Nederland is een baggerland; Nederlandse baggeraars zijn over de hele wereld actief. Ze zuigen zand en slib op van de waterbodem en zorgen zo voor begaanbare vaarroutes, schoon oppervlaktewater of nieuw land. Het zal dan ook geen verbazing wekken dat ook de grootste fabrikant van baggerapparatuur in Nederland is gevestigd: marktleider IHC Merwede, gevestigd in Sliedrecht, heeft ruim drieduizend werknemers in dienst.

Voor baggeraars is het van groot belang te weten welk deel van de modderige vloeistof die door de pijpen omhoog wordt gezogen uit modder bestaat en welk deel uit water; het opzuigen van een te waterig mengsel kost onnodig veel tijd en geld. Daarbij komt dat baggeraars in het algemeen worden afgerekend op de hoeveelheid materiaal die van de rivier- of zeebodem wordt losgemaakt en opgezogen. In een concurrerende bedrijfstak met kleine winstmarges is nauwkeurige meetapparatuur om de modderconcentratie in de baggertransportleidingen te bepalen een noodzakelijk hulpmiddel.

Baggeraars zijn momenteel nog afhankelijk van een meetsysteem op basis van een radioactieve bron. Deze cesium- of kobaltbron is vanwege veiligheidsoverwegingen ingepakt in een loden cilinder met een doorsnede van bijna een halve meter en zendt gammastraling uit naar een detector aan de overzijde van de baggerbuis. De hoeveelheid straling die door het moddermengsel heen komt, is een goede maat voor de dichtheid van het materiaal in de buis.

De radioactieve concentratiemeter werkt goed en eenvoudig, maar heeft als nadeel dat je met zwaar radioactief materiaal werkt, vertelt dr.ir. Martijn van Eeten: “Dat betekent dat er vaak speciale vergunningen moeten worden aangevraagd. Dat kost veel tijd, soms zelfs zoveel dat ze maar besluiten om zonder het meetsysteem te gaan baggeren en dat is natuurlijk geen ideale situatie. Aan de hand van het verschil in druk voor en na de pomp is wel iets te zeggen over de dichtheid van de modderstroom, maar deze methode is veel minder nauwkeurig.” Bovendien kan de publieke opinie er zomaar voor zorgen dat het werken met radioactief materiaal een groter probleem wordt dan het nu is. Hoewel de radioactieve bron uiterst onschuldig is vergeleken met een kerncentrale, heeft de recente ramp rond Fukushima het imago van radioactiviteit natuurlijk geen goed gedaan.

Dit alles was reden voor IHC om op zoek te gaan naar een alternatieve concentratiemeter. Via prof.dr. Herman Beijerink en het SAI kwam het bedrijf terecht bij Van Eeten, die als afstudeerproject voor zijn master Technische Natuurkunde onderzocht of je een concentratiemeter kunt maken waarin de gammastralen vervangen worden door onschuldige radiogolven. Dat bleek inderdaad het geval en de voortzetting van zijn afstudeerproject bleek geschikt voor een promotie op proefontwerp; een variant van promoveren waarvoor met name afgestudeerden van de ontwerpersopleidingen kiezen. Van Eeten voerde het promotieonderzoek uit in dienst van IHC Systems, een business unit van IHC Merwede.

De concentratiemeter van Van Eeten werkt deels op hetzelfde principe als de conventionele meter: hij bestaat uit een zender, in dit geval van radiofrequente (RF) straling, en een detector die kijkt hoeveel straling er door de baggerstroom wordt geabsorbeerd. Naast de verzwakking van het signaal is echter ook de looptijd van de golf een maat voor de modderconcentratie: die looptijd (of beter: de voortplantingssnelheid) is afhankelijk van de zogeheten permittiviteit van het mengsel van modder en water. Hoe meer modder, hoe lager deze permittiviteit. De variatie in looptijd is op deze korte afstand -de buizen zijn typisch een meter in doorsnede- niet meer dan een nanoseconde. Om die minieme vertraging te kunnen meten, bewerkte Van Eeten het signaal zodanig dat een zeer nauwkeurige vergelijking met het bronsignaal mogelijk is.

Van Eeten stuitte echter op een complicatie: het eerste prototype werkte prima in het lab, maar niet in zout of zelfs brak water. Dat is namelijk enigszins elektrisch geleidend door het zout dat hierin is opgelost. Voor de RF-concentratiemeter maakt dat de zaak aanzienlijk ingewikkelder: door de geleidbaarheid van het water doven de elektromagnetische golven snel uit. De methode is hierdoor wellicht zelfs ongeschikt voor toepassing in zeewater. Bovendien heeft de geleiding ook nog invloed op de voortplantingssnelheid van de golven.

De moeilijkheid is dus dat je tegelijkertijd zowel het zoutgehalte als het moddergehalte van het water meet en deze twee zaken niet zomaar van elkaar kunt onderscheiden. “Om dat te ondervangen hebben we een tweede prototype uitgerust met een geleidbaarheidsmeter, zodat we de effecten afkomstig van het zoutgehalte en van de modderconcentratie konden scheiden. Helaas werkte ook dat niet optimaal. Pas tijdens het schrijven van mijn proefschrift ontdekte ik hoe je uit de signaalverzwakking ook de geleidbaarheid kunt destilleren.” Een aparte geleidbaarheidsmeter bleek daardoor toch niet nodig - een meevaller.

De volgende stap is de concentratiemeter zo robuust te maken dat hij de markt op kan. “Deze methode is in ieder geval geschikt voor de niche van kleinere baggeraars die op binnenwater opereren. Het testmodel is nog te duur doordat er veel verwisselbare componenten in zitten. Maar dat kan nu anders, omdat we precies weten wat nodig is. Het is de bedoeling dat mijn opvolger op de commerciële versie zal promoveren.” (TJ)

Een baggerbuis met hierop het prototype van de concentratiemeter van Van Eeten (rood). Daarboven de conventionele meter op basis van een radioactieve bron (oranje).