Met Pro/Engineer en ruimtevaarttechniek
Extreem design voor Antarctica

Door de redactie

Op Antarctica moet door extreme weersomstandigheden en terreincondities rekening worden gehouden met ontwerpeisen die uitsluitend voorkomen in de… ruimtevaart. Het ontwerp van het Princess Elisabeth Antarctic Station, het eerste Belgische poolstation in veertig jaar, werd dan ook toevertrouwd aan Johan Berte van het IPF, die al jaren ervaring heeft in die sector. Maar zelfs voor hem werd het een heus avontuur.

Deze basis moet de tand des tijd 25 jaar kunnen weerstaan; © International Polar Foundation / R. Robert.

Johan Berte (links), in het gezelschap van Rik Vandemoortele, één van de twee CEO’s van Savaco.

Antarctica is het koudste, hoogste en droogste continent op aarde, voor 99,6 procent bedekt met landijs en een gemiddelde temperatuur van -60 graden Celsius. Door de hoge ligging, gemiddeld zo’n 2250 meter en maximaal 4897 meter, waaien er continu bergafwaartse winden met snelheden tot 320 kilometer per uur. Behalve zware windbelasting veroorzaken die zogenaamde katabatische winden een enorme sneeuwaccumulatie en terreinerosie. Daardoor verdwijnt elk bouwwerk na verloop van tijd voor eeuwig en altijd in ‘s werelds oudste ijsmassa.
Dat was ook het lot van het Koning Boudewijn-poolstation, dat in 1967 definitief werd gesloten. De Belgische federale overheid gaf de International Polar Foundation (IPF) de opdracht een nieuwe onderzoeksbasis te ontwerpen, bouwen en financieren met sponsors en partners. Deze basis moest de tand des tijd 25 jaar kunnen weerstaan. Het Princess Elisabeth Antarctic Station is geoptimaliseerd met de Pro/Engineer ontwerpsoftware van technische partner PTC. Het station werd tussen november 2007 en maart 2008 op locatie in elkaar gezet en verankerd. Het station is intussen klaar om door de wetenschappers te worden gebruikt, nadat het op 15 februari 2009 op Antarctica officieel is ingehuldigd.
Johan Berte, projectcoördinator bij de International Polar Foundation (IPF): “Ik kende Pro/Engineer al uit mijn vorige job in de ruimtevaart en ook onze tekenaar kwam van die firma. Het leek ons evident te werken met een oplossing die we al kenden én waarvan we wisten dat ze zou voldoen. Pro/­Engineer leende zich in eerste instantie uitstekend voor de methodiek die we hadden gekozen. We wilden namelijk constant de invloed van deelontwerpen op de andere gebouwonderdelen nagaan en regelmatig de integratie ervan evalueren. Als ontwerpapplicatie is Pro/Engineer erg geschikt voor zo’n geïntegreerde methodiek, omdat ze een heel complete configuratiecontrole biedt en complexe simulaties kan uitvoeren. Pro/Engineer laat bovendien toe dat men al in de conceptuele fase driedimensionaal begint te vormgeven. Daardoor konden we van in het begin met reële afmetingen, massa’s en visualisaties werken, waardoor we veel tijd hebben gewonnen.”

Energieneutraal
“De vorm en constructie zijn het meest beïnvloed door de eis dat het station volledig energieneutraal moet kunnen opereren en door de uitgevoerde aerodynamische simulaties”, vertelt Johan Berte, Antarctic Base Project Manager. “Energieneutraal betekent dat het alle energie met lokale middelen moet kunnen genereren en hergebruiken. Er mag ter plaatse namelijk helemaal geen afval(water) worden geloosd of andere vervuiling worden veroorzaakt.
Daarom wordt al het afval zoveel mogelijk gerecycleerd. In theorie is het mogelijk om dat 100 procent te recycleren, maar dat ligt psychologisch nogal moeilijk…"
Voor het opwekken van energie worden er uiteraard zonnepanelen gebruikt, maar bijvoorbeeld ook zwaartekracht voor de waterbehandelingsinstallatie, zodat de bemanning bij stroomuitval toch kan overleven. "Mijn ervaring als conceptueel ontwerper in de ruimtevaartindustrie kwam geregeld van pas bij het ontwerpen van dit station", legt Berte uit. "Als je iets maakt voor Antarctica, moet het net als in de ruimtevaart door en door worden getest en gesimuleerd. Je kunt immers niet zomaar even terug voor reparaties of wijzigingen. Om het ontwerpproces en de bouw zo goed mogelijk te beheersen, hebben wij een volledig geïntegreerde methodiek toegepast. Daarvoor bekeken we constant de invloed van deelontwerpen op andere gebouwonderdelen en bouwden we regelmatig kristallisatiemomenten in om de integratie te evalueren. Ook voor die methodiek bleek Pro/Engineer een grote hulp omdat deze software volledige configuratiecontrole biedt en complexe simulaties kan uitvoeren. Natuurlijk hebben onze partners ook onderdelen in andere programma’s ontworpen, maar die zijn telkens via STEP-bestanden in Pro/Engineer geïntegreerd.”

