Het begon met een vraag van netbeheerder Alliander, die ondergrondse infrastructuur wilde kunnen opsporen om graafschade te voorkomen. In Amsterdam waren we al bezig met quantummagnetosensoren en in een project hebben we toen laten zien dat je daarmee de ondergrondse infrastructuur aardig in beeld kunt brengen. Vervolgens kwam er vanuit Rijkswaterstaat interesse in het opsporen van ‘dark vessels’, schepen die bewust zonder AIS-signaal (Automatic Identification System) varen. Dit was met het oog op de beveiliging van de Noordzee, die druk bevaren is en veel kritische infrastructuur herbergt (windparken, gasleidingen en stroom- en datakabels). Inmiddels is het een uiterst actueel onderwerp, met de dreiging van sabotage van deze infrastructuur door vreemde mogendheden. Het resulteerde in het project Stella Maris, dat in 2025 van start ging.
Marten Teitsma, lector Applied Quantum Computing, Hogeschool van Amsterdam:
“Het is mijn ambitie om aansprekend onderzoek te doen waarmee we maatschappelijke impact hebben. In dit project willen we een robuust en zeewaardig detectiesysteem voor dark vessels ontwikkelen waarmee we uiteindelijk Nederland wat veiliger kunnen maken.”
Resultaten
Quantummagnetosensoren kunnen op basis van quantummechanische effecten uiterste kleine (veranderingen in) magneetvelden detecteren. Stroomvoerende kabels hebben van zichzelf een (elektro)magnetisch veld en zijn dus met deze sensoren te detecteren. Als er geen stroom door de kabels loopt, hebben ze door hun magnetische eigenschappen wel een klein effect op het aardmagnetisch veld waarin ze zich bevinden. Ook dat is in principe met deze sensoren te meten. Hetzelfde geldt voor schepen die grotendeels van staal zijn; hun invloed op het aardmagnetisch veld is ook met quantummagnetosensoren waar te nemen.
Het hart van zo’n sensor is een klein diamantje waarin zich NV-centers bevinden; die zitten er van nature in maar kunnen er ook met ionenimplantatietechnieken worden ingebracht. NV-centers (nitrogen-vacancy centers) zijn verontreinigingen met een stikstofatoom en een ‘gat’ in het kristalrooster van diamant, dat in principe alleen koolstofatomen bevat. Deze NV-centers vertonen fluorescentie: als er groen licht wordt ingestraald, komt er rood licht weer uit. Als het magneetveld eromheen verandert, heeft dat invloed op de fluorescentie: het uitgezonden licht krijgt een iets andere golflengte en die verandering kan worden gemeten.
Voortbouwend op ons onderzoek voor Alliander hebben we een meetsysteem ontwikkeld op basis van een gevoelige quantummagnetosensor. We hebben daarbij veel aandacht besteed aan onderdrukking van ruis (bijvoorbeeld van de fotodiode voor meting van het fluorescentiesignaal) en andere verstoringen vanuit de omgeving (denk aan strooilicht). Zo hebben we het systeem in het lab aan de praat gekregen.
Vervolgens hebben we voor inzet in het veld veel energie gestoken in het verkleinen van het systeem, door voor de elektronica van labapparatuur over te schakelen naar een PCB, en in het robuuster maken. Je gaat dan van TRL (technology readiness level) 4 naar TRL 6 en dat is een hele stap, waarbij de omstandigheden veel uitdagender worden. Dat bleek bij eerste veldtesten langs het Amsterdam-Rijnkanaal. Het ruisniveau lag opeens weer te hoog; aan verlaging wordt nog gewerkt. Als dat is gelukt, gaan we verder met testen, om meerdere schepen tegelijk te kunnen detecteren, onderscheiden en categoriseren. De volgende stap is dan testen in een haven en uiteindelijk willen we het systeem op een boei in open zee krijgen om te bewijzen dat principe daar werkt.
