Je leest:

Moderne Nautilus heeft geen kapitein Nemo meer nodig

Moderne Nautilus heeft geen kapitein Nemo meer nodig

Auteur: | 10 april 2004

Het Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is de nieuwste ontwikkeling op het gebied van onderwaterexploratietechnieken. De AUV is een onbemande, volledig automatische onderzeeër, die tot op grote diepte de zeebodem, het zeewater of het zeeleven bestudeert.

Laat een wereldbol rond zijn as tollen en prik vervolgens geheel willekeurig een punt op de aardbol, dan is de kans zeventig procent dat je in water terechtkomt, met een grote waarschijnlijkheid zelfs in een oceaan. Reden genoeg om een grondige interesse te hebben in de wereldzeeën.

Met hun enorme wateroppervlakte spelen de oceanen een essentiële rol in het aardse klimaat. Ze transporteren warmte, verschaffen energie aan de atmosfeer, zorgen voor broodnodige chemische reacties en ondersteunen een veelheid aan leven op aarde. Waar klimaatonderzoekers vooral geïnteresseerd zullen zijn in de uitwisseling tussen water en lucht, zoeken geologen het op het grensvlak water-land: de diepe zeebodem. Op de bodem van de oceanen vinden ze vele geologisch actieve zones: barsten, breuken en geothermische bubbelgebieden. De biologen komen bij de oceanen eveneens ruimschoots aan hun trekken: van het weelderige leven in de bovenste waterlaag tot het obscure diepzeeleven dat niet eens meer wordt gevoed door zonne-energie en hoge drukken weet te weerstaan.

Diepste duiker

De mens kan niet dieper duiken dan driehonderd meter. Voor het echte diepzeewerk moeten oceaanonderzoekers dus hun toevlucht nemen tot onderzeeërs. De nieuwste ontwikkeling is die van de onbemande onderzeeër. De moderne versie van de Nautilus-onderzeeër uit Jules Vernes 20.000 mijlen onder zee heeft geen kapitein Nemo meer nodig. Dit najaar heeft het Japanse JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center) hun eerste test gepland met een onbemande, volledig automatische onderzeeër; weliswaar bijzonder, maar niet meer de eerste ter wereld. JAMSTEC is gespecialiseerd in diepzeeonderzoek en heeft de diepst duikende onderzeeër ter wereld, de Shinkai 6500, die tot een diepte van 6500 meter kan afdalen. In de drukbestendige bol van deze driepersoonsonderzeeër is ruimte voor drie personen: een piloot, iemand die de robotarmen bestuurt en een observator. Met de Shinkai kan men 99 procent van de aardse zeebodems onderzoeken. Het moederschip van de Shinkai 6500 is de Yokosuka. Deze is speciaal toegerust voor onderzoek in de diepzee. Op het achterdek van dit schip bevindt zich naast de bemande onderzeeër ook een Remotely Operated Vehicle (ROV). Een ROV is een onbemande onderwaterrobot die is uitgerust met camera’s en een robotarm. De besturing verloopt via een lange kabel die de robot verbindt met het moederschip. Deze meer dan vierduizend meter lange kabel is op een enorme rol gewikkeld die tussen het achterdek en de bemanningsverblijven staat. De ROV kan het zeeleven bestuderen, foto’s maken van de zeebodem, bodemmonsters nemen of stenen verzamelen. Op dit moment wordt het moederschip echter verbouwd om plaats te maken voor de allernieuwste ontwikkeling op het gebied van onderwaterexploratietechniek, het Autonomous Underwater Vehicle (AUV).

Onbemande onderzeeër

De onbemande onderzeeër van JAMSTEC. Het Japan Marine Science and Technology Center werkt aan een Autonomous Underwater Vehicle (AUV) met een brandstofcel. Deze levert voldoende vermogen om de AUV een reikwijdte te geven van driehonderd kilometer. De maximale snelheid is 6,5 kilometer per uur. Het lichaam van de AUV is een hydrodynamisch afgeronde cilinder van tien meter lengte en anderhalve meter in doorsnee. Het gevaarte weegt in lucht 7,5 ton. Dit is de eerste gepubliceerde foto van de JAMSTEC-AUV.T. Aoki, Japan Marine Science an Technology Center

