Waar Einstein Telescope en glasvezelonderzoek elkaar ontmoeten

Tussen oktober 2021 en maart 2022 is bij Cottessen een 250 meter diep gat geboord met een diameter van 10 cm. Het hoofddoel? Onderzoeken hoe de bodem in elkaar zit, en of het hier stil genoeg zou zijn voor de Einstein Telescope. Daarvoor is op 250 meter diepte een trillingssensor geplaatst. Maar toen Nikhef-onderzoeker Frank Linde in contact kwam met Rob Jansen van TNO bedachten ze nog iets: in deze put zouden ze tegelijkertijd kunnen testen of een glasvezelkabel over de hele lengte gebruikt kan worden als sensor. Deze sensor zou dan temperatuur, vervorming en trillingen kunnen meten. En die technologie kan weer allerlei toepassingen hebben.

Glasvezelkabels worden nu vooral gebruikt voor telecomdoeleinden. Maar Rob Jansen is één van de personen die onderzoekt wat er nog meer mee kan. Binnen het Europese project SLAM-DAST kijkt hij samen met andere onderzoeksinstellingen en bedrijven hoe je de kabel zelf als sensor kan gebruiken. Het liefst een sensor die over de hele lengte zowel trillingen als temperatuur en vervorming meet. Het team van Jansen richt zich op deze locatie vooral op de trillingen.

“De eerder geplaatste sensor meet trillingen op 250 meter diepte. Maar wij wilden een glasvezelkabel in de buis hangen, en kijken of het lukt om op elke 3 meter trillingen te meten.” Vertelt Jansen. “Daarmee krijg je veel meer inzicht in de verschillende bodemlagen. Deze bestaan namelijk uit verschillende grondsoorten die elk een ander effect hebben op het doorgeven en reflecteren van trillingen. In de olie- en gasindustrie wordt deze techniek al ingezet om plaatjes te maken van de ondergrond. De toepassing in Cottessen is uniek. Hier wordt namelijk geen olie of gas geproduceerd en het is een locatie die juist  heel rustig en stil is. Daarom hoopten we hier hele lage signaal-ruisniveaus te kunnen halen.”

Plaatsing kabel

Het plaatsen van de glasvezelkabel had nog wel wat voeten in de aarde. Eerst werden er twee kabels van 198 meter in de buis gehangen, die onderaan met elkaar in verbinding staan. Daarna werd de put volgestort met cement, om te voorkomen dat er water bij de sensoren zou komen. Dat zou de metingen namelijk kunnen verstoren. “De grote onbekende was hoe goed de koppeling van het glasvezel aan het cement zou zijn.” zegt Jansen. Dat wisten ze van tevoren niet.

Eerste metingen

Gelukkig was de koppeling goed en konden de onderzoekers in maart de eerste metingen verrichten. De put bleek een goede testplek. Zoals verwacht was er veel minder ruis in de put dan in het lab en zag je het effect van diepte naar boven komen. Hoe dieper de kabel, hoe lager het signaal- ruisniveau. Ook konden ze goed de vervorming van de glasvezelkabel in de put bepalen. Zo bleek na het cementeren zo’n 60% minder licht door de kabel te gaan en deze op een bepaald punt ook vervormd te zijn. Maar de oorzaak hiervan – een zwakke plek in het cement en in de buis – was bekend en er is genoeg lichtsignaal over om mee te werken.

“Deze eerste testen” vertelt Jansen “hebben ons goed inzicht gegeven in de huidige status van de put en kunnen worden beschouwd  als nulmeting. Als we nieuwe metingen gaan uitvoeren dan kunnen we eventuele verdere vervorming in de gaten houden. Bijvoorbeeld als gevolg van verzakkingen of het verder uitharden van cement.”

Het is ook nog wachten op de resultaten van de trillingssensor op de bodem van de smalle put. “We willen graag de trillingen van de glasvezelkabel vergelijken met de trillingen van die sensor. Die dient als referentiepunt. Dan kan je vrij goed modelleren welke amplitudes en frequenties je met de glasvezelkabel kan meten.”

Mogelijke toepassingen van glasvezelsensortechnologie

Het doel van het SLAM-DAST-project is om meerdere sensortechnologieën in dezelfde glasvezelkabels toe te passen, dit te optimaliseren en te industrialiseren zodat het breed toegepast kan worden. Naar verwachting kan het bijvoorbeeld toepassingen vinden in ‘Structural Health Monitoring’: het in de gaten houden van materialen en technische constructies als bruggen en viaducten. Ook kan het worden gebruikt voor toepassingen in de bodem, zoals het meten van verzakkingen of de detectie van aardbevingen.

Van zwaartekrachtsgolven naar glasvezeltechnologie

Het was niet het hoofddoel toen men besloot, onder de noemer van het E-TEST project, om voor voorbereidend onderzoek voor de Einstein Telescope een gat te boren bij Cottessen. Maar de nieuwe inzichten die het kan opleveren voor glasvezelsensortechnologie zijn wel mooie bijvangst. Rob Jansen is blij dat deze kans er ligt. “Het is een unieke testlocatie waarbij TNO samen met het enthousiaste en deskundige team van Nikhef de laatste technologische ontwikkelingen op het gebied van glasvezel kan demonstreren en karakteriseren.” Ook Frank Linde is enthousiast over de samenwerking, die tegelijkertijd nieuwe inzichten voor de Einstein Telescope kan opleveren: “Ik vind high-tech altijd mooi. Hopelijk kunnen we met deze fiber de vermindering van de seismische ruis als functie van de diepte bepalen. En dat draagt bij aan een goed onderbouwd besluit over op welke diepte de Einstein Telescope te situeren.”

Lees meer:

• Website van het project E-TEST (opent in nieuw venster)
• Website van het project SLAM-DAST (opent in nieuw venster)