Wat gebeurt er ondergronds bij een aardverschuiving en hoe zorg je ervoor dat een dijk niet bezwijkt onder het gewicht van water of voertuigen die eroverheen rijden? Assistent professor Amin Askarinejad legt uit hoe de geocentrifuge van de TU Delft in een mum van tijd bodemprocessen gedetailleerd kan nabootsen.
Je stopt een tomaat in een geocentrifuge, laat die ronddraaien en voert de zwaartekracht (g-kracht) steeds verder op. Wat gebeurt er dan? Bij 6g valt het vel eraf en niet veel later heb je tomatenpuree. Tot die ‘ontdekking’ kwam Amin Askarinejad toen hij in 2005 in zijn geboorteland Iran de allereerste geocentrifuge van het land testte.
Een leuk experiment, maar het zijn niet de vraagstukken waar hij zich op de TU Delft mee bezighoudt. Als assistent professor experimental soil mechanics onderzoekt hij faalmechanismen van bodemstructuren in kwetsbare gebieden zoals deltaregio’s en onder water. Hierdoor krijgt hij inzicht in processen die zich over lange periodes in de ondergrond afspelen. De kennis kan worden gebruikt om gebieden beter te beschermen tegen aardbevingen en overstromingen of efficiënter te bouwen op zee.
De geocentrifuge
De geocentrifuge biedt Askarinejad regelmatig een helpende hand bij zijn onderzoek. De 25 jaar oude installatie van de TU staat in een afgesloten ruimte van het gebouw van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen. Askarinejad legt uit wat hier gebeurt: “We voeren experimenten uit met kleine schaalmodellen van bodemstructuren. We plaatsen een model van bijvoorbeeld een dijk in de geocentrifuge en laten die steeds sneller ronddraaien zodat de zwaartekracht wordt opgevoerd. Dat kan tot wel 300g, dat is driehonderd keer de zwaartekracht op aarde.”
Grote tijdwinst door g-krachten
Het verhogen van de zwaartekracht vormt de essentie van de geocentrifuge. In de praktijk kun je weliswaar een schaalmodel maken van een dijk met de juiste verhouding en gelaagdheid van bodemsoorten, maar factoren als weerstand naar buiten en de ondergrondse druk zijn zonder geocentrifuge niet te simuleren. “Door het opvoeren van de zwaartekracht wordt elke korrel zand of klei en een eventueel toegevoegde vloeistof verzwaard. Dat zorgt ervoor dat je langdurige processen heel nauwkeurig kunt versnellen.”
Hij laat met een rekenvoorbeeld zien hoe groot de tijdwinst is. “Elke extra g-kracht, factor N, zorgt voor een tijdversnelling van N in het kwadraat. Als je een test doet met 100g, versnel je het tijdsverloop tienduizend keer, namelijk met honderd in het kwadraat. Zo kun je een proces dat normaal 27 jaar duurt, bijvoorbeeld de verspreiding van verontreinigde vloeistoffen in de bodem, binnen een dag in kaart brengen.”
Offshore windturbines
Momenteel werkt Askarinejad met een aantal PhD- en masterstudenten en Royal IHC-MTI aan een project voor offshore windturbines. “We willen weten hoeveel energie er nodig is om een windmolenpilaar de zeebodem in te heien. Bij te weinig kracht komt de pilaar niet goed de bodem in, bij te veel kracht kan de pilaar vervormen of zelfs kapot gaan. We onderzoeken het optimale gewicht en de valhoogte van het heiblok en de frequentie van het aantal slagen.”
Askarinejad laat een filmpje van een test zien. De basket, met een inhoud van 40 bij 40 bij 50 centimeter en een maximumgewicht van 30 kilo, hangt aan een uiteinde van de 1,3 meter lange arm. De basket is gevuld met een laag zand, een pilaar van de windmolen en het heisysteem, allemaal op een schaal van 1 op 50. Aan de andere kant van de arm hangt een tegengewicht, zodat de centrifuge tijdens het draaien in balans blijft. Na enkele minuten heeft de centrifuge de gewenste 50g bereikt. “Het heien duurt slechts 3 seconden, maar in de praktijk is dat dus een proces van ongeveer twee uur.”
Verboden toegang
Zodra de geocentrifuge aanstaat, is het strikt verboden om in de ruimte aanwezig te zijn, benadrukt Askarinejad. “Door de hoge snelheid kunnen onderdelen losschieten. Dat is gelukkig nog nooit voorgekomen, maar we mogen geen risico’s nemen.” Met digitale camera’s en sensoren die boven, naast en op de centrifuge zijn bevestigd, kunnen de onderzoekers in een controlekamer volgen wat er in de basket gebeurt. “De video’s kijken we terug voor een nauwkeurige analyse."
Herhaling
De test wordt een aantal keer herhaald met verschillende bodemsoorten, zoals zand en klei. Ook externe factoren als golven en wind op zee kunnen worden nagebootst. “Door het te herhalen onder verschillende omstandigheden zijn de uitkomsten betrouwbaarder dan wanneer je geavanceerde rekenmodellen op een computer zou gebruiken.”
Eindeloos experimenteren
Sinds het tomatenexperiment in Iran heeft Askarinejad de geocentrifuge al vele malen ingezet. “Tijdens mijn PhD en postdoc in Zürich heb ik gekeken naar het gedrag van hellingen bij extreme regenval. Ik vind het fascinerend hoe je complexe bodemprocessen die normaal gesproken jaren duren op kleine schaal zo snel en betrouwbaar kunt nabootsen en allerlei parameters kunt toevoegen. Dat kan ik eindeloos blijven doen.”
Nieuwe plannen
Het windturbineproject, waar nu in een tweede fase de optimale heifrequentie wordt bepaald, heeft Askarinejad alweer op nieuwe ideeën gebracht. “De fundering van windturbines die nu offshore worden gebruikt, zijn niet geschikt voor diepe wateren. Daarnaast is de installatie van de turbines een luidruchtig proces, wat schadelijk is voor het zeeleven. Ik wil kijken of we duurzame alternatieven kunnen ontwikkelen. En daar heb ik de geocentrifuge zeker weer bij nodig.”
Gepubliceerd: december 2018
