Sonar: hoe geluid de onderwaterwereld zichtbaar maakt
Onder water is het pikdonker, vaak al na enkele tientallen meters diepte. Licht dringt nauwelijks door, en ook radar - de techniek die vliegtuigen en schepen bovenwater opspoort met radiogolven - werkt niet, omdat water elektromagnetische golven razendsnel dempt. Geluid daarentegen reist uitstekend door water, veel beter zelfs dan door lucht. Sonar maakt daar gebruik van: het is de techniek waarmee je met geluidsgolven objecten, de zeebodem of dieren onder water kunt 'zien'. De naam is een afkorting van het Engelse SOund Navigation And Ranging.
Het principe lijkt op hoe een vleermuis in het donker vliegt. Een vleermuis stoot hoge piepjes uit en luistert naar de echo die terugkaatst van muren, bomen of insecten; uit de tijd die de echo nodig heeft om terug te komen, berekent het dier hoe ver een object weg is. Sonar werkt op dezelfde manier, maar dan met apparatuur: een zender stuurt een geluidspuls de diepte in, en een ontvanger vangt de weerkaatsing op. Zo kunnen schepen, onderzeeƫrs en onderzoeksrobots in kaart brengen wat er onder het wateroppervlak gebeurt, van scheepswrakken tot walvissen en van de contouren van de zeebodem tot vijandelijke onderzeeƫrs.
Wat is het precies?
Er bestaan twee hoofdvormen van sonar. Bij actieve sonar zendt het systeem zelf een geluidspuls uit, meestal een korte 'ping', en meet het hoe lang het duurt voordat de echo terugkomt. Omdat de snelheid van geluid in water bekend is (ongeveer 1500 meter per seconde, sneller dan in lucht), kan uit die tijdsduur direct de afstand tot een object worden berekend. Ook de verandering in toonhoogte van de echo - het zogeheten dopplereffect, hetzelfde effect waardoor een ambulancesirene hoger klinkt als hij nadert en lager als hij wegrijdt - verraadt of een object beweegt en hoe snel.
Bij passieve sonar wordt niets uitgezonden; het systeem luistert alleen. Dat is veel stiller en dus lastiger te detecteren voor een tegenstander, wat het bij militaire onderzeeƫrs een populaire methode maakt. Ook onderzoekers die walvissen en dolfijnen bestuderen, gebruiken vaak passieve sonar: door met onderwatermicrofoons - hydrofoons genoemd - te luisteren naar de klikken en roepen van deze dieren, kunnen ze ze volgen zonder ze te verstoren.
Moderne sonarsystemen gaan verder dan Ć©Ć©n simpele ping. Multibeam sonar stuurt tientallen tot honderden geluidsbundels tegelijk uit in een waaiervorm, waardoor een schip in Ć©Ć©n keer een brede strook zeebodem in detail kan scannen in plaats van slechts een enkel punt. Side-scan sonar wordt vaak achter een schip of onderwaterdrone aangesleept en maakt, doordat het schuin naar opzij kijkt, contrastrijke 'foto's' van de zeebodem waarop objecten als wrakken duidelijk als schaduwen zichtbaar worden. De nieuwste ontwikkeling heet synthetic aperture sonar (SAS): door de beweging van het vaartuig zelf slim te benutten en veel losse metingen samen te voegen tot Ć©Ć©n scherp beeld, ontstaat een resolutie die tot wel tien keer beter is dan bij klassieke sonar, vergelijkbaar met hoe synthetic aperture radar vanuit satellieten scherpe beelden van het aardoppervlak maakt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van sonar is simpel: zicht krijgen op een omgeving die voor het blote oog ontoegankelijk is. Dat heeft veel praktische toepassingen. Scheepvaart gebruikt sonar al sinds decennia om ondiepten en obstakels te vermijden. Bij de aanleg van onderzeese kabels en pijpleidingen - essentieel voor internetverbindingen en energievoorziening - is een gedetailleerde kaart van de zeebodem onmisbaar. Ook offshore windparken worden vooraf met sonar in kaart gebracht om te bepalen waar funderingen veilig geplaatst kunnen worden.
Daarnaast speelt sonar een rol bij wetenschappelijk onderzoek: klimaatwetenschappers gebruiken bodemkaarten om oceaanstromingen te begrijpen, en bioloog gebruiken passieve sonar om het gedrag en de verspreiding van zeezoogdieren te volgen. Militair gezien blijft sonar een kerntechnologie om onderzeeƫrs en zeemijnen op te sporen, iets waar marines wereldwijd fors in blijven investeren. Ten slotte wordt sonar gebruikt om vermiste schepen, vliegtuigen en zelfs archeologische vondsten op de zeebodem terug te vinden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste toepassingen van sonar is de ontdekking van het wrak van de Titanic in 1985. Oceanograaf Robert Ballard van de Woods Hole Oceanographic Institution vond het scheepswrak op ruim 3800 meter diepte met behulp van side-scan sonar, gesleept vanaf een onderzoeksschip.
Een recenter en tragischer voorbeeld is de zoektocht naar het vermiste vliegtuig MH370 van Malaysia Airlines, dat in 2014 spoorloos verdween boven de Indische Oceaan. Nadat de eerste, door overheden geleide zoekactie in 2017 werd gestaakt, zette het Britse bedrijf Ocean Infinity de zoektocht voort met een vloot autonome onderwaterdrones uitgerust met sonar. Ook in 2023 en 2024 werden nieuwe zoekpogingen aangekondigd, tot nu toe zonder resultaat; het toestel is nog altijd niet gevonden.
