Optica in vuurtorens

De vuurtorens in Frankrijk zijn gigantisch. Nergens ter wereld staan er zo veel vuurtorens langs te kust met hoogtes tot maar liefst 80 meter. Die indrukwekkende bouwsels zijn niet per se gebouwd omdat de Franse kustwateren zo gevaarlijk zijn. De grote, rijke decoraties van de gebouwen komen voort uit zelfbewustheid en nationale eer. Ze maken zichzelf geliefd. Als ik aan vuurtorens denk, denk ik aan Henry Lepaute. De naam wordt in één adem genoemd met de technologie die de navigatie op zee ondersteunt met kenmerkende lichtbakens. Lepaute bouwt de lenzen die ervoor zorgen dat het licht tot op 40 kilometer afstand zichtbaar is. Want de stralen vanuit het lichthuis moeten ten minste 23 zeemijlen ver rijken.

Vuurtorens, boeien, satellietnavigatie en radar vormen een kwartet dat zeelui de benodigde oriëntatie geeft. Vooral dicht langs de kust zijn visuele navigatiesignalen onvervangbaar. De vuurtorendichtheid is bijzonder hoog langs de Franse kust van het Kanaal, omdat de getijden hier zorgen voor enorme verschillen in de waterstand tussen eb en vloed. De Franse overheidsinstantie Cerema beheert, bewaakt en onderhoudt zo’n 120 vuurtorens met draaiende lampen. Vaak zijn in deze vuurtorens lenzen van Henry Lepaute toegepast, gebaseerd op het fundamenteel onderzoek van Jean Augustine Fresnel naar de theorie van lichtgolven. Deze lenzen bestaan uit tot 20 ringvormige sectoren met een brandpuntsafstand tot 700 millimeter. De lenzen breken het licht dat wordt uitgestraald in alle richtingen op een horizontaal vlak, waardoor het vanaf grote afstand te zien is.

Vervolgens zijn er drie technische methoden om het typische patroon in het oplichten van een vuurtoren te bereiken: constante verlichting met een flitslicht, een constante lichtbron met vaste lenzen en eenomtrekkende opening, en een combinatie van constante verlichting en een omtrekkend lenssysteem. Deze laatste optie wordt het meeste toegepast.

In het kader van een lopende modernisatie gebruikt Cerema Led-technologie, wat een duurzaam en robuust verlichtingssysteem oplevert. Volgens eigen opgaaf behaalt Cerema een "uptime" van ongeveer 99%. "Deze operationele betrouwbaarheid is ook ons doel voor de aandrijving van de roterende lenseenheid", vertelt Cerema’s Laurent Bernicot, van de afdeling voor navigatie- en positioneringssystemen. "Betrouwbaarheid was een bijzonder belangrijk criterium voor de keuze van onze aandrijving – en zo zijn we bij Faulhaber beland." Het resultaat van het ontwerp in samenwerking met de fabrikant: DC-micromotoren uit de 2342- en 3257-series en borstelloze DC-servomotoren uit de 3268-serie, steeds in combinatie met passende planetaire reductoren. Met intensieve tests werd niet alleen de algemene werking van de aandrijvingen getest, maar ook hun gedrag in de zilte lucht. "We hebben vuurtorens aan land, maar ook op zee. Ook daar moeten de aandrijvingen betrouwbaar werken. En niet alleen in Frankrijk, maar ook in Frans-Guyana en op Saint Pierre en Miquelon, voor de kust van Newfoundland."

Dubbele aandrijving

De hoge vereisten ten aanzien van de betrouwbaarheid van de aandrijving zijn terug te zien in het ontwerp met twee motoren – een oplossing die ook wordt gebruikt in Duitse vuurtorens. "De twee motoren zijn aangesloten op één reductor en werken afwisselend", vertelt Dirk Berger, woordvoerder van het Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt in het Duitse Stralsund. Door deze afwisseling komen de operationele uren in evenwicht en wordt de beschikbaarheid gegarandeerd, omdat langere downtime vaak leidt tot opstartproblemen. Als één motor niet werkt, schakelt het vuurtorensysteem automatisch over op de tweede motor, terwijl de storing wordt gemeld bij het controlecentrum. "We monitoren de systemen op afstand, vooral voor de grote vuurtorens", legt Berger uit. De controle werkt met twee escalatieniveaus: een waarschuwing voor mogelijke aankomende storingen en een melding voor daadwerkelijke storingen.

De betrouwbare werking wordt bewaakt met een sensor, die de tijd per omwenteling meet. Berger: "De vuurtorens moeten precies de draaisnelheid aanhouden die is vastgesteld in hun karakteristiek." De karakteristiek is een speciale opvolging van lichtflitsen die is opgenomen in de zeekaarten. Vooral ’s nachts kunnen schippers aan de hand hiervan iedere specifieke vuurtoren identificeren. "De lenzen moeten dus een constante draaisnelheid aanhouden", legt Bergers Franse collega Laurent Bernicot uit. "Dat betekent ook dat onze motoren bijzonder nauwkeurig moeten werken."

De Franse vuurtorens gebruiken een besturing van de EMF-afdeling van Cerema. EMF staat voor eau, mer & fleuves – water, zee en rivieren. De informatie in het lichthuis geeft aan hoe vaak en met welke intervallen het licht in een bepaalde hoeveelheid tijd zichtbaar moet zijn. Net als in Duitsland meet een sensor de draaisnelheid van de lenseenheid en geeft deze informatie door aan de besturing. De besturing voert de berekening uit en past de motorsnelheid aan via de analoge instelwaarde, met de voedingsspanning van de motor. De snelheid wordt continu bewaakt en aangepast. Als er problemen optreden, slaat het automatiseringssysteem van de EMFafdeling de fout op en start het de tweede motor. Tijdens het ontwerpproces hebben de EMF-medewerkers drie verschillende motortypes geselecteerd als standaard aandrijfoplossing. De DC-micromotor uit de 2342…CR serie is gemaakt voor kleinere lenzen, die minder vermogen eisen. De middelgrote lenzen worden bewogen door motoren uit de Faulhaber 3257…CR serie met grafietcommutatie. Voor krachtige systemen met een grote lichtintensiteit en de bijbehorende zwaardere constructie worden vierpolige borstelloze servomotoren gebruikt uit de 3268-serie. Als Laurent Bernicot het heeft over een "zwaar systeem" praat hij over lenssystemen van 200 kilo tot een ton. Bij het ontwerp moet er daarom niet alleen rekening worden gehouden met het normale bedrijf. De motoren moeten ook een hoog maximaal koppel kunnen leveren om de opstartkoppels van 5 tot 8 Nm aan te kunnen. "Ook dit was een belangrijke overweging bij onze keus voor FAULHABER", vertelt Bernicot. Als er toch stilstand optreedt omdat de vuurtorens alleen ’s nachts draaien, wordt de lenseenheid na het stoppen van de lamp afgekoppeld van de motor via een geïntegreerde vrijloopkoppeling in het draaisysteem.

Als één motor niet werkt, schakelt het vuurtorensysteem automatisch over op de tweede motor, terwijl de storing wordt gemeld bij het controlecentrum.