‘Binnenkort zullen we veiliger vliegen dankzij optische glasvezels’

Vliegtuigen die kunnen voelen wanneer ze beschadigd zijn, net zoals wij kunnen voelen wanneer we pijn hebben. Het klinkt als iets uit een sciencefictionfilm, maar het zal weldra mogelijk zijn dankzij optische glasvezels en ‘lichttechnologie’. Sidney Goossens staat voor de Universiteit Van Vlaanderen stil bij de mogelijkheden van glasvezelsensoren.

2022: het Internationale Jaar van het Glas

Glas en licht hebben een eeuwenoude relatie. Denk bijvoorbeeld maar aan gekleurde glasramen die al eeuwen licht binnenlaten in prachtige kathedralen, het glas in lenzen die worden gebruikt om licht te focussen in camera’s, microscopen en telescopen, of het glas in het scherm van het toestel waarmee je nu dit artikel aan het lezen bent. Zelfs het super snelle internet, waardoor iemand aan de andere kant van de wereld dit artikel nu aan het meelezen zou kunnen zijn, is enkel mogelijk door glasvezelverbindingen die digitale informatie aan de lichtsnelheid kunnen transporteren.

Juist omdat glas zulke belangrijke eigenschappen heeft, hebben de Verenigde Naties het jaar 2022 uitgeroepen als het ‘Internationale Jaar van het Glas’. Dit jaar zal de essentiële rol van glas in de maatschappij vieren: van glas in kunst en architectuur tot glas in technologie en wetenschap. Een ideaal moment dus om de mogelijkheden van optische glasvezels in de schijnwerpers te zetten.

Glasvezeltechnologie: meer dan supersnel internet

Hoewel we ze niet kunnen zien zoals de glaspartijen in kathedralen, maken we allemaal dagelijks gebruik van optische glasvezels. Ze vormen namelijk de ruggengraat van het super snelle internet. Een typische glasvezel is zo dun als een menselijke haar, en gemaakt van ultra zuiver glas. Een laserstraal die aan een kant van de glasvezel vertrekt blijft opgesloten in het glas en kan zo honderden kilometers door de glasvezel reizen. Digitale signalen worden gecodeerd in deze laserstralen en zo tegen de lichtsnelheid door glasvezelverbindingen over de oceaanbodem gestuurd. Optische glasvezels bieden de dag van vandaag de meest betrouwbare en snelste internetverbindingen met enorm hoge datasnelheden. Internetverbindingen zijn echter niet de enige toepassing van optische glasvezels.

Binnenin deze glasvezels, waar de laserstralen reizen, kan een klein ‘microspiegeltje’ gegraveerd worden. Dit microspiegeltje gaat enkel één bepaalde kleur, of golflengte, van het laserlicht reflecteren. Alle andere kleuren worden gewoon doorgelaten. Het laserlicht dat typisch in deze glasvezels gebruikt wordt, is infrarood licht, en het is dus niet zichtbaar voor onze ogen. Zo een microspiegeltje in de glasvezel gaat dan enkel één golflengte van dat infraroodlicht, bijvoorbeeld infra-donkerrood, reflecteren. Wat gebeurt er nu als we aan de glasvezel gaan rekken op de locatie van dit microspiegeltje: dan zal de gereflecteerde golflengte van dat microspiegeltje veranderen (bijvoorbeeld van infra-lichtrood naar infra-donkerrood). Op deze manier kan zo een glasvezel met microspiegeltjes gebruikt worden als sensor voor het meten van rek en temperatuur.

Het grote voordeel van dit soort glasvezelsensoren is dat er meerdere microspiegeltjes in één enkele glasvezel kunnen gegraveerd worden. Al die microspiegeltjes zijn dan een beetje anders, zodat ze elk een andere golflengte van het infrarood licht reflecteren. Stel je eens een draad van glasvezel voor, die zo dun is als een menselijke haar, met daarin honderden sensoren, op enkele centimeters van elkaar. Voor honderd elektronische sensoren zou je voor elke sensor zeker twee koperen draden nodig hebben, wat een nachtmerrie van bekabeling en gewicht zou betekenen. Deze glasvezelsensoren worden al volop gebruikt in industrieën waar er over lange afstanden gemeten moet worden: van het toezicht houden op de structurele toestand van lange bruggen, tot het controleren van de druk en temperatuur in gas- of oliepijpleidingen. De lichtsignalen waarmee deze glasvezelsensoren werken zijn ook volledig ongevaarlijk in situaties waar bijvoorbeeld een elektrische vonk, of een oververhitte elektronische sensor wel een gevaar zou kunnen betekenen.

Vliegtuigen met een zenuwstelsel van glasvezel

Een veel recenter toepassingsgebied waar deze glasvezelsensoren worden ingezet, is in de luchtvaartindustrie voor het detecteren van schade aan vliegtuigen. Dit is vooral zo in de nieuwste vliegtuigen die gemaakt zijn van composietmaterialen. Deze nieuwe materialen zijn gevoelig voor impactschade: barstjes die optreden ten gevolge van een impact op het vliegtuig, zoals een bosting met een vogel, een blikseminslag, of zelfs een moersleutel die men per ongeluk op het vliegtuig liet vallen tijdens een onderhoud. Die barstjes kunnen verder scheuren tijdens het gebruik van het vliegtuig wanneer het composiet belast wordt. Dit kan er uiteindelijk voor zorgen dat het composiet gaat breken.

Vliegtuigbouwers zijn daarom actief op zoek naar een sensornetwerk dat permanent aanwezig is in het composietmateriaal om die impactschade zo snel mogelijk te detecteren en lokaliseren. Als het vliegtuig tijdens een vlucht bijvoorbeeld botst met een vogel, dan kan dat sensornetwerk na de vlucht onmiddellijk zeggen óf en waar het vliegtuig gerepareerd moet worden, lang voor er echt gevaar optreedt. Glasvezelsensoren zijn de ideale kandidaten voor dit sensornetwerk: ze zijn dun en licht, waardoor ze zelfs binnenin het composietmateriaal geplaatst kunnen worden zonder extra gewicht aan het vliegtuig toe te voegen. Daarenboven maken ze gebruikt van glas en lichtsignalen, die niet interfereren met andere communicatiesignalen.

In ons onderzoek aan de Brussels Photonics groep van de Vrije Universiteit Brussel hebben wij onderzocht wat er juist nodig is om deze glasvezelssensoren te doen werken in de veeleisende luchtvaartomstandigheden. Je wil bijvoorbeeld dat de sensoren nog naar behoren werken nadat het vliegtuig van Brussel naar Sevilla is gevlogen en daar een verschil in temperatuur niet gaan verwarren met de aanwezigheid van impactschade. Dit onderzoek maakte deel uit van het Clean Aviation initiatief van de Europese Commissie, dat luchtvaartindustrie en onderzoeksinstellingen over heel Europa samenbrengt met als ultiem doel om de uitstoot van toekomstige vliegtuigen met 30% te verlagen.

Dit wordt dus onder andere mogelijk gemaakt door glasvezelsensoren die, in combinatie met nieuwe materialen, vliegtuigen veiliger, lichter en milieuvriendelijker maken. Net zoals wij pijn kunnen voelen met het zenuwstelsel in ons lichaam, zullen vliegtuigen binnenkort kunnen voelen of ze beschadigd zijn met hun eigen zenuwstelsel van glasvezels.

Dr. ir. Sidney Goossens is verbonden aan de onderzoeksgroep Brussels Photonics aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB).