtevaart.’
Ze voelde zich af en toe vreselijk. ‘Nederland verbaasde me. Ik zag er meer socialisme dan in Rusland.’ De academische omstandigheden in Nederland vond ze fantastisch. ‘Je had uitgebreide bibliotheken, kon ongelimiteerd documenten kopiëren en er waren verscheidene conferenties. Voor wie zich op zijn werk wil concentreren, is dat prachtig.’
Weer terug in Rusland zag ze dat de wetenschappelijke wereld onder de perestrojka in elkaar stortte. ‘Studenten waren gedemotiveerd en er was nauwelijks geld. Pennen en potloden bracht ik van thuis mee. Rusland was een gekkenhuis. We moesten op drie plaatsen tegelijk werken om in onze elementaire basisbehoeften te voorzien. Ondertussen werden veel mensen rijk met speculatie en handel, maar ik kwam uit een andere cultuur. Ik was na vier jaar gebroken.’
Intussen werd Lomonova verschillende malen vanuit Nederland uitgenodigd. Uiteindelijk accepteerde ze een project om voor een grote containerkraan in de haven van Rotterdam een verbeterd positioneringsysteem te onderzoeken. Daarvoor arriveerde ze in 1998. Nu met haar zoon, terwijl haar man in Rusland achterbleef om een werkcontract af te maken. Ze is nog steeds verwonderd over de manier waarop de lagere school in Delft haar zoon opving. ‘Hij kreeg acht extra lessen per week, vrijwillig. Voor die gastvrijheid ben ik nog steeds erg dankbaar. Ook dat ik als vrouw met een Russische achtergrond hoogleraar ben geworden geeft aan dat iedereen hier gelijke kansen krijgt.’
Toen ze in 2000 wilde terugkeren naar Rusland protesteerde haar zoon. ‘Hij was twaalf en zei hij dat hij niet voor niets zoveel energie in het Nederlands had gestopt. Ik had er de pest in. Ik wilde terug! Mijn man zat daar nog.’ Uiteindelijk solliciteerde ze bij professor André Vandenput op de Technische Universiteit Eindhoven waar ze werd aangenomen en waardoor haar man kon overkomen.
Hysterese
Wat zijn voor Lomonova de grote wetenschappelijke uitdagingen? In de gesprekken die Mechatronica Magazine met haar heeft, komt steeds naar voren dat ze bruggen wil bouwen tussen technische disciplines. Gebrek aan samenwerking ziet ze als een van de grootste bottlenecks voor vooruitgang. ‘Wij elektromechanici hebben te weinig interactie met software-ingenieurs, regeltechnici en werktuigbouwkundige en visa versa. Bijvoorbeeld, zonder software kunnen wij geen mechatronica maken. Maar informatici willen zich niet in de fysica verdiepen. Zij zien ons niet, wij hen niet. Het zijn compleet verschillende werelden met verschillende vragen en probleemaanpakken.’
Samenwerken zal moeten om de complexiteit te lijf te gaan waarmee de Zuid-Nederlandse mechatronicabedrijven te maken hebben. ‘Niemand kan het totaal bevatten. Alleen een multidisciplinaire benadering zal tot het gewenste resultaat leiden, waarin elektromechanici, vermogenselektronici, regeltechnici, mechanici en softwarearchitecten op dezelfde golflengte met elkaar samenwerken.’
Betere modellering acht ze cruciaal om de huidige elektromechanische en vermogenselektronische uitdagingen te lijf te gaan. ‘De huidige systemen vereisen dat het onderste uit de kan wordt gehaald. De oude aanpak waarin de vakgebieden in hoge mate gesepareerd zijn en gebruikmaken van hun eigen gesimplificeerde modellen is dan niet meer de geschiktste. Om het gedrag van actuatorsystemen beter te voorspellen, moeten de complexe fysische fenomenen tot op detail worden beschreven. Deze modellen dienen niet alleen gebruikt te worden tijdens het ontwerp maar ook in de regelaars. Wel is het van belang om deze modellen te reduceren tot realtime equivalenten zonder het gedrag van de complexe fysica te verliezen. Zo is nog steeds de krachten- en koppeldistributie niet tot op het microniveau bekend, terwijl dit van groot belang is voor op reluctantie en permanente magneten gebaseerde positioneringsystemen, actuatoren met meer vrijheidsgraden en om de elektromechanische belasting in elektrische machines te bepalen. Veel van deze problematiek beginnen we nog maar net te begrijpen.’
Nu grijpen ontwerpers nog vaak naar voor de hand liggende oplossingen. ‘Onder druk van de markt krijgen ingenieurs niet de tijd. Als het sneller moet, dan draaien ze automatisch aan een aantal knoppen: ze verhogen het vermogen en stabiliseren het systeem met grotere massa’s. Om 300 gram te bewegen maken we een systeem van een ton, een machine die tientallen kilowatten gebruikt om een paar ons heen en weer te bewegen. Dat komt doordat mechanische en software-engineers die wereld domineren. We moeten de fysica weer als uitgangspunt nemen en het technische proces analyseren. We moeten de hele systeemarchitectuur weer helemaal overdenken. Wellicht moeten we naar niet-rigide onderdelen. Zonder een stap terug is het onmogelijk om een stap vooruit te zetten.’
Software-engineers en werktuigbouwkundigen hebben volgens haar te weinig oog voor de elektromechanische en -magnetische problemen die de kop opsteken, zoals dempende wervelstromen, hysterese-effecten en fasedraaiingen. ‘Niet alleen in actuatoren, maar bijvoorbeeld ook een zeer nauwkeurige elektronenmicroscoop die met lage snelheid beweegt, heeft last van hysterese-effecten door het omringende ijzer. Microscopisten bewegen hun sample en zijn dan ineens hun focus kwijt. Ook dit soort onderzoek staat op onze researchagenda.’
De rol van elektromechanici en vermogenselektronici wordt belangrijker. ‘Tot nu toe hadden software-engineers en werktuigbouwkundigen een dominante rol in de ontwikkeling van regelsystemen. De complexiteit heeft nu echter zo’n hoog niveau bereikt dat software en mechanica het niet meer redden zonder onze hulp. We gaan naar een toekomst van gedistribueerde niet-symmetrische actuatorsystemen. Door alles zwaarder uit te voeren, redden we het niet. Positiesystemen vragen zulke hoge krachten dat ingenieurs niet meer weten hoe ze die moeten bereiken. De hoge versnellingen vragen vermogensversterkers met hoge bandbreedtes. Het schakelen geeft ruis en dat heeft invloed op de prestaties. Zonder multidisciplinaire benadering is dat niet in de hand te houden. Daarvoor hebben we snelle, accurate en interactieve modellen nodig.’