Kunnen we leidingen van binnenuit inspecteren en zo onderhoud en vervanging plannen en uitvoeren op basis van de werkelijke situatie in plaats van aannames en algemene modellen? Dat kan een van de praktische uitkomsten zijn van het project Phoenix, dat een aantal Europese universiteiten en ingenieurs- en adviesbureau Antea Group onder leiding van de Technische Universiteit Eindhoven momenteel uitvoert.

De wetenschappelijke opdracht is breed: hoe kunnen we vraagstukken met betrekking tot ontoegankelijke omgevingen beantwoorden door middel van opeenvolgende reïncarnaties van virtuele en tastbare zwermen ‘agents’? Professor Peter Baltus, leider van het Phoenix-project: “We hebben te maken met een kip-en-eiprobleem. We willen sensoren optimaliseren, zodat ze toepasbaar zijn in ontoegankelijke omgevingen. Andersom hebben we die onbekende omgeving nodig om de sensoren te ontwikkelen. Met het creëren van nieuwe soorten sensoren en nieuwe modellen van de onbekende omgevingen, lossen we die twee problemen tegelijkertijd op.”

In een eerste proef in een kinderzwembad op het terrein van TU/e bestaan de agents uit kunststofballen ter grootte van een pingpongbal, gevuld met microscopisch kleine sensoren. Een zwerm van deze balletjes (‘inspecteurs’) die ieder hun eigen informatievergaringsmissie hebben en gezamenlijk een totaalbeeld scheppen, zou op termijn van binnenuit bijvoorbeeld warmtelekken in warmtenetten of corrosie in waterleidingen kunnen detecteren. Zover is het nog lang niet, en projectleider Peter Baltus waarschuwt dat het allemaal nog steeds op niets kan uitdraaien, maar het internationale gezelschap wetenschappers dat aan het project werkt, is vol vertrouwen.

De sensorballetjes van het Phoenix-project. (Foto: Antea Group Nederland)

Vloeistofomgevingen

Dat het praktijkwerk zich nu toespitst op ondergrondse leidingen, is het resultaat van de optelsom van ervaringen en belangen van de betrokken partijen. Op basis van de omschrijving ‘ontoegankelijke omgevingen’ hadden ook ruimtevaart of kernenergie geschikte werkvelden kunnen zijn. Peter Baltus: “We wisten eerst nog niet wat we wilden oplossen. We zijn uitgekomen op vloeistofomgevingen met onbekende vloeistoffen en heel nauwe doorgangen. Die insteek is gekomen toen Antea Group bij dit project aan boord kwam.”

Léon Verhoeven, businesslijndirecteur Milieu en Veiligheid bij Antea Group: “De BV Nederland heeft een verouderd leidingennetwerk met een heel grote vervangingsopgave. Het probleem is dat we de omvang van die opgave eigenlijk niet echt kennen. We hebben ook weinig zicht op welk materiaal op welke plek is toegepast. Kortom, we weten niet precies wat er aan de hand is. We hopen te komen tot een aanpak waarmee we kunnen voorspellen wat waar nodig is op welk moment en zo tot een kostenefficiënte aanpak te komen. Een belangrijke vraag is: kan de vervangingsopgave worden uitgesteld? We zien dat de nutsbedrijven behoorlijk zenuwachtig zijn vanwege de veronderstelde omvang van de vervangingsoperatie.” Naast de maatschappelijke opgave speelt bij Antea Group overigens ook dat het project uitdagingen biedt aan de verdere ontwikkeling van haar medewerkers. Léon Verhoeven: “Wij willen toonaangevend zijn in het gebruik van technologie en data bij onze dienstverlening, waarbij mensen met een sterk wetenschappelijke achtergrond goed gedijen binnen ons bedrijf. Dat kan met dit soort innovatieve projecten.”

Het project zou ook een rol kunnen spelen in de energietransitie, verwacht Léon Verhoeven. “Inspectie van binnenuit kan antwoord geven op de vraag of gasleidingen geschikt zijn voor andere toepassingen. Die casussen hebben we overigens nog niet. Er is wel al interesse vanuit de industrie. Daar kan de inspectie van bijvoorbeeld een bluswaterleiding leiden tot de shutdown van een installatie. De veiligheidsrisico’s en de kosten die daaraan verbonden zijn, zou je kunnen voorkomen. En als ik verder droom, dan denk ik aan de enorme transportleidingen die door Europa lopen die je op continue basis zou kunnen inspecteren om voorspellend te worden en daarmee lekverlies te voorkomen.”

