Glasvezel: fijngevoelige draad blijkt verrassend sensor-talent

Denk jij bij glasvezel vooral aan supersnel internet? Think again! Deze flinterdunne wonderdraad is namelijk ook een supersensor: slimme techneuten kunnen er dijken mee bewaken, onderzeese aardbevingen spotten, energie overdragen – en zelfs mee ‘luisteren’.

Glasvezel is een veelzijdige krachtpatser. In meer dan de helft van alle Nederlandse woningen brengt het bliksemsnelle data – letterlijk met de snelheid van het licht. Handig, want elk jaar groeit ons dataverbruik met 40%. Door de haarfijne vezels flitst laserlicht waarop gegevens meereizen zodat jij haarscherp kunt videostreamen, beeldbellen, breedband gamen – you name it. Andere voordelen: glasvezel is dun, makkelijk te leggen, bedrijfszeker en moeilijk te hacken. Bovendien geeft het geen risico van vonken, dus geen brand-/explosiegevaar. En oh ja, de grondstof voor glas (zand) is bijna onuitputtelijk.

Méér dan snelle data

Maar daarnaast kan glasvezel nog veel meer. Daar weet Eric Beijleveldt alles van. Hij is directeur van installatiebedrijf OpticalConnect in Maasland, specialist in innovatieve glasvezeltoepassingen. Samen met zijn twee zoons en vier medewerkers helpt hij al sinds 1994 bedrijven in de industrie; hij is kind aan huis bij bedrijven als Tata Steel, ExxonMobil, TenneT, Nouryon en Alliander. Voor experimenten en tests met nieuwe glasvezeltechnieken worden zij vaak als eerste gevraagd.

OpticalConnect is een compact en sterk gespecialiseerd familiebedrijf: vader en zoons Beijleveldt hebben zich volledig toegelegd op advies en uitvoering in glasvezel.

Fiber Sensing: glasvezel als sensor

Eén van die verrassende toepassingen is het gebruik van glasvezel als sensor. Met Fiber Sensing kun je trillingen, temperatuurverschillen, rek of krimp waarnemen. Dat werkt extreem secuur, bijna op moleculair niveau! Beijleveldt: “Glasvezel is heel zuiver van samenstelling en super gevoelig: de trillingsfrequentie van de moleculen in die vezels verandert meetbaar onder omgevingsinvloeden zoals temperatuurverandering, rek, krimp, druk of bijvoorbeeld geluid. Al die factoren hebben invloed op de trillingen van de moleculen. En die veranderingen kun je traceren met licht.”

Minieme verandering in reflectie

Dat klinkt onvoorstelbaar, maar Beijleveldt legt het glashelder uit: “In een normale situatie wordt het licht dat je door zo’n vezel stuurt door de glasmoleculen voor een klein percentage teruggekaatst. Afhankelijk van de kwaliteit en fysieke situatie van de vezel – met meer of minder bochten, belasting of temperatuurverschil – heeft een singlemode verbinding (zie kader, red.) bijvoorbeeld rond de 0,5db demping over een kilometer. Daardoor wordt een klein deel van het licht teruggekaatst. Verandert er ergens onderweg door een externe factor de kracht die inwerkt op zo’n vezel, dan beïnvloedt dat ter plaatse de beweging van de moleculen in de vezel, en daardoor de reflectie. Daardoor komt er iets meer licht terug dan normaal. En onze apparatuur kan dat zien.”

Lees verder onder dit kader.

Breedband en zeekabels

De ontwikkeling van glasvezel begon in de jaren ’70, geïnspireerd door de opkomst van de lasertechniek in de jaren daarvoor. In 1988 werd de eerste trans-Atlantische glasvezel telefoonkabel in gebruik genomen, de TAT-8. Dat bracht het wereldwijde dataverkeer in een stroomversnelling. Inmiddels liggen wereldwijd zo’n 400 onderzeese hoofdkabels met glasvezel en circa 1,2 miljoen kilometer glasvezel onder water voor breedband dataverkeer.

