“Ik roep altijd dat driekwart van de onderzoekers van de TU/e zich met multiscale-onderzoek bezighoudt”, zegt Peletier. “Dat is misschien overdreven, maar veel zijn het er wel.” Van Brummelen: “Bij de oprichting van het instituut hebben we zeker dertig hoogleraren benaderd voor wie multiscale een hoofdzaak is, en ook nog een tiental voor wie het een nevenaspect is.”

Volgens hem is multiscale binnen de faculteiten W, W&I, TN, ST en BMT een belangrijk thema. “Maar ook bij Bouwkunde en Elektrotechniek zitten onderzoekers die een breder forum zoeken voor dit onderwerp. Multiscale is een van de sterke punten van de TU/e.”

Doel van het instituut, waarvan de leden met enige regelmaat bijeen zullen komen in het Advanced Study Center in Ceres -het recent geopende onderkomen van het ICMS- is de grenzen tussen de faculteiten te slechten. Daartoe worden workshops en colloquia georganiseerd en in de toekomst gezamenlijke onderzoeksvoorstellen ingediend. Daarnaast moet het EMI als een uithangbord naar buiten fungeren. Peletier: “We hopen dat vooraanstaande sprekers sneller naar Eindhoven zullen komen als ze door het Multiscale Institute worden uitgenodigd dan wanneer dit vanuit een van de faculteiten gebeurt.”

“We merken nu al dat mensen elkaar makkelijker vinden”, zegt Van Brummelen. “Een ander tastbaar resultaat van het instituut is een coherent keuzepakket voor het Bachelor College rond dit onderwerp. Dat was er zonder het EMI niet geweest.”

Peletier (hoogleraar binnen het CASA-centrum van de faculteit Wiskunde & Informatica en mede-oprichter van het ICMS) en Van Brummelen (leider van de sectie Multiscale Engineering Fluid Mechanics van de faculteit Werktuigbouwkunde en daarnaast eveneens verbonden aan CASA) leggen in de werkkamer van laatstgenoemde uit wat we onder het zelden vertaalde begrip ‘multiscale’ moeten verstaan.

Een mooi voorbeeld komt volgens Peletier uit de biologie. “In het menselijk lichaam zijn de verschillende lengteschalen op een heel natuurlijke manier benoemd. Diverse eiwitten en andere moleculen vormen samen een cel, die cellen vormen samen weer weefsels. Organen zijn opgebouwd uit verschillende weefsels. Samen vormen de organen een organisme, dat weer functioneert binnen een ecologische systeem van allerlei organismen.”

Uiteindelijk zijn ecosystemen opgebouwd uit dezelfde moleculen die ook de cellen vormen. Toch kun je aan de hand van de moleculaire samenstelling van de cellen al met grote moeite iets zeggen over hoe een cel functioneert, laat staan dat je dit over een aantal lengteschalen kunt doortrekken naar een ecosysteem of samenleving.

Van Brummelen: “Deeltjesfysici pochen graag dat zij de echte fundamentele wetenschap bedrijven; dat alles in principe volgt uit hun bevindingen. Maar in de praktijk zegt het gedrag van elementaire deeltjes natuurlijk heel weinig over bijvoorbeeld de menselijke psyche. Het verband leggen tussen fenomenen op verschillende schalen is een wetenschap op zich. Dat is multiscale.”

De directeur van het nieuwe instituut formuleert het nog iets anders: “Traditioneel splitsen wetenschappers de systemen die ze beschrijven op in steeds kleinere componenten, totdat ze iets overhouden dat zo eenvoudig is dat ze het kunnen begrijpen. Maar op een gegeven moment verlies je grip op hoe het geheel in elkaar zat. Multiscale draait om die teruggaande beweging naar grotere lengteschalen; hoe werken die kleine componenten nu samen om tot een bepaald gedrag op grotere schaal te komen?”

