Modulariteit: bouwen met verwisselbare bouwstenen
Stel je een doos LEGO voor. Elk blokje heeft precies dezelfde nopjes, ongeacht of het blokje uit 1998 komt of vorige maand gekocht is. Daardoor kun je blokjes eindeloos combineren, uit elkaar halen en hergebruiken in een heel ander bouwwerk. Dat is in de kern wat modulariteit betekent: een product, gebouw of systeem opbouwen uit losse onderdelen die via een vast, gestandaardiseerd "aansluitpunt" met elkaar verbonden worden, in plaats van alles in één onlosmakelijk geheel te gieten.
In de wereld van toekomsttechnologie duikt dit principe steeds vaker op, van smartphones die je zelf repareert tot kerncentrales die in fabrieksonderdelen worden aangeleverd. De belofte is steeds vergelijkbaar: sneller bouwen, makkelijker repareren of opwaarderen, en minder weggooien. Maar zoals bij LEGO geldt ook hier: de losse blokjes werken alleen goed samen als iedereen zich aan dezelfde maatvoering houdt, en dat is in de praktijk lastiger dan het klinkt.
Wat is het precies?
Een modulair systeem bestaat uit modules: zelfstandige onderdelen die elk een duidelijk afgebakende taak hebben. Denk aan de accu van een telefoon, een kamer van een gebouw, of een sectie van een ruimtestation. Elke module kan in principe apart ontworpen, gemaakt, getest en vervangen worden.
Wat modules bruikbaar maakt, is de interface: de afgesproken manier waarop een module met de rest van het systeem verbinding maakt. Bij LEGO zijn dat de nopjes; bij een laptop kan dat een schroefpatroon en een stekkerverbinding zijn; bij een ruimtestation is het een koppelmechanisme waarmee modules in de ruimte aan elkaar vastklikken. Zolang een nieuwe module zich aan die afgesproken interface houdt, maakt het niet uit hoe hij er vanbinnen uitziet.
Dit staat tegenover een monolithisch ontwerp, waarbij onderdelen zo met elkaar verweven zijn dat je ze niet apart kunt vervangen zonder het hele systeem open te breken of opnieuw te maken. Een dichtgelijmde telefoon waarvan de accu vastzit aan de behuizing is daar een voorbeeld van.
De technische uitdaging van modulariteit zit vooral in die interface. Ontwerpers moeten vooraf, vaak jaren van tevoren, afspreken hoe modules met elkaar "praten": welke afmetingen, welke stroom, welke signalen. Die afspraken moeten bovendien standhouden terwijl de techniek binnen de module verder verbetert. Dat vraagt om standaardisatie, en standaardisatie kost tijd, overleg en compromissen, wat modulair ontwerpen vaak duurder of trager maakt om op te zetten dan gewoon "iets bouwen dat werkt".
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste doel is levensduur en repareerbaarheid. Als een onderdeel kapotgaat of verouderd raakt, hoef je niet het hele product weg te gooien, maar vervang je alleen die ene module. Dat is de gedachte achter modulaire smartphones en laptops.
Een tweede doel is flexibiliteit en snelheid, vooral in de bouw. Modules die in een fabriek onder gecontroleerde omstandigheden gemaakt worden, kunnen sneller en met minder overlast op locatie samengevoegd worden dan een gebouw dat helemaal ter plekke wordt opgetrokken.
Een derde doel is schaalbaarheid: gefaseerd opbouwen en later uitbreiden. Een modulair systeem hoeft niet in één keer af te zijn; je kunt beginnen met een basisversie en er later onderdelen aan toevoegen.
Een vierde doel is kostenbesparing door fabrieksproductie. Als je honderd keer dezelfde module in een fabriek maakt in plaats van telkens een uniek, op maat gebouwd systeem, profiteer je van herhaling en massaproductie, wat in theorie goedkoper en voorspelbaarder is.
Tot slot speelt duurzaamheid mee: minder elektronisch afval, minder sloopafval, en onderdelen die hergebruikt kunnen worden in plaats van weggegooid.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Nederlandse bedrijf Fairphone, opgericht in 2013 in Amsterdam, maakt smartphones waarvan je de accu, het scherm en de camera met een gewone schroevendraaier zelf kunt vervangen. Het meest recente model, de Fairphone 5, kwam uit in 2023. Het doel is simpel: een telefoon langer meegaan laten dan de gebruikelijke twee tot drie jaar.
