‘Onderwaterleidingen beveiligen met glasvezelsensoren’

Mark Jacobs, commercieel directeur Optics11

Nederlandse fotonica speelt mondiaal een aardig deuntje mee. Een van de bedrijven die zich hiermee bezighoudt, is Optics11. Vanaf de oprichting ontwikkelt het meetapparatuur op basis van licht, eerst voor lifescience toepassingen, later ook voor beveiliging van vitale infrastructuur onder water. ‘Na de ontploffingen van beide Nord stream gasleidingen is de interesse in onze glasvezelmetingen sterk toegenomen’, zegt Mark Jacobs, commercieel directeur van Optics11.

Tseard Zoethout

Optics11 is een spin-off van de VU (Vrije Universiteit) Amsterdam, sinds 2011 gespecialiseerd in de ontwikkeling van sensoren die op lichtdetectie werken. Eerst deed Optics11 dat alleen voor de lifescience sector waarbij men de mechanische eigenschappen van een stuk weefsel met behulp van licht zeer nauwkeurig kan meten (in vaktaal: een hoge SNR of ‘signal-to-noise ratio’). Universiteiten en farmaceutische bedrijven gebruiken die techniek tegenwoordig voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.

Vanaf 2016 kwamen daar tevens industriële toepassingen bij, met name voor defensie maar ook voor de energiesector. Op het Nederlands deel van het continentaal plat van de Noordzee liggen namelijk duizenden kilometers aan pijpleidingen en kabels, aangelegd voor transport van olie en aardgas maar ook voor elektriciteit (uit windparken) en dataverkeer (telegrafie, telefonie en internet). Verreweg de meesten, zo niet alle, zijn onbeschermd.

Omdat die kabels en leidingen zich op de zeebodem bevinden, dacht men aanvankelijk dat ze geen risico konden opleverden. Tot september 2022. Toen ontploften de nieuwe aardgasleidingen van Nord Stream 1 en 2 ten noordoosten van het eiland Bornholm (Denemarken). Volgens experts uit binnen- en buitenland kan het niet anders zijn dat de explosies in dit deel van de Baltische Zee door sabotage werden veroorzaakt. Wie het gedaan heeft, is vooralsnog onduidelijk: het onderzoek daarnaar loopt.

Meten met licht

‘Meten op basis van licht kent enkele grote voordelen’, licht Mark Jacobs toe. ‘Licht kan grote afstanden overbruggen, is niet gevoelig voor straling, functioneert onder hoge temperaturen en ook onder elektrische spanning. Bij de sensor heeft de technologie geen stroom nodig en de sensoren kunnen vrij klein worden uitgevoerd. Voor industriële toepassingen, onder meer voor defensie, zet Optics11 in op een zo hoog mogelijke SNR of ‘signal-to-noise ratio’. Vergelijk het maar met autorijden: een oude auto produceert aanzienlijk meer geluid dan een nieuwe auto. Nieuwe voertuigen, vooral de elektrische, rijden veel stiller. Daardoor kan je de radio zachter zetten voor dezelfde beleving en beter opmerken uit welke richting het geluid komt.’

Die eigenschappen maken glasvezeltechnologie bij uitstek geschikt voor de marine. Onder water, zeker op de zeebodem, richten camera’s immers bitter weinig uit. Het is er niet alleen donker, ook zorgen stromingen en schepen voor turbulentie waardoor zicht en scherpte minimaal worden. Wat wél mogelijk is, zijn onderwatermicrofoons die de lage frequenties van (bemande en onbemande) onderzeeboten kunnen opsporen. Al enige decennia gebruiken de NAVO-landen, waaronder de Nederlandse marine, daarvoor gesleepte sonar (ook wel ‘towed array’ genoemd), aan elkaar gekoppelde elektrische hydrofoons die aan een lange, dikke slang zitten en door schepen of onderzeeboten worden voortgetrokken.

Gevoelig, klein en stil

Gesleepte sonar heeft echter beperkingen die de technologie van Optics11 niet ondervindt. ‘Meten op basis van glasvezel is extreem gevoelig, tot wel een femtometer rek in de glasvezel aan toe’, vervolgt Jacobs. (een femtometer – van het Deense woord ‘femten’ of vijftien – is 10 tot de -15 meter, protonen en neutronen hebben bijvoorbeeld een grootte van iets minder dan één femtometer. red.). ‘Door die extreme gevoeligheid, gekoppeld aan een hoge signal-to-noise ratio, kan je minieme verschillen in temperatuur, frequentie en akoestiek goed in kaart brengen. Dat maakt het mogelijk om zelfs drones te detecteren die afluisterapparatuur of een springlading op de kabels en leidingen willen aanbrengen.’

