De toekomst van menselijke bewoning in de zee krijgt vorm in een verlaten steengroeve op de grens van Wales en Engeland. Daar is de oceaanonderzoeksorganisatie Deep begonnen aan een meerjarige missie om wetenschappers in staat te stellen om weken, maanden en mogelijk zelfs jaren op de zeebodem te leven op diepten tot 200 meter.

Deep wil dit jaar de kleine, modulaire habitat Vanguard testen. Deze verplaatsbare onderwaterschuilplaats biedt ruimte aan drie duikers voor ongeveer een week en vormt een opstap naar het meer permanente modulair habitatsysteem Sentinel, dat in 2027 gelanceerd moet worden.
“We hopen in 2030 permanent mensen in de oceaan te hebben”, zegt Kirk Krack, leider van de menselijke duikprestaties bij Deep. Waarom hij dat wil? “Met de huidige duikdiepte van 150 tot 200 meter kun je slechts 10 minuten onderzoekswerk voltooien, gevolgd door 6 uur decompressie. Met onze onderwaterhabitats kunnen we in 30 dagen zeven jaar werk doen met een kortere decompressietijd. Meer dan 90 procent van de biodiversiteit van de oceaan leeft binnen 200 meter diepte en aan de kustlijn, en we kennen er maar 20 procent van.”
De Vanguard is een snel inzetbare, expeditie-achtige onderwaterhabitat ter grootte van een scheepscontainer die kan worden vervoerd en bevoorraad door een schip en drie mensen kan huisvesten tot een diepte van ongeveer 100 meter. Het is de bedoeling dat het in het eerste kwartaal van 2025 wordt getest in een steengroeve buiten Chepstow, Wales.
Het doel is om Vanguard korte periodes overal te kunnen inzetten waar het nodig is. Duikers kunnen urenlang op de zeebodem werken voordat ze naar de module gaan voor maaltijden en rust.
Stroom en gassen
Een van de nieuwe kenmerken van Vanguard is de buitengewone flexibiliteit als het gaat om stroom. Er zijn momenteel drie opties: wanneer hij dicht bij de kust wordt ingezet, kan hij via een kabel verbinding maken met een distributiecentrum op het land met behulp van lokale hernieuwbare energiebronnen.
Verder op zee kan hij worden gevoed door drijvende hernieuwbare-energieparken en brandstofcellen die Vanguard via een navelstrengverbinding zouden voeden, of het kan worden gevoed door een onderwater-energieopslagsysteem dat meerdere batterijen bevat die kunnen worden opgeladen, opgehaald en opnieuw kunnen worden ingezet via onderzeese kabels.
De ademgassen worden ondergebracht in externe tanks op de zeebodem en bevatten een mengsel van zuurstof en helium dat afhankelijk is van de diepte. In geval van nood kunnen verzadigde duikers niet naar de oppervlakte zwemmen zonder een levensbedreigende decompressieziekte op te lopen. Dus Vanguard, net als de toekomstige Sentinel, zal ook voldoende reservestroom hebben om 96 uur levensondersteuning te bieden, in een externe, aangrenzende pod op de zeebodem.
Sentinel
Gegevens die dit jaar door Vanguard zijn verzameld, zullen de weg vrijmaken voor Sentinel, dat zal bestaan uit pods van verschillende groottes en mogelijkheden. Deze pods kunnen worden ingericht op verschillende interne luchtdrukken, zodat verschillende secties verschillende functies kunnen uitvoeren. De laboratoria kunnen bijvoorbeeld op de lokale bathymetrische druk worden gezet voor het analyseren van monsters in hun natuurlijke omgeving, maar daarnaast kan een kamer met 1 atmosfeer worden opgezet waar onderzeeërs kunnen aanmeren en bezoekers de habitat kunnen observeren zonder dat ze zich hoeven aan te passen aan de lokale druk.