De AUV is een onbemande onderwaterrobot die geheel zelfstandig, dus zonder een kabelverbinding met een oppervlakteschip, een onderzoeksmissie uitvoert. Hij is een aanvulling op de bestaande onderwaterexploratietechnieken. Een AUV duikt tot een diepte van zesduizend meter. Hij heeft als voordeel ten opzichte van een bemande onderzeeër dat hij vanaf een klein schip te water kan worden gelaten. Een bemande onderzeeër daarentegen heeft een groot en duur ondersteuningsvaartuig nodig. In vergelijking met de ROV heeft de AUV een veel grotere actieradius: enkele honderden kilometers. Op afstand bestuurde onderwaterrobots worden beperkt door de lengte van de kabel waarmee de robot is verbonden aan het oppervlakteschip. Het is bovendien veel goedkoper om met een AUV de zeebodem af te speuren dan met een oceanografisch onderzoeksschip. De AUV kan echter geen ingewikkelde taken uitvoeren, zoals stenen oprapen, wat een duiker, bemande onderzeeër of op afstand bestuurde robot wel kan.

Parkeerstation

De AUV bestaat uit een langwerpige, hydrodynamisch gevormde cilinder om de weerstand in het water te minimaliseren. De cilinder biedt plaats aan de energiebron, het navigatiesysteem, de boordcomputer en meetinstrumenten. Een schroef stuwt de AUV voort, terwijl hij vinnen gebruikt om te sturen. De energiebron bepaalt in grote mate de actieradius van het systeem. De meest toegepaste energiebron is de accu. Er zijn twee belangrijke trends om het toepassingsgebied van de AUV te vergroten. Allereerst door de ontwikkeling van een nieuwe energiebron met een zeer hoge energiedichtheid. De klassieke oplossing is een lood-zinkaccu. Daarnaast worden ook duurdere, maar effectievere accu’s toegepast zoals nikkel-cadmium of zilver-zink. Er zijn ook brandstofmotoren gebruikt, zoals een gesloten dieselsysteem. Een systeem dat nu volop in ontwikkeling is, is de brandstofcel. Hierin worden waterstof en zuurstof omgezet in elektrische energie, warmte en water. De toepassing van een brandstofcel maakt een actieradius van enkele honderden kilometers mogelijk. Daarnaast wordt er gezocht naar systemen om de AUV tussentijds op te laden. Hiervoor is het Woods Hole Oceanographic Institution bezig met de ontwikkeling van een parkeerstation. Als de accu’s van de AUV bijna leeg zijn, kan hij terugkeren naar het parkeerstation. Dit is een boei die aan de oppervlakte drijft met daaronder een connector waar de onderzeeër zichzelf op aansluit. Nu kan hij zijn accu’s weer opladen en tegelijkertijd ook de meetgegevens doorzenden en nieuwe opdrachten ontvangen via de boei en een satelliet. De accu aan boord van de boei wordt opgeladen met wind- of zonne-energie. De actieradius blijft beperkt tot enkele kilometers rondom de boei, maar de AUV kan wel enkele weken of zelfs maanden zelfstandig metingen doen. Dit maakt het systeem vooral geschikt voor bijvoorbeeld het opnemen van temperatuur, zoutgehalte en stromingsgegevens voor ieder seizoen van het jaar.

Gyrokompas

Besturingsinterface. De besturingsinterface van de AUV toont het logboek van een missie. Het kleurendiagram rechts beschrijft hoe op de route (de paarse dunne lijn) de temperatuur is gemeten. De groene knoppen zijn foutenalarmen. In dit geval heeft alles gewerkt. Verder zien we het toerental, het batterijvoltage, het vermogen, de diepte op het gegeven tijdstip. De route is hier bijna volbracht.Roger Stokey, Woods Hole Oceanographic Institution

Scheepswrak. Opname van een scheepswrak met een side-scan-sonar aan boord van een ‘Autonomous Underwater Vehicle’ (AUV).