Super nauwkeurig meten

Dankzij die fijngevoeligheid van glasvezel (en van de meetapparatuur) kan Beijleveldt niet alleen zien dát er ergens in de draad iets verandert, maar ook tot op de centimeter precies wáár. “We kunnen heel secuur meten na hoeveel tijd de reflecties van zo’n lichtpuls terugkomen. Aan de hand van de snelheid van het licht kunnen we dan tot op de centimeter nauwkeurig de afstand berekenen tot de ‘hindernis’ die de reflectie veroorzaakt.”

Ook de oorzaak van de verstoring kan Beijleveldt op afstand herkennen. “Dat zit zo: elke bron van verstoring geeft een eigen ‘reflectieprofiel’, een herkenbare vingerafdruk als het ware. Bij een langsrijdende vrachtwagen zien wij een ander reflectiepatroon dan bij een langsvarende boot in het water, zware regenval, temperatuursverandering, krimpen/uitrekken of geluid.” Want ja, glasvezel kan zelfs zware en lichte trillingen en geluiden herkennen, tot menselijke voetstappen in grind aan toe.

Dankzij Fiber Sensing weet je precies wanneer en waar een dijk begint te verzakken.

Die fijngevoeligheid maakt elke glasvezelkabel in feite één langgerekte sensor. Dat geeft mogelijkheden! Beijleveldt: “Leg je die tegen een brugconstructie aan, dan vangt die de trillingen van passerende auto’s op en vertaalt die naar een onderhoudsvoorspelling. Leg je ‘m onder een dijk, dan weet je precies waar en wanneer die begint te verzakken. Op die manier kunnen we ook in machines of fabrieksprocessen overmatige opwarming signaleren, zodat een klant uitval van machines kan voorkomen en tijdig onderhoud en/of revisie kan inplannen. Nike gebruikt glasvezel als sensor bij het ontwikkelen en testen van nieuwe sportschoenen, om te meten welke delen van de schoen de meeste trekkracht te verduren krijgen. En lagerfabrikant SKF bouwt ze in hun producten als fijngevoelige ‘alarmbel’: gaan lagers trillen boven een bepaald niveau, dan zijn ze aan vervanging toe.”

Lees verder onder dit kader.

Singlemode, multimode

Glasvezelkabel is er in veel smaken: voor korte en lange afstand, extra buigzame vezel voor krappe bochten et cetera. Voor datacommunicatie zijn er twee soorten: singlemode (enkelgolvig) en multimode (meergolvig). Singlemode vezel verzendt één lichtstraal die in het midden van de vezel blijft. Het licht kaatst hier niet tegen de wanden. Hierdoor is het geschikt voor dataoverdracht op grotere afstanden tot een snelheid van 1 terabyte per seconde (1000 Gbit/s). Multimode vezel wordt gebruikt voor het verzenden van digitale signalen op kortere afstanden. De kerndiameter is groter, de bandbreedte dus ook, maar de overdrachtssnelheid lager.

Fiber Sensing met geluid

Je kunt glasvezel zelfs gebruiken om er de diepte van vaargeulen mee te bewaken. Dat onderzocht OpticalConnect recent samen met de TU Delft. Beijleveldt: “Daarbij hebben we een test gedaan in de Rotterdamse haven met realtime metingen van de dikte van de sliblaag op de bodem van de vaargeul, om de diepte van de vaargeul te bewaken. Waar de sliblaag dik is, doet het geluid er een fractie langer over om het uiteinde van de kabel te bereiken. Met een rekenmodel kun je dan tot op de centimeter nauwkeurig becijferen hoe hoog het slib staat op verschillende punten. Zo weet een beheerder of schepen veilig kunnen doorvaren, en wanneer de vaargeul moet worden uitgediept”, aldus Beijleveldt, die ook heel dicht bij huis slimme toepassingen ziet. “Leg je een glasvezelring rond je huis, dan kun je precies ‘voelen’ of er ’s nachts een onverlaat langs je gevel sluipt.”