Volgens Deep zou een typische configuratie zes mensen huisvesten, elk met een eigen slaapkamer en badkamer. Het zou ook een reeks wetenschappelijke apparatuur hebben, waaronder volledige natte laboratoria om genetische analyses uit te voeren, waardoor er dagen bespaard worden doordat er geen monsters naar een laboratorium aan de oppervlakte hoeven te worden vervoerd voor analyse.
Een Sentinel-configuratie is ontworpen om een maand mee te gaan voordat er bevoorrading nodig is. Gassen worden bijgevuld via een navelstrengverbinding vanaf een oppervlakteboei, en voedsel, water en andere benodigdheden worden naar beneden gebracht tijdens geplande bemanningswisselingen om de 28 dagen.
WAAM 2.0
Deep’s productieafdeling, Deep Manufacturing Labs (DML) gebruikt wire-arc additive manufacturing (WAAM) voor de productie van de units, met behulp van een metaal-inert-gasbrander. Harry Thompson, hoofd geavanceerde productietechniek, zegt: “We zitten in een grijs gebied tussen lassen en additive manufacturing, dus we volgen de lasregels, maar voor drukvaten volgen we ook een spanningsverlichtend proces voor additieve componenten. Voorts testen we alle onderdelen (non-destructief).”
Elk van de robotarmen heeft een werkbereik van 2,8 bij 3,2 meter, maar DML heeft dit gebied vergroot door middel van een concept dat het Hexbot noemt. Het is gebaseerd op zes robotarmen die geprogrammeerd zijn om samen te werken om habitatrompen te creëren met een diameter tot 6,1 meter. De grootste uitdaging bij het creëren van de rompen is volgens Thompson het beheersen van de hitte tijdens het additieve proces om te voorkomen dat de onderdelen vervormen terwijl ze worden gemaakt. Hiervoor vertrouwt DML op het gebruik van hittebestendige staalsoorten en op zeer nauwkeurig geoptimaliseerde procesparameters.
Helium en elektronica
Het is ook een uitdaging om mensen 200 meter onder water gelukkig en in leven te houden. Bijvoorbeeld stikstof/ helium. Vanwege het narcotische effect bij hoge druk, mag stikstof niet door mensen worden ingeademd op diepten onder ongeveer 60 meter. Dus op 200 meter zal de ademmix in de habitat 2 procent zuurstof en 98 procent helium zijn. Maar vanwege de zeer hoge thermische geleidbaarheid, “moeten we helium verwarmen tot 31-32 °C om een normale interne temperatuur van 21-22 °C te krijgen”, zegt Rick Goddard, directeur engineering bij Deep. “Dit creëert een vochtige atmosfeer, dus poreuze materialen worden een broedplaats voor schimmel.”
De materialen mogen ook geen gassen uitstoten en ze moeten akoestisch isolerend, lichtgewicht en constructief gezond zijn bij hoge druk.
“Helium breekt voorts bepaalde elektrische componenten af. We hebben apparaten uit elkaar moeten halen, chips moeten vervangen, printplaten moeten veranderen en zelfs onze eigen PCB’s moeten ontwerpen die geen gassen afgeven”, aldus Goddard.
Batterij onder druk
Het elektrische systeem moet voorts een energiemix kunnen verwerken met uiteenlopende bronnen als drijvende zonneparken en brandstofcellen op een oppervlakteboei. Energieopslagapparaten vormen grote uitdagingen op het gebied van elektrotechniek: helium sijpelt in condensatoren en kan deze vernietigen wanneer het probeert te ontsnappen tijdens decompressie. Batterijen ontwikkelen ook problemen bij hoge druk, dus ze zullen buiten de habitat moeten worden ondergebracht in drukvaten van 1 atmosfeer of in met olie gevulde blokken die een drukverschil binnenin voorkomen.
Oceans,… the final frontiers.
Dit geeft in de toekomst ook overlevingsmogelijkheden wanneer de aarde besmet is met een ernstige fall-out.