De plaatsbepaling van de AUV is zeer belangrijk voor de precisie van de meetgegevens. De onbemande onderzeeër bepaalt volledig zelfstandig zijn locatie. Satellietgegevens kan hij niet gebruiken, omdat deze niet in het water kunnen doordringen. Daarom gebruikt de AUV een gyrokompas. Een gyrokompas bepaalt de verplaatsing van de AUV door zijn versnellingen in drie richtingen met grote precisie te meten. De precisie van de plaatsbepaling kan verder worden verhoogd door de snelheid over de bodem te meten met een dopplersonar of door regelmatig naar de oppervlakte terug te keren voor een satellietplaatsbepaling. Wanneer de AUV een specifiek gebied gaat onderzoeken, kunnen ook boeien worden uitgezet, die het satellietsignaal omzetten naar een signaal dat zich wel onder water voortplant. De boordcomputer is het brein van de onbemande onderzeeër. De opdracht die hij moet uitvoeren wordt in de boordcomputer opgeslagen, waarna hij te water wordt gelaten. Vervolgens bepaalt de boordcomputer volledig zelfstandig de route, ontwijkt obstakels met behulp van een sonar en bedient de meetinstrumenten. Tenslotte stuurt hij de AUV terug naar het moederschip. Daarnaast kan de onderzeeër ook semi-autonoom te werk gaan, door regelmatig contact te leggen met het moederschip via een akoestische verbinding. Op basis van de positie en eventuele meetgegevens van de AUV kunnen de onderzoekers zijn opdracht bijstellen. De bandbreedte van de akoestische verbinding is echter te beperkt voor directe besturing van de AUV of om videosignalen te verzenden. Daarom moet de boordcomputer van de onderzeeër nog steeds zelf de directe besturing uitvoeren, zoals bijvoorbeeld obstakels ontwijken. Afhankelijk van de missie van de AUV krijgt hij diverse meetinstrumenten mee. Een videocamera of fototoestel kan beelden vastleggen van de zeebodem. Met een sonar kan hij het bodemprofiel van een groot gebied vastleggen en zelfs in de bodem kijken. Daarnaast kan hij watermonsters nemen en bijvoorbeeld de temperatuur en het zoutgehalte meten.

Raketcapsule opsporen

Een taak waarvoor een AUV uitermate geschikt is, is het afspeuren van een groot gebied naar een verloren object. In 1961 landde de capsule van de Mercury-raket na een succesvolle vlucht in zee. Door nog onbekende oorzaak liep de capsule voortijdig vol met water. De astronaut kon ternauwernood ontsnappen. Terwijl een helikopter al een kabel aan de capsule had vastgemaakt, werd de capsule te zwaar door het binnengedrongen water. De helikopter was genoodzaakt de kabel los te koppelen en de capsule zonk naar een diepte van 4500 meter. Vorig jaar, 38 jaar later, ging een expeditie op zoek naar de capsule. De expeditieleden trokken een bodemscanner aan een lange kabel achter het schip aan. Door de beperkte breedte van de zoekbundel moest het schip een aantal keren omkeren om het gebied te doorzoeken. Doordat de scanner aan een kilometers lange kabel werd gesleept, nam een draai twaalf uur in beslag. Nadat het hele gebied was doorzocht, selecteerde men de meest veelbelovende signalen op het sonarscherm om visueel met een ROV te inspecteren. Dit is een voorbeeld van een taak die een AUV veel effectiever kan uitvoeren, omdat hij een veel kleinere draaicirkel heeft en eenvoudig naar veelbetekenende objecten terug zou kunnen keren om foto’s te maken. Naast het in kaart brengen van een groot gebied, zijn er nog talloze andere toepassingen van de AUV. Hij kan een groot aantal watereigenschappen meten, zoals temperatuur, zoutgehalte en stroomsnelheid. Deze gegevens vormen het uitgangspunt van computermodellen voor het klimaat waarmee bijvoorbeeld het broeikaseffect wordt onderzocht. Daarnaast kan de AUV ook worden gebruikt voor een studie van het leven in zee, door bijvoorbeeld de hoeveelheid plankton te meten. Behalve voor oceanografisch onderzoek wordt de AUV ook ingezet door de marine voor taken als verkenningsmissies, opsporen en opruimen van mijnen, ondersteuning van onderzeeërs, en in de offshore voor bodemonderzoek en het opsporen en inspecteren van pijpleidingen en telefoonkabels.

Lees meer op Kennislink

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.