Duiktuigen

Duiktuigen zijn bemande of onbemande vaartuigen die zich tot op grotere diepte kunnen begeven. Vier duiktuigen, zowel bemand als onbemand, hebben het diepste punt ter wereld, het Challenger Deep in de Mariana trog (11km), reeds bereikt. Bemande vaartuigen of HOVs (human occupied vehicles; Figuur 1) zijn bekend als duikboten of onderzeeërs. Ze worden voor wetenschappelijke missies normaal gezien ingezet voor dieptes tot maximaal 6500m. De twee grote uitzonderingen zijn het bemande duiktuig Trieste (met Jacques Piccard en Don Walsh in 1960) en de Deepsea Challenge (met James Cameron in 2012), die éénmalig het diepste punt van de oceanen aandeden. Er zijn twee types onbemande vaartuigen; Remotely Operated Vehicles of ROVs (Figuur 2) en Autonomous Underwater Vehicles of AUVs (Figuur 3,4,5). ROVs zijn steeds via kabels verbonden met een commandopost, AUVs kunnen autonoom bewegen. Doorgaans zijn ze ontwikkeld voor dieptes van maximaal 6000-7000m. De uitzonderingen hierop zijn de ROV Kaiko die in 1995 het Challenger Deep bereikte en de ROV/AUV Nereus die dit deed in 2009. Gliders (Figuur 6) zijn een aparte categorie van AUVs en kunnen tot 1500m gaan. De uitzondering hier is de Deepglider, die in 2010 tot op 6000m afdaalde.

De oceaan kan tot op grote diepte met behulp van een gans scala aan instrumenten worden gemonitord. Hét grote voordeel van duiktuigen is dat ze, naast dragers te zijn voor diverse sensoren, camera’s en meettoestellen, ook complexere handelingen kunnen uitvoeren.

HOV

Figure 1: De nog steeds operationele duikboot Alvin is gebouwd in 1964. Hij ontdekte o.a. de hydrothermale bronnen alsook het wrak van de Titanic.

Bemande duiktuigen hebben een belangrijke rol gespeeld in de exploratie van de diepzee gedurende de laatste 50 jaar. Ze maken immers directe observaties en staalnames mogelijk. Zo leidde observatiewerk met de Alvin tot de ontdekking van hydrothermale bronnen (in 1977) en methaan seeps (in 1983). Nadelen zijn de mogelijke risico’s voor het ingezette personeel en de hoge kosten o.a. door de afhankelijkheid van een ondersteunend schip. Dit schip staat in voor het onderhoud van de HOV maar ook voor het transport, de tewaterlating en het verblijf van de bemanning. Hierdoor wordt het relatief belang van onbemande vaartuigen alsmaar groter.

Toepassingen

Onderzeeërs zijn in staat allerlei biologische, (geo)chemische, geologische, geofysische en archeologische studies te verrichten. De specifieke mogelijkheden zijn duiktuig-afhankelijk. Doorgaans zijn bemande duiktuigen in het bezit van een multi-functionele manipulator (robotische arm), staal opslagcontainers, camera’s, een sonar, een “suction collection” tube en oceanografische data verwervingssystemen.

ROV

Figure 2: ROV Ventanta met onderaan gemonteerd slede.

Een Remotely Operated Vehicle (ROV) is een onbemand vaartuig dat verbonden is met het moederschip via een navelstreng. Die navelstreng bestaat uit elektriciteits- en datacommunicatiekabels voor tweerichtingsoverdracht van stuurcommando’s, opnames en data. De piloot kan via een op de ROV gemonteerde onderwatercamera met lichtbron zien waarheen het uitermate wendbare werktuig gestuurd moet worden. ROV’s werden voor het eerst ontwikkeld in de jaren ’60 (net zoals AUVs), waarna door industrieel toedoen de techniek een snelle evolutie kende. De lage landen hebben sinds 2008 één ROV voor wetenschappelijk onderzoek (Genesis), die in het bezit is van het Vlaams Instituut voor de Zee.