Aan de andere kant zijn glasvezelsensoren, in tegenstelling tot reguliere hydrofoons, juist weer niet op te sporen: ze maken immers geen gebruik van elektriciteit (zodat ook kortsluiting is uitgesloten). Daarnaast zijn de sensoren aanzienlijk kleiner en lichter. Jacobs: ‘hydrofoon systemen in een klassieke setting hebben een diameter van ongeveer tien tot twaalf centimeter, onze sensoren meten slechts twee en een halve centimeter in doorsnee. Dat scheelt bovendien in gewicht. Voor grote systemen heb je dan ook geen extra platform nodig om de slang aan een onderzeeboot te koppelen: het systeem wordt als een tuinslang in het platform opgerold. En doordat de computer die het systeem aanstuurt relatief weinig stroom verbruikt, kan je er ook veel langer mee doorvaren, bijvoorbeeld door de slang achter onbemande mini-onderzeeboten te hangen.’

Toenemende interesse

Door Poetins aanval op Oekraïne – en de ontploffingen van Nord Stream 1 en 2 – is de behoefte aan innovatieve beveiligings- en defensiesystemen het laatste jaar in rap tempo toegenomen, ziet de commercieel directeur. ‘We hebben acht prototypes van onze technologie getest in hydrostatische omstandigheden en in een akoestisch bassin en vlakbij de kust. Dat deden we in nauwe samenwerking met onze kennispartner TNO. Op open zee, op operationeel niveau wordt het echter wel een ander verhaal. Hoe staat het met de beschikbaarheid van de boot, met regelgeving, met de installatie? Dat zullen we in Q2 of Q3 van 2023 gaan uittesten.’

Bij de NAVO-landen zijn gesprekken gaande over uitwisseling van kennis en toegepaste informatie voor defensie. ‘De behoefte aan controle, zowel boven als onder water, en stiller en langer, is vanaf eind 2022 significant gestegen. Omdat ons land een onderzeedienst heeft, kunnen we op enig aanzien in de wereld rekenen. In nauwe samenwerking met andere NAVO-landen spelen we een aardig deuntje mee in de geopolitiek.’

Bij defensie blijft het volgens hem niet. Andere industriële sectoren kijken met grote interesse naar de inzet van fotonica voor beveiligingssystemen. ‘De laatste tijd krijgen we, behalve vanuit defensie, vragen van eigenaren van windparken, exploitanten van pijpleidingen en havenmeesters’, zegt hij. ‘Ook zij zien de noodzaak in van beveiliging van vitale infrastructuur. Onder water is op dit moment nog maar weinig toepasbare technologie bekend. De markt tast in het duister, de urgentie is echter wel degelijk aanwezig. Ook overheden willen dat hun data en infrastructuur beschermd wordt tegen afluistering, sabotage en malversaties.’

Fotonica markten

Hoewel de race qua elektronica met China verloren is, heeft ons land de laatste jaren een grote voorsprong op gebied van fotonica opgebouwd. Ons ecosysteem, vooral rond Brainport Eindhoven met wereldmarktleider ASML, omvat meer dan 300 bedrijven en instellingen waar ruim duizend mensen aan uiteenlopende toepassingen van fotonica werken, voor de opwekking en transport, voor de bewerking van en voor de detectie door middel van licht. ‘Daarin kan Nederland echt het verschil maken’, zegt Jacobs.

Optics11 – inmiddels gesplitst in twee afzonderlijke bedrijven, de een voor lifesciences, de ander voor industriële applicaties – zet op diverse fronten in. Voor de energiesector, zowel duurzaam als fossiel en nucleair, opent de toepassing van fotonica grote kansen. ‘Naast verkeer onder water kijken we nu naar glasvezelsensoren op hoogspanningsleidingen en bij trafo’s, in samenwerking met industriële partners en kennisinstellingen (bijvoorbeeld TNO, de TU Delft en TU Eindhoven. red.).’

‘Een andere markt, relatief nieuw, is de nucleaire industrie’, zegt hij op de valreep. ‘Met glasvezelsensoren kunnen we de structurele integriteit van de tokamak borgen. De tokamak is een torusvormig apparaat waarmee een plasma kan worden beheerst met behulp van sterke magnetische velden. Tevens zijn scheurtjes in de wand onmiddellijk te detecteren. Real time monitoring behoort daarmee ook tot de mogelijkheden. Op deze en andere wijze willen we de toekomst van onze vitale infrastructuur veiligstellen’, besluit de commercieel directeur.