Fra oppdrett til oppskytning

Verdensrommet står foran – som seniorforsker Anders Hansen kaller det – the mother of all traffic jams. Sammen med sine kolleger i SINTEF Digital, utvikler han et avansert kamera som kan bidra til å unngå skrekkscenariet.

SINTEF har i mange år drevet banebrytende forskning på 3D-fotografering. Dette fagmiljøet har skapt flere suksesshistorier; blant dem er undervannskameraet UTOFIA (Underwater Time-of-Flight Image Acquisition). Med blikk mot fiskeoppdrett og marinbiologi, kunne UTOFIA ta tredimensjonale bilder av fiskestimer, noe som gjør at man kan måle og telle fiskene på en måte som er umulig med tradisjonelle kamerateknikker.

Men veien var overraskende kort fra havrommet til verdensrommet. Disse verdenene har nemlig dette til felles: at farkoster må kunne navigere i tre dimensjoner. Og da trenger man øyne som gir 3D-informasjon. Akkurat som vi mennesker bruker dybdesynet vårt når vi griper et dørhåndtak, trenger en satellitt dybdesyn når det skal forholde seg til andre gjenstander ute i rommet.

Men hvordan oppnår man å få et tredimensjonalt bilde fra en todimensjonal kamerasensor?

En månelanding for norsk teknologi

– Det finnes mange typer 3D-kamera, sier Hansen.

UTOFIA er av en type som kalles flash-LIDAR. Prinsippet er enkelt nok å forstå. Som i et ekkolodd, måles rundetiden fra blitsen tennes til lyset detekteres av kamerasensoren. På den måten, kan man beregne avstanden til hver del av motivet. Men å lage et slikt kamera er langt fra enkelt.

– Blitslyset beveger seg jo med lysets hastighet! Fra den ene fisken til den neste, bruker det under et milliarddels sekund. Å måle slike tidsforskjeller krever en presisjon som er helt uhørt.

– Da holder det ikke bare å sette sammen ferdigkjøpte kamera og elektronikkmoduler når vi skal bygge prototyper, sier seniorforsker Håvard Tørring som er ekspert på programmerbar elektronikk.

– Her må vi kombinere det ypperste som finnes av sensorteknologi med den råeste regnekraften på markedet. Store datamengder, høye hastigheter og liten plass, gjør at vi må være kreative og utnytte alle mulighetene som ligger i moderne teknologi, og deretter strekke strikken litt lengre. Tørring legger til med glimt i øyet at dette er FoU «for de som liker å ha det vondt på jobben.»

– At vi har fått til dette skyldes en hel masse hardt arbeid, og litt flaks, sier prosjektleder Karl Henrik Haugholt. Vi har jobbet strategisk med 3D-teknologi i snart 20 år. På veien har vi lært faget litt etter litt, fått gode venner i Norge og Europa, og etter hvert klart å bli verdensledende. Da vi hadde bygd UTOFIA, forstod vi at hadde kommet over et unikt bra konsept. Nye, avanserte teknologier modnes over lang tid; derfor trenger vi institutter som SINTEF, som kan jobbe med langsiktig FoU.

En spesiell egenskap med flash-LIDAR-type kameraer, er deres lange rekkevidde. Der andre teknologier gir dybdesyn på noen meters hold, fungerer SINTEFs prototype på mange kilometer. Dette er en viktig egenskap i det store verdensrommet, og det er derfor mange som interesserer seg for akkurat denne teknologien.

Romorganisasjonene ESA og NASA har ambisjoner om nye reiser til månen. De ønsker å ha 3D-kameraer om bord som kan kartlegge landingsområdet og forsikre om at de ikke lander på en stein eller skrent og skader landingsfartøyet.

– Månen er uutforsket villmark, påpeker Hansen, og inntil videre har ingen vært der og anlagt en 100% trygg landingsplass.

Og mens byråkratene drømmer om månen, har teknologibedriftene mer jordnære behov. De sitter på en aldrende flåte av satellitter med økende behov for vedlikehold.

Svaret på deres bekymringer er in-orbit servicing: roboter som kan ambulere mellom kommersielle satellitter og forlenge levetiden deres gjennom vedlikehold, oppgraderinger, og etterfylling av drivstoff. Den europeiske satellitt-produsenten Thales Alenia er blant de som utvikler slike roboter. Men robotene trenger gode øyne for å operere på sine pasienter. Derfor har de opprettet et samarbeid med SINTEF for å tilpasse UTOFIA til et liv i bane rundt jorda.

Går i bane – og henger i en tynn tråd

– Det er gode grunner til at satellittoperatører ønsker å reparere gamle satellitter, sier Hansen, fremfor å betale astronomiske priser for å skyte opp nye. Men i bakgrunnen er det en større trussel, langt viktigere enn generelle profittmarginer.

I romfarts-bransjen snakker man om Kessler-effekten. Kort forklart: jo flere satellitter vi har i bane, desto større er faren for en kjedereaksjon der to satellitter kolliderer og danner vrakrester – som igjen kolliderer med nye satellitter inntil kloden er omgitt av skrap, der hver bit blir et dødelig prosjektil.

Høres dette ut som science fiction? Faktum er at verdensrommet rundt jorden begynner å bli farlig fullt. For eksempel, rapporterer SpaceX at deres Starlink-satellitter må foreta tusenvis av unnamanøvrer i måneden. Ingen har regnet på hvor mange årsverk som går med over hele verden til å holde katastrofen på en armlengdes avstand.

In-orbit servicing er ikke noen endelig løsning på dette problemet, men det vil bidra til å redusere nye satellittoppskytninger. Konseptet har derfor blitt en viktig brikke i det som i Brüssel kalles the future space ecosystem: et sett med spilleregler for hvordan satellitter skal skytes opp, vedlikeholdes, og til slutt tas ut av bane på en trygg måte. Flash-LIDAR er én av mange teknologier som kan bli en del av dette økosystemet.

So long, and thanks for all the fish

– Da muligheten bød seg til å utvikle fiske-kameraet vårt til en space-modell, var det ingen tvil om hvem vi ville ha på laget, sier Haugholt. Kongsberg Defence & Aerospace har en solid portefølje av avanserte instrumenter for verdensrommet, og de var derfor en god match for flash-LIDARen vår. Vi er veldig takknemlige for at de sa ja til dette partnerskapet. Nå jobber vi tett sammen for å få til en flyvedyktig modell i løpet av noen år. I tillegg har vi fått sterk støtte fra Norsk Romsenter, som synes dette er spennende for norsk forskning og industri, og representerer oss i møte med ESA og EU.

Romfart er et marked i stadig vekst, og behovet for satellitt-baserte tjenester forventes å øke år for år. Det er altså gode utsikter for SINTEF-Kongsberg-samarbeidet.

– Space-aktiviteten har gitt oss en god teknisk utvikling, sier Haugholt, og vi ser at det er mange interessante anvendelser i space. Men før eller siden skal vi komme tilbake til jorden, og høste det vi har lært til å lage en enda bedre UTOFIA – eller finne helt nye markeder. Vi vil gjerne komme i kontakt med folk som ser anvendelser eller har spørsmål om denne teknologien. Å utvikle verdens beste 3D-kamera er en jobb som aldri tar slutt!