ASML-er Rob Faessen maakt chemische fabrieken veiliger met slimmere wiskunde

Rob Faessen van ASML heeft nieuwe wiskundige methoden ontwikkeld die de computermodellen in chemische fabrieken betrouwbaarder maken. Zijn werk helpt ingenieurs om kostbare fouten en onveilige situaties te voorkomen.

Faessens onderzoek brengt natuurkunde, wiskunde en informatica samen. Hij ontwikkelde een methode die de vergelijkingen achter chemische installaties automatisch controleert op fouten. Daarvoor bedacht hij een eigen computertaal om die vergelijkingen helder en eenduidig vast te leggen, en software die ze vervolgens nakijkt.

Tijdens dat proces ontdekte hij dat het internationale stelsel van meeteenheden (het SI-stelsel) niet altijd goed aansluit op de manier waarop computers rekenen.

Bij het ontwerpen van chemische fabrieken zijn computermodellen onmisbaar. Ze berekenen onder andere druk, temperatuur en stromingen van vloeistoffen en gassen. Op basis daarvan bepalen ingenieurs hoe groot bepaalde onderdelen moeten zijn of hoe een installatie veilig kan draaien. Maar als er een fout zit in de gebruikte vergelijkingen, kan dat grote gevolgen hebben: van verkeerd ontworpen apparatuur tot onnodige kosten of inefficiënte processen.

Faessen onderzocht hoe zulke fouten betrouwbaarder zijn op te sporen en ontwikkelde methoden om procesmodellen veiliger en robuuster te maken. Hij verdedigde zijn proefschrift op dinsdag 7 oktober.

Slimmer controleren van vergelijkingen

De meeste software die chemisch ingenieurs gebruiken, is wel goed in het oplossen van grote rekenmodellen, maar kijkt niet goed of de vergelijkingen zelf logisch zijn. Alleen de eenvoudigste fouten (zoals het bij elkaar optellen van meters en kilo’s) worden herkend.

Faessen ontwikkelde een uitgebreidere controle die kijkt naar vijf aspecten van een vergelijking: de chemische inhoud, het differentieel (veranderlijk) gedrag, de geometrische structuur, patronen in de relaties tussen variabelen en een nieuw concept dat hij tensiveness noemt.

Dat laatste verfijnt het klassieke onderscheid tussen intensieve eigenschappen (die niet veranderen als je de hoeveelheid stof vergroot of verkleint, zoals temperatuur) en extensieve eigenschappen (die wél toenemen of afnemen met de hoeveelheid materiaal, zoals massa), zodat ingenieurs beter kunnen nagaan of grootheden correct met elkaar worden gecombineerd.

Van idee naar software

Om zijn methode meteen toepasbaar te maken, ontwikkelde Faessen twee hulpmiddelen: de computertaal Equate en de software Equator. Met Equate kunnen ingenieurs hun procesmodellen op een duidelijke en gestructureerde manier opschrijven, terwijl Equator automatisch controleert of alles klopt.

In tegenstelling tot algemene programma’s zoals Julia of Mathematica, die vooral kijken of eenheden zoals meter of seconde goed worden gebruikt, gaat Equator dieper. Het programma analyseert ook wat de variabelen precies voorstellen en hoe ze zich tot elkaar verhouden. Daardoor krijgt de gebruiker gerichtere feedback over mogelijke fouten.

Aangetoond effectief

Faessen testte zijn aanpak eerst op eenvoudige modellen waarin expres fouten waren verwerkt — Equator ontdekte ze allemaal. Daarna paste hij zijn methode toe op een complexer, echt voorbeeld: een olie­scheidingsinstallatie met honderden vergelijkingen. Ook daar werkte het systeem betrouwbaar en wees het precies aan waar fouten zaten.

Fundamenteler probleem

Het onderzoek bracht ook een fundamenteler probleem aan het licht: het Internationaal Stelsel van Eenheden (SI), waarmee wereldwijd eenheden zoals meter, seconde en kilogram zijn vastgelegd, is niet precies genoeg beschreven om altijd goed te werken in computers die wiskundige modellen controleren of berekenen.

Door deze basis beter te definiëren, legt Faessen’s werk het fundament voor betrouwbaardere procesmodellen. In de toekomst zouden deze methoden hun weg kunnen vinden naar commerciële software, waardoor ingenieurs met meer vertrouwen kunnen ontwerpen, minder kostbare fouten maken en chemische installaties zowel veiliger als efficiënter worden.