Beter onderhoud en minder storingen met nieuwe thermodynamische methode

Na bijna tien jaar onderzoek naar de fysica van degradatie van onder meer wrijvingsoppervlakken, smeermiddelen, accu’s en metalen structuren, hebben Jude Osara, (TU/e) en Michael Bryant (Universiteit van Texas, VS) een universele op thermodynamica gebaseerde methodologie voor schadekarakterisering voorgesteld voor de analyse van daadwerkelijk bestaande systemen, die vaak complexe processen ondergaan.

Het tweedelige werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Entropy onder de titels Methods to Calculate Entropy Generation en Systems and Methods for Transformation and Degradation Analysis.

Alles degradeert in de loop van de tijd. Als technische systemen niet actief worden onderhouden, raken ze uiteindelijk defect en sommige storingen kunnen catastrofaal zijn, bijvoorbeeld in de transport- of bouwsector. Om deze storingen te beperken is preventief onderhoud nodig, dat jaarlijks miljarden euro’s kost. Om de onderhoudskosten te verlagen en storingen te voorkomen is accurate karakterisering van de degradatie nodig.

Met eerste beginselen als uitgangspunt hebben Osara en Bryant een benadering ontwikkeld die is gebaseerd op de tweede wet van de thermodynamica, die de auteurs hebben geherformuleerd als het PEG-theorema (Phenomenological Entropy Generation). Dit theorema definieert als referentie een pad van nulveroudering (dat de limiet aangeeft waarbij een systeem alleen maar bestaat) en een verouderingspad, waarlangs alle daadwerkelijk bestaande systemen zich moeten ontwikkelen wanneer zij actief of in gebruik zijn. In combinatie met het DEG-theorema (Degradation Entropy Generation) wordt vervolgens een door de gebruiker gekozen prestatie-indicator (dat wil zeggen een willekeurige systeemparameter die door een sensor kan worden gemeten) direct gecorreleerd met de fysica van de actieve procesmechanismen.

Osara: “Het verlengen van de bruikbare levensduur van een systeem via optimalisatie in situ en gepland onderhoud begint met het karakteriseren van de degradatie. Hoewel kunstmatige intelligentie steeds meer terrein wint in veel aspecten van het menselijk leven, blijft het vermogen hiervan om systeemdegradatie en -instabiliteit te karakteriseren sterk ontoereikend en erg kostbaar. Hier demonstreren wij een eenvoudige en universele methode voor het analyseren van alledaagse, daadwerkelijk bestaande systemen die onstabiele en niet-lineaire interacties ondergaan.

“Het PEG-theorema is direct en universeel en het analysealgoritme is eenvoudig, niet-intrusief en goedkoop. Als je de temperatuur en andere procesparameters zoals kracht, snelheid, spanning, belasting, elektrische spanning, stroom en dergelijke kunt meten of schatten, ben je al een heel eind op weg met het evalueren van de generatie van entropie voor je systeem. Als je de materiaaleigenschappen kunt meten of schatten, kun je met de generatie van entropie doen wat je wilt. Onze benadering karakteriseert ook instabiliteit en kritieke fenomenen, zoals is aangetoond aan de hand van de oververhitting van Li-ion-accu’s.”

Deze op fysica gebaseerde methodologie kan volgens de onderzoekers worden gecombineerd met bestaande benaderingen om realistische veranderingen in de tijd aan systemen te kwantificeren.