Praktische inzichten

De inbreng van Antea Group in het project beperkt zich niet tot vergezichten in de toepassing. Vanuit het ingenieursbureau komen ook de praktische inzichten die nodig zijn om de fysieke aspecten van het project te doorgronden. Peter Baltus: “Zeker in deze fase moeten we ervan uitgaan dat we de ‘inspecteurs’ in een leidingsysteem kunnen inbrengen en er weer uithalen. Dat hadden we ons vanuit de elektronica in eerste aanleg nog niet afgevraagd. Antea Group houdt ons met de voeten op de grond. Wat doe je als er een balletje niet terugkomt? Wij wisten aanvankelijk niet eens dat we ons daar zorgen over moesten maken. De wisselwerking tussen wetenschap en praktijk helpt in het compleet maken van de doelstellingen. Bij een miljoenenproject als dit kun je je niet veroorloven dat je het achteraf niet kunt gebruiken omdat je iets over het hoofd hebt gezien.”

Vanuit het ingenieursbureau komen ook de praktische inzichten die nodig zijn om de fysieke aspecten van het project te doorgronden.

Léon Verhoeven: “Het brede perspectief dat wij meebrengen, geeft een bepaalde schwung aan het project. Wij stellen andere vragen, en dat geeft dynamiek.” Peter Baltus constateert dat deze vorm van co-ontwikkeling steeds vaker wordt toegepast. “Als je technische ontwikkelingen wilt versnellen, kun je best een paar stappen overslaan. Traditioneel werken universiteiten samen met technische bedrijven en dan duurt het lang voordat een oplossing een marktpartij als Antea Group bereikt, en dan ben je vaak te laat.”

Virtueel en fysiek evolueren

De keuze voor ondergrondse leidingen maakt dat praktijkproeven relatief eenvoudig kunnen plaatsvinden, waarmee het leren en ontwikkelen op basis van opeenvolgende generaties (virtuele) ‘inspecteurs’ in een ononderbroken lijn kan plaatsvinden. De ambitie om multifunctioneel toepasbare sensorballetjes te ontwikkelen, betekent dat het huidige pingpongbalformaat moet evolueren tot een variant met een doorsnede van zeven millimeter. De grootste uitdaging bij dat formaat is de hoeveelheid energie die kan worden meegegeven. Peter Baltus: “Het is onwaarschijnlijk dat we de balletjes met een camera kunnen uitrusten. Dan heb je namelijk niet alleen doorzicht nodig, maar ook licht. Dat zou te veel energie kosten. Ook de communicatie kost energie en wil je zo veel mogelijk beperken.”

“We denken nu aan temperatuur- en ultrasone metingen. We kunnen dan informatie vergaren over bijvoorbeeld versnelling, positie, rotatie en in de toekomst misschien ook drukverschillen. Binnen de begrenzing van gewicht en energie willen we de sensorballetjes laten evolueren tot de sensoren waar we het meest aan hebben. Dat proces kun je vergelijken met dat van een kweker die rassen met verschillende eigenschappen kruist op basis van de beste eigenschappen. In ons ‘kweekproces’ onderscheiden we twee lussen. De eerste is de fysieke lus. Die is inherent langzaam, omdat het soms twee weken kan duren voordat de balletjes hun reis door een leidingensysteem hebben afgerond. De tweede lus is volledig in software gesimuleerd en werkt veel sneller. Dat vergt immers alleen geheugencapaciteit en rekenkracht. Zo’n opeenvolgende ontwikkeling van virtuele generaties bereikt op een gegeven moment een verzadigingspunt, waarna je eerst weer een experiment in de werkelijkheid moet doen voor je virtueel verder kunt.”

“De ambitie om te komen tot sensorballetjes van zeven millimeter, is een behoorlijk agressieve”, vervolgt Peter Baltus. “We streven naar een zo groot mogelijk aantal toepassingen. Het kweekproces zal echter uitwijzen welke kritische keuzes nodig zijn. Hoe dat uitpakt, weten we niet. Dit is nog nooit eerder gedaan. Mijn industriële achtergrond zegt dat het echt mogelijk moet zijn.”

Met de zwembadproef bevindt het Phoenix-project zich nog in de eerste fase. Léon Verhoeven: “De tweede fase bestaat uit het samen met relaties onderzoeken van stukken probleemleidingen, zodat we de juiste vragen kunnen stellen. Daadwerkelijke toepassing in de praktijk is pas fase drie, en daar zijn we nog lang niet. In de tweede fase moeten we veel verschillende aspecten onderzoeken. Hoe meer randvoorwaarden we naar aanleiding daarvan kunnen toevoegen, hoe groter de multifunctionaliteit van de balletjes kan zijn. Er is al belangstelling getoond vanuit verschillende soorten leidingbeheerders. We missen eigenlijk alleen nog een waterzuivering.”