Veel eilandstaten, inclusief de Malediven in de Indische Oceaan, worden geconfronteerd met een existentiële dreiging als gevolg van een stijgende zeespiegel als gevolg van de wereldwijde klimaatverandering. Een groep MIT-onderzoekers onder leiding van Skylar Tibbits, een universitair hoofddocent ontwerponderzoek bij de afdeling Architectuur, test manieren om de eigen krachten van de natuur te benutten om bedreigde eilanden en kusten te helpen behouden en herbouwen.

Ongeveer 40 procent van de wereldbevolking leeft in kustgebieden die de komende decennia worden bedreigd door zeespiegelstijging, toch zijn er weinig bewezen maatregelen om de dreiging het hoofd te bieden. Sommigen stellen voor om barrièremuren te bouwen, kusten uitbaggeren om stranden weer op te bouwen, of drijvende steden bouwen om aan het onvermijdelijke te ontsnappen, maar de zoektocht naar betere benaderingen gaat door.

De MIT-groep was uitgenodigd door Invena, een groep op de Malediven die het werk van de onderzoekers over zelfassemblage en zelforganisatie had gezien en wilde samenwerken aan oplossingen om de zeespiegelstijging aan te pakken. Het resulterende project heeft nu veelbelovende eerste resultaten opgeleverd, met anderhalve voet gelokaliseerde zandophoping afgezet in slechts vier maanden. MIT News vroeg Tibbits om de nieuwe aanpak en het potentieel ervan te beschrijven.

Vraag:Mensen proberen al eeuwenlang de beweging van zand aan te passen en te beheersen. Wat was de inspiratie voor deze nieuwe en andere benadering van de wederopbouw van stranden en kustlijnen?

A:Toen we de Malediven voor het eerst bezochten, we werden naar een plaatselijke zandbank gebracht die zich net had gevormd. Het was ongelooflijk om de grootte van de zandbank te zien, ongeveer 100 meter lang en 20 meter breed, en de hoeveelheid zand, meer dan 1 meter diep, die helemaal op zichzelf is gebouwd, in slechts een kwestie van maanden. We kwamen tot het inzicht dat deze zandbanken op verschillende tijdstippen van het jaar verschijnen en verdwijnen op basis van de krachten van de oceaan en de dieptemeting onder water. Lokale historici vertelden ons hoe ze zouden samenwerken met de oceaan, groeiende vegetatie om hun eilanden uit te breiden of hun vorm te veranderen. Deze natuurlijke en collaboratieve benaderingen om landmassa te laten groeien door zelforganisatie van zand, stonden in schril contrast met het menselijk baggeren van zand uit de diepe oceaan, die ook wordt gebruikt voor eilandaanwinning. In dezelfde tijd die nodig is om een ​​eiland te baggeren, wat maanden duurt, we zagen hoe drie verschillende zandbanken zich vormden, door middel van satellietbeelden.

We begonnen ons te realiseren dat de hoeveelheid energie, tijd, geld, werk, en vernietiging van het mariene milieu die wordt veroorzaakt door baggeren, zou waarschijnlijk kunnen worden gestopt als we zouden begrijpen waarom zandplaten zich op natuurlijke wijze vormen en zouden kunnen profiteren van dit natuurlijke fenomeen van zelforganisatie. Het doel van onze laboratorium- en veldexperimenten is om hypothesen te testen over waarom zandbanken zich vormen, en deze vertalen in mechanismen om hun accumulatie op strategische locaties te bevorderen.

Door samen te werken met de natuurlijke krachten van de oceaan, geloven we dat we de zelforganisatie van zandstructuren kunnen bevorderen om eilanden te laten groeien en stranden te herbouwen. Wij geloven dat dit een duurzame benadering van het probleem is die uiteindelijk kan worden opgeschaald naar veel kustgebieden over de hele wereld, net zoals bosbeheer wordt gebruikt om bossen te helpen versterken en beschermen tegen ongecontroleerde branden of begroeiing.

Vraag:Kunt u beschrijven hoe dit systeem werkt, en hoe het de energie van de golven benut om het zand op te bouwen op de plaatsen waar het nodig is?