Soorten ROVs

Een grote diversiteit bestaat aan ROVs. Algemeen worden ze opgedeeld in een werkende klasse en een observerende klasse met kleinere werktuigen. Beiden kunnen zowel voor wetenschappelijke als industriële projecten worden ingezet. Verder kunnen ROVs zowel rechtstreeks in het water gebracht worden of met externe hulpmethoden voor het ontrollen van de kabels of het beschermen van de ROV. Zo is het onder meer mogelijk een TMS (Tether Management System) garage systeem toe te passen. De ROV wordt hierbij neergelaten in een soort behuizing waar hij uit kan komen wanneer gewenst. Het TMS bezit de bekabeling zodat de ROV ontkoppeld is van de schipbewegingen en de bedrading zorgvuldig beheerd wordt. Bij afwezigheid van een TMS wordt de term “life-boat” ROV gebruikt.

Toepassingen

Alhoewel ROVs oorspronkelijk ontworpen waren voor industriële doeleinden (zoals het inspecteren van pijpleidingen) worden ze nu ook gebruikt voor andere toepassingen, waarvan vele in de wetenschappelijke wereld. Voorbeelden hiervan zijn oceanografie, rotsboringen en studies van extreme locaties (bv. hydrothermale bronnen). Afhankelijk van het doel worden op maat gebouwde robots ontwikkeld, uitgerust met bepaalde sensoren en in staat tot welbepaalde manipulaties of operaties. Dit kan een camera zijn voor het observeren van de (meestal benthische) biodiversiteit, sensoren voor het meten van de temperatuur, saliniteit, licht en/of troebelheid, externe robotarmen voor het nemen van stalen en het uitvoeren van experimenten, water/suction samplers (zuigen water/organismen in een busje),… Vaak bezitten ze ook één of meerdere sleeën – onderaan vastgeschroefde metalen bakken – met bijkomend gereedschap, zodat tijdens één duik verschillende missies kunnen uitgevoerd worden.

AUV

Figuur 3: Torpedo vorm (Tethys AUV)

Figuur 4: Laminar flow body (Hugin AUV)

Figuur 5: Dubbele romp (SeaQuest X-1 AUV)

In tegenstelling tot de ROV heeft een AUV (Autonomous Underwater Vehicle) geen kabelverbinding, en is dus geheel zelfstandig. Deze sinds de jaren ‘60 opkomende techniek heeft hierdoor een veel grotere actieradius dan een ROV, die beperkt wordt door de lengte van de kabel. Bovendien is deze methode goedkoper dan ROVs en HOVs, gezien geen gespecialiseerde schepen vereist zijn en de personeelskosten lager liggen.

De meest voorkomende vorm van AUVs is een torpedo (Figuur 3), maar er zijn er ook ontworpen met “laminar flow bodies” (creëren een stroom van parallelle waterlagen; Figuur 4) en meerdere rompen (Figuur 5). Elk ontwerp is afgestemd op specifieke behoeften en oceanografische niches. Een aparte categorie zijn gliders, die verschillen van standaard AUVs in hun voortbewegingsmethode, duikduur en –diepte.

Toepassingen

Gezien de AUV aan hydrodynamische vorm heeft zijn er geen grijparmen. Hierdoor is hij niet in staat complexere missies uit te voeren, zoals het verzamelen van objecten en/of organismen. De meetapparatuur die wel in de behuizing kan ondergebracht worden is net zoals bij andere duiktuigen heel divers en complex. Zo is het mogelijk om met een sonar de zeebodem in kaart te brengen met een hoge resolutie, kunnen belangrijke nutriënten zoals fosfor en stikstof geanalyseerd worden, terwijl optische sensoren beelden maken van de biodiversiteit op de bodem en in het water. Standaard kunnen ook de temperatuur, saliniteit, zuurstof en fytoplankton concentratie bepaald worden.

AUVs worden niet enkel gebruikt voor wetenschappelijke maar ook commerciële en industriële toepassingen. In het laatste geval wordt ook regelmatig verwezen naar UUVs in plaats van AUVs, een acroniem voor Unmanned Underwater Vehicles. Deze naam verwijst naar de AUvs waarmee gecommuniceerd wordt voor bijsturing. Een commerciële taak waarvoor AUVs goed geschikt zijn is het opsporen van verloren voorwerpen. Zo kunnen onderdelen van niet alleen gezonken schepen, maar ook van vliegtuigen of zelf ruimteraketten teruggevonden worden. Een AUV heeft een hydrodynamische vorm en geen grijparmen. Hierdoor is hij niet in staat complexere missies uit te voeren, zoals het verzamelen van objecten en/of organismen. De meetapparatuur die in de behuizing kan ondergebracht worden is net zoals bij andere duiktuigen heel divers en complex. Zo is het mogelijk om met een sonar de zeebodem in kaart te brengen met een hoge resolutie, kunnen belangrijke nutriënten zoals fosfor en stikstof geanalyseerd worden, terwijl optische sensoren beelden maken van de biodiversiteit op de bodem en in het water. Standaard kunnen ook de temperatuur, saliniteit, zuurstof en fytoplankton concentratie bepaald worden.