Op wetenschappelijk vlak loopt sinds 2017 het internationale Seabed 2030-project, een samenwerking tussen de Nippon Foundation en GEBCO (General Bathymetric Chart of the Oceans), met als doel de complete zeebodem van de aarde in hoge resolutie in kaart te brengen. Ondanks flinke vooruitgang - mede dankzij het samenvoegen van bestaande scheepsdata - is naar schatting nog altijd minder dan een derde van de oceaanbodem daadwerkelijk met moderne sonar in detail gekarteerd; voor de precieze, actuele stand verwijst het project zelf naar zijn jaarlijkse voortgangsrapportage.
In de offshore-industrie worden autonome onderwatervoertuigen (AUV's, autonomous underwater vehicles) zoals de Noorse Kongsberg HUGIN ingezet om zelfstandig, zonder kabel naar een schip, grote stukken zeebodem te scannen voordat kabels, pijpleidingen of windparkfunderingen worden aangelegd.
Ten slotte is er het gevoelige onderwerp van walvisstrandingen. Onderzoekers hebben sinds eind jaren negentig meerdere gevallen gedocumenteerd - onder meer bij de Bahama's in 2000 en bij de Canarische Eilanden begin jaren 2000 - waarbij groepen spitssnuitdolfijnen (beaked whales) massaal strandden kort na marine-oefeningen met krachtige actieve sonar. Wetenschappers vermoeden dat de intense geluidspulsen paniekreacties of decompressieverschijnselen bij deze diepduikende dieren veroorzaken, al is het exacte mechanisme niet volledig opgehelderd. Verschillende marines hebben mede daardoor hun sonarprotocollen aangepast in gebieden waar deze dieren voorkomen.
Hoe ver is de techniek?
Sonar is geen jong vakgebied. De basis werd al tijdens de Eerste Wereldoorlog gelegd door de Franse natuurkundige Paul Langevin, die met piƫzo-elektrisch kwarts een van de eerste actieve sonarsystemen bouwde om Duitse onderzeeƫrs op te sporen. In de Tweede Wereldoorlog werd de techniek, toen vaak ASDIC genoemd, verder verfijnd en op grote schaal ingezet. Sonar is dus een volwassen, decennialang beproefde technologie, geen speculatieve toekomsttechniek.
De vooruitgang van de afgelopen jaren zit vooral in drie zaken. Ten eerste de resolutie: synthetic aperture sonar levert steeds scherpere beelden op, waardoor kleine objecten als versplinterde wrakstukken of zelfs individuele mijnen herkenbaar worden. Ten tweede de automatisering van beeldherkenning: net als bij gewone foto's wordt kunstmatige intelligentie ingezet om sonarbeelden automatisch te doorzoeken op verdachte objecten, wat het handmatig uitpluizen van enorme datasets versnelt. Ten derde de combinatie met autonome platforms: onbemande onderwaterdrones en zelfvarende oppervlaktevaartuigen zoals die van het Amerikaanse bedrijf Saildrone kunnen wekenlang zelfstandig varen en meten, zonder dat er voortdurend een bemand schip nodig is.
De obstakels zijn evenmin verdwenen. De resolutie van sonar blijft op grote afstand beperkt in vergelijking met optische camera's op het land, en volledige kartering van de oceaan blijft extreem tijdrovend en kostbaar - de oceaan is simpelweg enorm, en het merendeel ligt op kilometers diepte. Autonome onderwaterdrones worden bovendien beperkt door hun batterijcapaciteit, wat de actieradius en meetduur begrenst. En de ecologische zorgen over de impact van krachtige actieve sonar op zeezoogdieren zijn, ondanks aangepaste protocollen, nog niet volledig weggenomen.
Wie werken eraan?
In de commerciƫle en wetenschappelijke sonarwereld springen enkele bedrijven eruit. Het Noorse Kongsberg (met de merken Kongsberg Maritime en Kongsberg Discovery) is wereldwijd toonaangevend in zowel sonarsystemen als AUV's. Het Amerikaanse Teledyne Marine, onder meer via het merk Teledyne RESON, levert multibeam- en andere sonarsystemen voor onderzoek en industrie. Het Franse defensieconcern Thales is een grote leverancier van militaire sonarsystemen voor marines wereldwijd, terwijl het eveneens Franse Exail (voorheen iXblue) zich richt op navigatie- en sonarsystemen voor onderwatertoepassingen. Het Canadese Kraken Robotics heeft naam gemaakt met synthetic aperture sonar, en het Amerikaanse Saildrone zet onbemande zeilvaartuigen in voor grootschalige oceaandatacollectie. Het Britse Ocean Infinity is gespecialiseerd in commerciƫle diepzeezoektochten en -surveys met vloten autonome onderwaterdrones.
Op wetenschappelijk gebied lopen de Amerikaanse Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) en NOAA Ocean Exploration voorop in oceanografisch sonaronderzoek, terwijl GEBCO - werkend onder de Internationale Hydrografische Organisatie en de Intergouvernementele Oceanografische Commissie van UNESCO - de internationale coƶrdinatie van zeebodemkartering op zich neemt. Wat betreft landen en marines behoren de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Noorwegen en Japan tot de koplopers in zowel civiele als militaire sonartechniek.