Het Amerikaanse bedrijf Framework, opgericht in 2021 door Nirav Patel, maakt een laptop volgens hetzelfde idee. Het moederbord, het scherm, het toetsenbord en zelfs de poorten aan de zijkant (uitwisselbare "Expansion Cards") zijn te vervangen of op te waarderen, zodat je niet elke paar jaar een compleet nieuw apparaat hoeft te kopen.
Het Internationaal Ruimtestation (ISS) is misschien wel het meest tot de verbeelding sprekende voorbeeld. Het station werd niet in één keer gelanceerd, maar opgebouwd uit losse modules die apart de ruimte in gingen en daar aan elkaar gekoppeld werden. De eerste module, Zarya, ging in 1998 de ruimte in. Modules kwamen van de Amerikaanse NASA, de Russische Roscosmos, het Europese ESA en het Japanse JAXA. Dankzij die modulaire opzet kon het station gefaseerd gebouwd en later uitgebreid worden.
In de energiesector wordt gewerkt aan Small Modular Reactors (SMR's): kleinschalige kerncentrales waarvan de onderdelen in een fabriek als standaardmodules gemaakt worden, in plaats van een hele centrale op locatie te bouwen. Het Amerikaanse NuScale Power kreeg in 2023 als eerste partij een ontwerpcertificering van de Amerikaanse nucleaire toezichthouder NRC voor zijn SMR-ontwerp. Ook het Britse Rolls-Royce SMR ontwikkelt eigen modulaire reactorontwerpen.
En ook in de woningbouw wint het principe terrein. Het Nederlandse bouwbedrijf Heijmans bracht vanaf 2017 met Heijmans ONE kleine, verplaatsbare modulaire woningen op de markt, bedoeld voor flexibele of tijdelijke bewoning. Deze aanpak van fabrieksmatig geproduceerde bouwmodules die op de bouwplaats gestapeld worden, wordt in Nederland vaker genoemd als mogelijke aanpak voor de woningcrisis.
Hoe ver is de techniek?
De status verschilt sterk per domein. Modulaire elektronica zoals Fairphone en Framework bewijst dat het technisch kan, maar beide bedrijven blijven tot nu toe een nichemarkt bedienen: een klein segment kopers dat repareerbaarheid belangrijk vindt, terwijl de massamarkt vooral kiest op prijs, camera of merk.
Modulair bouwen wint terrein in de woningbouw, maar kampt met een imagoprobleem: veel mensen associëren "modulair" nog met goedkope noodwoningen van lage kwaliteit, en standaardisatie tussen verschillende bouwbedrijven en gemeenten verloopt moeizaam.
SMR's zijn qua ontwerp grotendeels uitontwikkeld en sommige, zoals dat van NuScale, zijn zelfs officieel gecertificeerd, maar geen enkel SMR-ontwerp is op dit moment commercieel operationeel. De sector kampt met vertragingen en kostenoverschrijdingen: zo werd in 2023 een eerder NuScale-project met de Amerikaanse energiecoöperatie Utah Associated Municipal Power Systems stopgezet. Eerste commerciële toepassingen worden op zijn vroegst eind jaren 2020 of in de jaren 2030 verwacht.
Het ISS zelf heeft het modulaire bouwprincipe overtuigend bewezen: het station functioneert al sinds 1998. Maar het station nadert nu het einde van zijn levensduur; buitendienststelling wordt rond 2030 verwacht, wat los staat van het modulaire ontwerp zelf, dat als concept geslaagd is.
Wie werken eraan?
In de elektronica zijn Fairphone (Nederland) en Framework (Verenigde Staten) de bekendste namen. In de ruimtevaart zijn het de nationale en internationale ruimtevaartorganisaties NASA (VS), Roscosmos (Rusland), ESA (Europa) en JAXA (Japan) die samen het ISS bouwden en onderhouden.
In de kernenergie lopen de Verenigde Staten (NuScale Power) en het Verenigd Koninkrijk (Rolls-Royce SMR) voorop, met ook Canada en Frankrijk als landen die actief SMR-ontwikkeling en -beleid verkennen. In Nederland doen TU Delft onderzoek naar modulair en industrieel bouwen, en TNO toegepast onderzoek naar onder meer energie- en bouwtechnologie.