AUVs worden niet enkel gebruikt voor wetenschappelijke maar ook voor commerciële en industriële toepassingen. In het laatste geval wordt ook regelmatig verwezen naar UUVs in plaats van AUVs, een acroniem voor Unmanned Underwater Vehicles. Een commerciële taak waarvoor AUVs goed geschikt zijn is het opsporen van verloren voorwerpen. Zo kunnen onderdelen van gezonken schepen, vliegtuigen of ruimteraketten teruggevonden worden.

Werking

Standaard AUVs activeren automatisch wanneer ze in het water geplaatst worden. Met schroeven, die gedreven worden door een herlaadbare batterij, kan deze AUV een voorgeprogrammeerd of aangepast pad volgen. De ingestelde route kan rechtlijnig zijn of meer complex. Zo kan het bodemoppervlak gevolgd worden met behulp van een sonar, de route flexibel worden bijgestuurd op basis van een ingebouwde GPS of kan de AUV een vast, zaagvormig of golvend bewegingspatroon aanhouden. De duur van een nauwgezet voorgeprogrammeerde duikroute ligt typisch in de orde van 8-50 uur.

Gliders

Figuur 6: : Slocum glider.

Gliders kunnen aanzien worden als een speciaal type AUVs. Ze hebben immers geen batterij gedreven motorschroeven. Doordat ze minder energie gebruiken kunnen ze langer onderwater metingen verrichten en een groter gebied monitoren. Net als Argo boeien, kunnen ook gliders worden ingezet voor metingen van zoutgehalte en temperatuur. Hun dieptebereik is gelijkaardig, maar waar Argo boeien een vast diepteprofiel volgen, kan bij gliders de verplaatsingsrichting gecontroleerd worden. Dit is nodig voor onderzoek naar specifieke fenomenen, zoals eddies (oceanische vortices), downwelling van koud water (het zinken van oppervlakte water) en vorming van fronten (grenzen tussen verschillende watermassa’s).

Toepassingen

Een brede diversiteit aan sensoren kan geïnstalleerd worden in de gliders, en meer zijn in ontwikkeling. Hierdoor kunnen fysische, biologische en chemische eigenschappen van de omgevende watermassa worden bepaald, zoals temperatuur, saliniteit, opgeloste zuurstof, chlorofyl, stroming, opgelost organisch materiaal, elektromagnetisme, licht hoeveelheid, enz. Akoestische backscattering kan ook gemeten worden voor onder meer de eigenschappen van de bodem te bepalen.

Werking

De term glider verwijst naar de overwegend horizontale beweging waarmee deze duiktuigen door het water bewegen. Ze maken daarbij geen gebruik van een motorschroef, maar bewegen zich voort door hun drijfvermogen aan te passen. Dit gebeurt door het in- of uitpompen van een vloeistof (olie of zeewater, afhankelijk van het type) naar een ruimte in de kop van de glider. Bij extra gewicht zakt de kop enigszins en maakt, geholpen door de opheffende werking van de vleugels, een licht dalende voorwaartse beweging. Bij minder gewicht wordt de kop omhooggestuwd wat resulteert in een licht stijgende voorwaartse beweging. Tijdens de resulterende zaagtandachtige beweging kunnen continu metingen worden verricht tussen het oppervlak en een bepaalde diepte. Via GPS, druk- en tiltsensoren en een speciaal kompas worden de positie en richting bepaald en eventueel bijgestuurd. Net als bij Argo floats worden de verzamelde gegevens doorgestuurd via satellieten van zodra het instrument zich aan de oppervlakte bevindt.

Meer

In 2009 werd voor de eerste keer een glider ("Scarlet") over de volle breedte van de Atlantische oceaan gestuurd. Van deze unieke ervaring werd een documentaire gemaakt, "Atlantic crossing, a robot’s daring mission".

Zie ook

http://en.wikipedia.org/wiki/Submarine http://nl.wikipedia.org/wiki/Remotely_operated_vehicle http://en.wikipedia.org/wiki/Autonomous_underwater_vehicle http://en.wikipedia.org/wiki/Underwater_gliders