Bij de praktische toepassing kun je dan denken aan een lijn of zelfs een grid van deze systemen om betere meting en nauwkeuriger plaatsbepaling mogelijk te maken. Voor toepassing op zee hoeft de elektronica niet verder te worden verkleind, maar voor andere toepassingen kan dat wel vereist zijn. Er zijn nog mogelijkheden, want in de keuze van componenten hadden we ons nog niet door compactheid laten leiden.
Intussen hebben we ook de hele informatieketen voor dit detectiesysteem opgezet. Te beginnen bij het sensorsysteem dat kan bestaan uit meerdere eenheden met laser, diamantje en fotodiode. De analoge signalen die daaruit komen, worden versterkt en gedigitaliseerd, opgeslagen in een database en vervolgens door algoritmes bewerkt tot een detectiesignaal met locatiebepaling voor een dark vessel. Het eindresultaat wordt op een scherm (GUI, graphical user interface) getoond.
Marcel van der Horst, hoofddocent-onderzoeker, faculteit Techniek en Amsterdam Sensor Lab, Hogeschool van Amsterdam:
"We hebben in deelprojecten al veel studenten bij het onderzoek betrokken. Bijvoorbeeld voor de software, de energiehuishouding van het sensorsysteem en de uitlezing van de sensoren. Studenten vinden quantumsensoren een interessant onderwerp en ze zien het maatschappelijk effect. Dat is wel fijn. We hebben hier aan de hogeschool geen enkel probleem om studenten te interesseren voor projecten in het sensorlab. Mijn ambitie nu is de elektronica verder miniaturiseren, zorgen dat de sensoren nog gevoeliger kunnen meten, onder meer door de uitlezing te verbeteren, en ze nog energiezuiniger maken. Daar heb ik nu een afstudeerder op zitten.”
Vervolg
De volgende stap is verbreding van het onderzoek met partners die nieuwe expertise inbrengen. Zoals hogescholen voor onder meer elektronica en software engineering, fotonicabedrijven voor doorontwikkeling van de lichtmodule en semiconbedrijven voor miniaturisering van de elektronicamodule. Voorwaarde voor dat laatste is wel dat eerst met conventionele elektronica is aangetoond dat het concept betrouwbaar werkt en dat er een markt voor is; eerder gaan IC-fabrikanten niet investeren.
Verder kunnen andere toepassingen worden verkend, zoals in medische technologie (magnetisch veld van de hersenen meten bijvoorbeeld) of voor gps-vrij navigeren (op geleide van het aardmagnetisch veld). Belangrijk aandachtspunt daarbij zal zijn kostprijsverlaging door zo veel mogelijk off-the-shelf componenten te gebruiken. Dan wordt het commercieel haalbaar om de systemen in grotere aantallen te produceren en gebruiken, wellicht ook in Internet of Things-achtige toepassingen.
Ari Ortiz Moreno, docent-onderzoeker lectoraat Applied Nanotechnology, hogeschool Saxion:
"Mijn ambitie is om meer toepassingen te vinden. Ik kom zelf van de universiteit en heb daar een PhD gedaan, nu zit ik in een onderzoeksgroep op een hogeschool. Het gaat er nu niet meer om of iets revolutionair is, maar of het mogelijk is om te realiseren. Vanuit die focus zoek ik naar nieuwe use cases en bedrijven die we daarbij kunnen betrekken. Niet alleen voor de ontwikkeling van nieuwe quantumsensoren, die we bijvoorbeeld kunnen integreren met fotonica, maar ook van nieuwe elektronica voor quantumtechnologie in bredere zin."
Partners
Het project wordt uitgevoerd in opdracht van het Programma Bescherming Noordzee Infrastructuur (PBNI) van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat, met Rijkswaterstaat als directievoerder. De onderzoekspartners zijn de Hogeschool van Amsterdam, hogeschool Saxion, Hogeschool Rotterdam en High Tech Alliance, een MKB-bedrijf in Valkenswaard dat zich toelegt op speciaalmachinebouw, high-tech productontwikkeling en innovatieconsultancy.
