Wij mensen vliegen naar de maan, sturen sondes naar de rand van het zonnestelsel en nog verder. Maar we kunnen slechts een paar duizend meter doordringen tot in de aarde. Om het binnenste van onze planeet te onderzoeken zijn we dan ook aangewezen op indirecte methodes. De seismologie - seismós is Grieks voor aardbeving - doet onderzoek naar aardbevingen die worden veroorzaakt door het bewegen van aardplaten. Op basis van deze bewegingen trekken seismologen conclusies over wat er gebeurt in het binnenste van de aarde, zoals een verloskundige of arts een ongeboren baby bekijkt aan de hand van een echo. Een 'serieuze' aardbeving, die ook zonder instrumenten voelbaar is, is relatief makkelijk te meten. Bij een heftige beving is het signaal duidelijk en ook door minder gevoelige sensoren meetbaar.
Het wordt moeilijker als de bewegingen heel klein zijn, bijvoorbeeld de golfslag van de oceaan die als microseismologie over de hele wereld aanwezig is. Dan maakt een traditionele, eenvoudige seismometer geen kans. Een seismometer bestaat in principe uit een gewicht (pendel) dat aan een veer hangt. Aan het gewicht is een stift bevestigd die bij bevingen curven tekent op een draaiende rol papier. De uitslag geeft de sterkte van de beving aan - echter hooguit tot aan de randen van het papier. Aan de andere kant wordt de gevoeligheid beperkt door de dikte van de stift: Haarfijne uitslagen die kleiner zijn dan de breedte van de streep zijn niet meer duidelijk herkenbaar. Dit komt overeen met een dynamiek van zo'n 60 dB.
Een 18 kilometer breed blad papier
Om dergelijke beperkingen het hoofd te bieden, ontwikkelde de aankomende geofysicus Gunar Streckeisen aan de ETH in Zürich in het kader van zijn doctoraalscriptie en onder leiding van Erhard Wielandt zo'n 35 jaar geleden de zogenaamde breedbandseismometer STS-1. Later richtte hij in Winterthur Streckeneisen AG op om dit instrument te produceren en wereldwijd op de markt te brengen. Dat betekende het einde van de klassieke seismometer. Erhard Wielandt was in die tijd de drijvende kracht achter de ontwikkeling van de moderne seismische meettechniek.
Pendel blijft in evenwichtspositie
Het enige dat een breedbandseismometer gemeen heeft met zijn klassieke voorganger, is de bewegende pendel die op krachten van buitenaf reageert. Hij heeft geen stift meer, omdat deze alleen nog maar een rechte lijn zou trekken. Het geheim achter de extreem grote dynamiek van de Streckeisen-seismometers schuilt in het compenseren: een elektromagnetisch feedbacksysteem zorgt ervoor dat de pendel altijd in de eenmaal gevonden, uitgebalanceerde evenwichtspositie blijft. “Dat werkt als een elektronische weegschaal”, vertelt Robert Freudenmann, directeur van Streckeisen. “Het correctiesignaal dat nodig is voor het compenseren, is tegelijkertijd het uitgangssignaal. Hoe sterker de inwerkende beweging, hoe groter dit signaal en daardoor blijft de pendel altijd in het midden.” Dit meetprincipe heeft een bereik van 145 dB, wat overeenkomt met een rol papier van 18 kilometer breed. Om de bewegingen van de aarde in alle drie de dimensies te kunnen registreren, heeft elke seismometer drie pendels. Deze zijn enigszins schuin in een cirkelvorm geplaatst, elk op 120 graden van elkaar. Afhankelijk van de richting van de inwerkende kracht reageren ze verschillend; op basis van deze verschillen kan het driedimensionale beeld van de ruimtelijke verandering worden bereke
Eens in de tien jaar uitbalanceren
Na installatie werkt de uiterst precieze elektromechanica automatisch en langdurig zonder menselijk ingrijpen. Heel belangrijk is het exact uitrichten van de seismometer en het uitbalanceren van de pendel voordat de seismometer in gebruik wordt genomen. “Traditiegetrouw worden seismometers altijd op het oosten uitgericht”, vertelt Robert Freudenmann. “Om de pendel in evenwicht te brengen, wordt telkens een bewegende massa op de pendel precies zover verschoven tot deze perfect uitgebalanceerd is. Deze massa bestaat uit een tandrad dat door te draaien over een as heen en weer kan worden bewogen. Het wordt aangedreven door een haaks daarop staande worm. Er zit een klein beetje speling tussen het tandrad en de worm. Zodra het perfecte evenwicht is bereikt, blijft de tand van de instelmassa tussen de tandflanken van de worm staan zonder deze aan te raken: de pendel kan zich dus vrij bewegen.”