Een belangrijk begrip in dat verband is emergentie: systemen met grote aantallen relatief eenvoudige componenten blijken verrassend complex gedrag te vertonen. Het ontstaan van leven, bijvoorbeeld, zou je als een emergent verschijnsel kunnen beschouwen.

Dat multiscale-onderzoek een steeds prominentere plaats inneemt binnen de wetenschap, is volgens Peletier voor een groot deel te danken aan de rekenkracht van moderne computers. “Daarmee kun je systemen doorrekenen met steeds meer deeltjes - dat kunnen eiwitten zijn, of cellen, of individuen. Vaak blijkt dan dat die deeltjes samen interessante dingen doen. Je zit als wetenschapper bijvoorbeeld achter je computer en daar rolt iets uit dat je niet had verwacht. En dan ga je je afvragen waarom dat gebeurt.”

“Anderzijds komt er ook steeds meer aandacht voor multiscale omdat we ons steeds bewuster worden van wat we níet kunnen berekenen”, zegt Van Brummelen. “Vroeger waren we al lang blij dat we überhaupt íets konden uitrekenen met computers en waren we ons minder bewust van de grenzen aan die mogelijkheden.”

Peletier beaamt dat: “Ik kan me nog goed herinneren dat een Franse professor, Olivier Pironneau, twintig jaar geleden al zei: we kunnen nu de luchtstroom rond een auto berekenen als hij met vijf kilometer per uur rijdt. Om de luchtstroom bij zes kilometer per uur te berekenen, heb je duizend keer zoveel rekenkracht nodig. Dan ben je dus jaren verder. Dat komt doordat je heel snel steeds meer datapunten nodig hebt omdat de luchtwervels kleiner worden bij hogere snelheid. Je hebt multiscale-technieken nodig om toch iets te kunnen zeggen over de wrijving bij realistische snelheden.”

“Het komt er dus op neer dat we nooit in staat zullen zijn om het stromingsprofiel bij die realistische snelheden volledig te berekenen”, voegt Van Brummelen daaraan toe. “In een van mijn eigen onderzoekslijnen zoeken we nu naar een methode om de wrijvingsweerstand -het getal dat je eigenlijk uit het stromingsprofiel wilt afleiden- te vinden zonder het volledige profiel te hoeven berekenen.”

“Een vergelijkbaar probleem treedt op bij ijle gassen, gassen met zo weinig deeltjes dat de moleculaire structuur belangrijk wordt”, vervolgt hij. “Dat speelt bijvoorbeeld een rol in de chipmachines van ASML. Je wilt de warmtegeleiding in die machines weten. Dat is eenvoudig voor hogere drukken, waarbij je het gas als een continuüm kunt beschouwen, maar zulke ijle gassen kun je niet volledig modelleren. Dan moet je op zoek naar een manier om alleen de warmteoverdracht te bepalen.”

Ook Peletier geeft een concreet voorbeeld van zijn eigen multiscale-onderzoek: “Wij werken samen met Tata Steel (voorheen Hoogovens, red.) om een nieuwe generatie licht maar sterk staal te ontwikkelen. De crux zit hem daarbij in de korrelstructuur van het metaal - de gebiedjes met een bepaalde kristalstructuur. Hoe goed je het staal kunt buigen, hangt af van de precieze structuur van deze korrels, maar ook van hoe al deze korrels ten opzichte van elkaar kunnen bewegen, tot op het niveau van een plaat staal voor een auto. Het is dus een echt multiscale-probleem.”

Wanneer is het EMI volgens de oprichters geslaagd? “Wat mij betreft als het nieuwe wetenschap oplevert; als er nieuwe inzichten uit ontstaan”, zegt Van Brummelen.  “Je zou ook kunnen stellen dat je de jaarlijkse kosten van vijftigduizend euro er al uit hebt als je met een samenwerkingsproject externe financiering voor één promovendus binnenhaalt. Maar nieuwe wetenschap vind ik een mooier criterium.”