A:Samen met onze medewerkers op de Malediven, wij zijn aan het ontwerpen, testen, gebouw, en het inzetten van onderwaterapparatuur die, eenvoudig gebaseerd op hun geometrie in relatie tot de oceaangolven en stromingen, bevorderen van zandophoping in specifieke gebieden. In ons eerste veldexperiment bouwden we blazen van stevig canvas, aan elkaar genaaid in de precieze hellingsgeometrieën. Met ons tweede veldexperiment, we haalden de beste ontwerpen uit honderden laboratoriumexperimenten en lieten ze vervaardigen uit een geotextielmembraan. In beide experimenten vulden we de blazen met zand om ze te verzwaren en dompelden ze vervolgens onder water. Voor ons volgende veldexperiment bouwen we blazen met interne kamers die werken als een ballast in een onderzeeër, waardoor de blaas kan zinken of drijven en snel kan worden verplaatst of ingezet. Elk experiment probeert het fabricage- en installatieproces zo eenvoudig en schaalbaar mogelijk te maken.

Het eenvoudigste mechanisme dat we testen, is een hellingachtige geometrie die op de oceaanbodem zit en verticaal naar het wateroppervlak stijgt. Naar ons beste inzicht, wat we zien is dat als het water over de bovenkant van de helling stroomt, het turbulentie creëert aan de andere kant, het mengen van het zand en het water en vervolgens het creëren van sedimenttransport. Het zand begint zich op te hopen aan de achterkant van de oprit, stapelt zich voortdurend op zichzelf. We hebben veel andere geometrieën getest die proberen omwikkeleffecten te minimaliseren, of focus de accumulatie op specifieke gebieden, en we blijven zoeken naar optimale geometrieën. Op veel manieren, deze gedragen zich als natuurlijke dieptevariaties, rif structuren, of vulkanische formaties en kunnen op dezelfde manier functioneren bij het bevorderen van zandophoping. Ons doel is om aanpasbare versies van deze geometrieën te creëren die gemakkelijk kunnen worden verplaatst, geheroriënteerd, of ingezet wanneer seizoenen veranderen of stormen toenemen.

Sinds 2018 voeren we experimenten uit in ons laboratorium aan het MIT in samenwerking met Taylor Perron in [het Department of] Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. We hebben twee golftanks gebouwd waar we verschillende golfcondities testen, zand gedrag, en geometrieën om accumulatie te bevorderen. Het doel is om onze laboratoriumexperimenten en -modellen af ​​te stemmen op de omstandigheden in de echte wereld die specifiek zijn voor de twee overheersende seizoenen op de Malediven. We hebben tot nu toe honderden tankexperimenten gedaan en gebruiken deze onderzoeken om intuïtie en inzicht te krijgen in welke mechanismen leiden tot de grootste zandophoping. Het beste van deze laboratoriumexperimenten wordt vervolgens twee keer per jaar vertaald naar veldexperimenten.

V:Hoe was je in staat om de effecten van je experiment te detecteren en te kwantificeren, en wat zijn uw plannen om dit project voort te zetten en uit te breiden?

A:We hebben satellietbeelden verzameld, drone-opnames, en fysieke metingen sinds de installatie van ons eerste veldexperiment in februari 2019 en ons tweede veldexperiment in oktober/november 2019. De satellietbeelden en dronebeelden geven ons een visuele indicatie van zandophoping; echter, het is een uitdaging om de hoeveelheid zand uit die afbeeldingen te kwantificeren. We zijn dus sterk afhankelijk van fysieke dieptemetingen. We hebben een reeks coördinaten die we naar onze medewerkers op de Malediven sturen, die vervolgens een boot of jetski naar die coördinaten nemen en dieptemetingen doen. Vervolgens vergelijken we deze metingen met onze eerdere metingen, rekening houdend met de dag/tijd en de relatie met de getijhoogte.

Met ons laatste veldexperiment, we hebben beelden en fysieke metingen verzameld om de zandophoping te analyseren. We zien nu ongeveer een halve meter (ongeveer 20 inch) nieuwe zandophoping over een gebied van ongeveer 20 meter bij 30 meter, sinds november. Dat is ongeveer 300 kubieke meter zandophoping, over ongeveer vier maanden. We zien deze als veelbelovende vroege resultaten die deel uitmaken van een initiatief op veel langere termijn, waarbij we ernaar streven deze benaderingen te blijven testen op de Malediven en verschillende andere locaties over de hele wereld.

We hebben onlangs een National Geographic Exploration-beurs gekregen en zijn van plan om later dit jaar en in 2021 terug te gaan naar de Malediven voor nog twee veldinstallaties. Ons langetermijndoel is om een ​​systeem van onderwaterstructuren te creëren die zich kunnen aanpassen aan het dynamische weer omstandigheden om op natuurlijke wijze te groeien en kustlijnen weer op te bouwen. We streven ernaar deze aanpak op te schalen en aan te passen aan vele locaties over de hele wereld om dichtbevolkte kustlijnen en kwetsbare eilandnaties te helpen herbouwen en stabiliseren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.