Data én sensing

Met glasvezel kun je zelfs tegelijk data versturen én monitoren. Die combinatie biedt OpticalConnect op dit moment in een aanbesteding voor een groot offshore windenergieproject. Beijleveldt: “Daarbij willen we eenzelfde kabel gebruiken voor zowel data als sensing: we kunnen er realtime data over verzenden over de energieopwekking van de turbines naar de landstations én kunnen de glasvezelkabel inzetten als sensor aan de zware koperen stroomkabels. Die kunnen we dan 24/7 realtime monitoren.” Over onderzeese glasvezelsensoren gesproken: de onderzeese kabel van de Internet Highway van Google tussen Noord-Amerika en West-Europa wordt tevens gebruikt voor het signaleren van onderzeese aardbevingen.

Bij de Betuwelijn hebben we al glasvezel ‘geblazen’ over een recordafstand van 8 kilometer.

Opsporing langs het spoor

De toepassingen zijn eindeloos. Ook ProRail voert momenteel glasvezelproef uit, samen met het Britse Network Rail. Langs een testtraject in Engeland liggen kilometers glasvezelkabel die trillingen en geluid detecteren om afwijkingen te signaleren aan spoorrails of treinwielen. Doel van de proef is om afwijkingen sneller te ontdekken, reparaties of ongevallen te voorkomen en gericht onderhoud te plegen. Maar wat blijkt: de onderzoekers kunnen er zelfs spoorlopers mee herkennen, aan het ritmische patroon van voetstappen in het grind.

Ook verrassend: Power over Fiber

Een andere nieuwe toepassing van glasvezel is Power over Fiber, kortweg PoF. Beijleveldt: “Elektriciteit vervoeren zoals via een koperbekabeling kan met glasvezel niet, maar je kunt met intens laserlicht aan het eind van een draad wel spanning opwekken. Weliswaar in kleine hoeveelheden – hooguit zo’n 15W – maar dat is genoeg om sensoren, chips of kleine apparaten te voeden, bijvoorbeeld op afgelegen of moeilijk bereikbare plekken. Daarnaast heeft PoF nog een belangrijk voordeel: waar klassieke koperen stroomnetwerken gevoelig zijn voor elektromagnetische velden, is PoF daar immuun voor. Dat maakt deze techniek ook interessant voor bijvoorbeeld hooggevoelige bedrijfsprocessen of militaire toepassingen.”

Of glasvezel ook stemgeluid kan herkennen? In de toekomst is dat zeker denkbaar.

Fijnmazig ‘sensorweb’?

En straks? Wetenschap en industrie werken hard aan nieuwe technieken om het lichtspectrum op glasvezel steeds beter te benutten en de capaciteit verder op te voeren, zoals jaren terug ook met het kopernet is gedaan. Zo onderzoeken technici nu de mogelijkheid om data te ‘stapelen’ in meerdere spectrums, zodat er per seconde nog meer data door een vezel kunnen.

Intussen groeit er het glasvezelnet in rap tempo: heel Nederland komt vol te liggen met razendsnelle dataverbindingen annex sensoren die een breed scala aan signalen kunnen opvangen, inclusief geluid. Is het denkbaar dat glasvezel in de toekomst ook superlichte trillingen kan opvangen en herkennen, zoals stemgeluid? Beijleveldt sluit het niet uit: “Nu is het nog niet mogelijk, maar in de toekomst met nieuwe technologieën is dat zeker denkbaar.” Cool idee, al is het vooruitzicht van zo’n fijnmazig ‘sensorweb’, met glasvezel straks in alle woningen in Nederland, toch ook ’n beetje creepy.

Kampioen glas(vezel)blazen

Glasvezel wordt vrijwel altijd gelegd in buizen. Eric Beijleveldt van OpticalConnect: “Daarbij wordt eerst de buis gelegd en ‘blazen’ we er vervolgens de glasvezeldraad doorheen, tot diverse kilometers lang uit één stuk, zonder koppelingen of lasverbindingen.” Dat blazen is een vak op zich. “We sturen lucht onder hoge druk door de leiding, samen met de nieuwe kabel. Door de ‘windkracht’ gaat de kabel zweven in de buis en kunnen we die zonder weerstand kilometers ver invoeren. In de tunnels van de Betuwelijn is dat zelfs gelukt tot een recordafstand van 8 kilometer!”, vertelt de installateur trots.

 

Heb jij ‘n tip voor deze rubriek? Stuur je suggestie naar demakersvanmorgen@technieknederland.nl!