Het boren voor het verankeren van het station; © International Polar Foundation / R. Robert.

In de windtunnel
Op Antarctica veroorzaken katabatische winden zoveel sneeuwaccumulatie en terreinerosie dat elk gebouw na verloop van tijd in het ijs of in zee verdwijnt. Omdat het Princess Elisabeth Antarctic Station 25 jaar moet kunnen opereren, werd beslist om landinwaarts en op de rotsen te bouwen. Die keuze had uiteraard de nodige constructieve en logistieke consequenties. Tijdens het ontwerpproces waren uitgebreide berekeningen en simulaties nodig om terreinproblemen te vermijden en de vormgeving aërodynamisch te optimaliseren. Het poolstation is zelfs in een windtunnel getest, wat voor een gebouw op zijn minst ongebruikelijk kan worden genoemd.
Om het energiegebruik te verminderen, zijn ook lichtsimulaties uitgevoerd, die hebben geleid tot aanpassingen in de positie en vorm van alle ramen. “Bij andere stations was gebleken dat een verkeerde raampositie de bewoners fel verblindt, waardoor ze de zonneschermen vaker sluiten”, vertelt Berte. "Maar daardoor wordt dan weer veel meer binnenverlichting, en dus kostbare energie, gebruikt. In ons geval bleek echter dat de noordkant van het gebouw aanvankelijk té efficiënt was, waardoor het er overdag zowaar te warm werd. We hebben verschillende mogelijkheden overwogen om dat probleem op te lossen. De ramen kleiner maken, zodat er minder zonlicht binnenvalt was een mogelijkheid, maar dat zou een claustrofobisch gevoel geven. Iemand opperde zelfs om airconditioning te installeren, maar dat zou volledig indruisen tegen het energiezuinige concept. En dat zou wellicht ook het imago versterken van België als een volk waarvoor het niet surrealistisch genoeg kan zijn…"
Uiteindelijk bleek het voldoende om de ramen een stuk lager te plaatsen, waardoor er minder licht kon binnenvallen, maar het zicht niet werd belemmerd, zeker niet wanneer men zit.

Tijdens de assemblage is nog goed te zien dat voor de structuur hout is gekozen, en voor de bekleding inox,
omdat het materiaal grote temperatuurverschillen moet kunnen opvangen; © International Polar Foundation / R. Robert.

Getest door 40.000 bezoekers
In het Antarctic onderzoeksstation moeten van november tot en met februari continu 48 wetenschappers en bemanning kunnen werken en wonen. Verder moet er ook plaats zijn voor maximaal achttien bezoekers. Het gebouw is zo ontworpen dat alle bedrijfskritische instrumenten en communicatieverbindingen zich in de kern bevinden en het gehele jaar ononderbroken kunnen functioneren. Daaromheen bevindt zich een schil met alle energie- en gebouwinstallaties en pas in de derde zone bevinden zich de leef- en opslagruimten, die ‘s winters best mogen bevriezen.
De basis bevindt zich ongeveer 200 km van de kust. Tijdens de eerste expeditie moest men de eerste 60 km haast stap voor stap afleggen om een veilig traject te markeren. Men moest een route vastleggen tussen de ‘crevassen’ ofwel diepe gletsjerspeten door, waarvan sommige letterlijk levensgevaarlijk waren.
Voor de structuur werd na rijp beraad en menige test voor hout gekozen, en voor de bekleding viel de keuze op inox. Eén van de vereisten is namelijk dat het materiaal grote temperatuurverschillen moet kunnen opvangen tussen de zon- en de schaduwkant van het gebouw. Waar mogelijk zit er ook een polystyreen laag tussen, die door middel van grafiet zwart werd gemaakt. Het gebruik van witte kunststof is namelijk verboden op de polen.
Het volledige station werd volledig gepre-assembleerd in Tour & Taxis in 2007, waar het grote publiek een kijkje kon komen nemen. “Op enkele dagen tijd hebben er 40.000 mensen door het station gelopen. Qua vibratietest kon dat wel tellen”, vertelt Berte lachend.
De kennis en ervaring die de IPF en zijn partners hebben opgedaan tijdens het ontwerp van het Princess Elisabeth Antarctic Station, zullen binnenkort al van pas komen. Pro/Engineer zal namelijk ook worden gebruikt voor het ontwerp van het onderzoeksschip Gallileo, dat in het ijs zal worden ingevroren om te meten hoe de ijsmassa zich gedraagt en verplaatst. Ook dit schip moet ook 100 procent energieneutraal worden ontworpen. Verder bleek ook in andere landen belangstelling voor dit project.

Met dank aan de firma Savaco uit Kortrijk, één van de vertegenwoordigers van PTC-software in België en de International Polar Foundation voor hun medewerking. www.polarfoundation.org, www.savaco.com, www.hecbv.nl en www.ptc.com