Langdurig betrouwbaar
Voor deze procedure, die in vakkringen 'centering' wordt genoemd, beschikt elke pendel over een stappenmotor van het type AM0820 met een 16:1 planetaire reductor van FAULHABER. De motor moet aan een hele serie eisen voldoen om in aanmerking te komen voor deze hoogwaardige toepassing: klein formaat en een laag stroomverbruik, precieze bewegingen en ongevoelig voor lage temperaturen, want Streckeisen-seismometers worden ook gebruikt in Noord-Alaska en in de buurt van de Zuidpool. Het belangrijkste is echter dat hij langdurig betrouwbaar moet zijn: “Voor langdurige metingen worden locaties gekozen waar de omgevingsomstandigheden heel stabiel zijn”, vertelt Robert Freudenmann. “In extreme gevallen worden de pendels voordat ze in gebruik worden genomen voor het eerst uitgebalanceerd en volgt de tweede keer misschien wel tien jaar later. Dan moet de motor na heel lang stil te hebben gestaan direct weer precies functioneren. Van de FAULHABER-motoren weten we dat ze dit kunnen.”
Opgeblazen betonnen ruimte
Niet alle instrumenten worden gebruikt voor langdurige metingen. Bij zogenaamde array-metingen wordt een groot aantal seismometers in de vorm van een raster in een bepaald gebied geplaatst om de bijzonderheden van de betreffende ondergrond te registreren. Wanneer de metingen na enkele maanden of jaren voltooid zijn, wordt het raster opgeschoven en reizen de instrumenten door naar hun volgende plek. Zo worden bijvoorbeeld alle staten van de VS een voor een gemeten. De onvermijdelijke beweging tijdens het transport is echter funest voor de gevoelige sensoren. Om beschadiging te voorkomen worden de bewegende onderdelen daarom vergrendeld met een transportbeveiliging. Daarvoor zorgt de vierde motor in de Streckeisen-seismometer, een DC-micromotor 0816P006S. “Het is erg praktisch dat FAULHABER ons zowel stappenmotoren als micromotoren van hoge kwaliteit en met de juiste specificaties kan leveren”, geeft Robert Freudenmann aan.
De huidige seismometers van Streckeisen zijn kleiner en eenvoudiger te plaatsen dan de eerste generatie. Een nieuwe variant met een buisvormige behuizing kan men zelfs in boorputten laten zakken. Maar de montage is nog steeds heel precies handwerk. Pas aan het eind kan worden gecontroleerd of de onderdelen precies genoeg samenwerken. Daarom wordt elke afgeronde sensor uitvoerig getest in een schuilkelder, onder meer op zijn ongevoeligheid voor luchtdrukschommelingen. Een ventilator blaast lucht in de door dik beton omgeven ruimte en 'blaast' deze op. “Het is misschien moeilijk te geloven, maar de hogere luchtdruk verandert de ruimte daadwerkelijk, ook al is het maar een paar nanometer”, zegt Robert Freudenmann. “Onze instrumenten kunnen deze verandering registreren. Als het instrument lek is, krijgen we een afwijkend signaal. Met dit soort tests garanderen we dat er alleen perfect functionerende seismometers worden geleverd, die de processen in het binnenste van de aarde precies registreren.”
Producten