Bygger småsatellitter for å overvåke havet

Ved NTNU bygges det små satellitter til havovervåkning. Sammen med droner, og fartøy på og under vann, vil informasjon kunne samles inn på en måte som aldri har blitt gjort før.

Under de blå bølgene finner vi plankton som danner næringsgrunnlag for alt annet liv i havet. Å forstå plankton, og prosessene som skjer i havet, er essensielt for livet på planeten vår.

Nå kan kombinasjonen av en rekke ulike teknologier hjelpe oss å overvåke prosessene i havet på en helt ny måte og skaffe oss ny, nødvendig kunnskap. For første gang bygger NTNU småsatellitter som skal knyttes sammen med autonome undervannsfartøy (AUV), autonome havoverflatefartøy (ASV) og ubemannede fly (UAV).

På det viset kan havet overvåkes på fire ulike nivåer.

To satellitter i bane rundt jorda

– Gjennom å kombinere alle disse teknologiene kan vi observere fenomener fra ulike avstander, med forskjellige typer sensorer. Det gir oss et mye større spekter med informasjon, sier Tor Arne Johansen og Kanna Rajan. De er begge professorer ved Institutt for teknisk kybernetikk, og arbeider på AMOS, et av NTNUs sentre for fremragende forskning.

På det viset kan havet overvåkes på fire ulike nivåer.

De to er initiativtakere til småsatellittprosjektet hvor man bygger to satellitter som skal sendes i bane rundt jorda. NTNUs satellitter, CubeSat, består av små moduler på 10x10x10 cm, som man setter sammen til større enheter.

Småsatellittene kan dekke nordområdene bedre enn konvensjonelle satellitter og vil passere den norske kystlinjen, fra ulike vinkler, rundt fire-fem ganger daglig. Prosjektet utvikler selv software og kamerasystemer til satellittene.

Saken fortsetter under bildet.

Slik ser forskerne for seg at havet i framtiden kan overvåkes. Ulike teknologier kan observere fenomener fra ulike avstander, med forskjellige typer sensorer. Illustrasjon: Kanna Raja, NTNU

Ved å kombinere informasjon fra ulike høyder, med småsatellitter øverst, droner lengre ned, deretter havoverflatefartøy og undervannsfartøy, hentes informasjon fra havet på en måte som aldri har blitt gjort tidligere.

– Vi kan sammenlikner det med sykehusets MR-scann av kroppen. Når du ligger inne i MR maskinen tas det gode bilder i flere plan, noe som gir et godt utgangspunkt for å stille diagnose, sier Rajan.

Kan varsle om farlige alger

Metoden skal i første omgang brukes til å ta bilder av havoverflaten og detektere algeoppblomstringer. Satellittene skal klassifisere algene i «snille» og «slemme» arter.

Saken fortsetter under bildet.

– Hvis de som driver anlegget blir varslet om at giftige alger er på vei, kan de stoppe å fôre fisken. Da vil fisken gjerne gå dypere i sjøen og de giftige algene kan passere over uten større problemer, sier professor Tor Arne Johansen. Illfoto: Colourbox

– Hvis de som driver anlegget blir varslet om at giftige alger er på vei, kan de stoppe å fôre fisken. Da vil fisken gjerne gå dypere i sjøen og de giftige algene kan passere over uten større problemer, sier professor Tor Arne Johansen. Illfoto: Colourbox

Hvis algene blir klassifisert som potensielt farlige, skal satellittene gi beskjed til de autonome fartøyene om å gjøre mer detaljerte målinger og ta vannprøver til videre analyse.

Det finnes alger som er svært giftige og kan skade fisk. Eksempelvis kan giftige alger ta livet av all fisk i et oppdrettsanlegg hvis de treffer anlegget på et uheldig tidspunkt.

– Hvis de som driver anlegget blir varslet om at giftige alger er på vei, kan de stoppe å fôre fisken. Da vil fisken gjerne gå dypere i sjøen og de giftige algene kan passere over uten større problemer, sier Johansen.

Metoden har en rekke anvendelsesområder, utover å overvåke alger. For eksempel kan den benyttes for å observere og følge med på isfjell som er i bevegelse, oljesøl, eller utslipp fra industri og landbruk som siger ned i elver for deretter å føres ut i havet.

Bygger lette hyperspektralkamera

Å bygge satellitter som er små og lette, med et kamera som gir gode bilder, er utfordrende.

En avansert bildeteknologi som veier og koster lite, er avgjørende for småsatellittprosjektet, og her har Universitetssenteret på Svalbard (Unis) vært sentrale.

Mens et vanlig kamera har tre fargeplan, en såkalt RGB-mosaikk, bruker forskerne hyperspektrale kamera hvor hvert punkt i bildet har flere hundre fargeplan. Hver piksel inneholder informasjon som dekker hele det synlige spektret og deler av det infrarøde. Det gjør det velegnet til å automatisk oppdage og klassifisere objekter.

– Vi har jobbet med denne teknologien lenge, blant annet i forbindelse med nordlysforskning. Tungt og kostbart utstyr har vært en utfordring. Nå har vi klart å lage små spektografer som kan brukes i droner og småsatellitter, sier Fred Sigernes, professor i romfysikk ved Unis.

Teamet hans har bygd hyperspektralkamera ved hjelp av prefabrikerte deler, samt deler de har skrevet ut på 3D-printer. På det viset går det kjapt å bygge og teste instrumentene.

Et annet ankepunkt har vært at slike hyperspektrale kameraer som skal være i bevegelse, har krevd dyre gyroer som stabilisatorer. Men nå når alt er elektronisk, kan dette gjøres mye rimeligere.

– Den siste utviklinga på flere fronter gjør at det går an å bygge dette for en billig penge, forklarer Sigernes.

Oppskyting i 2020

Så langt er det åtte doktorgrader/post.doc som er knyttet til småsatellittprosjektet. I tillegg er 10 masterstudenter involvert. I prosjektet er det like mange kvinner som menn som jobber med satellitten. Hvis alt går etter planen skal de to småsatellittene skytes opp i 2020, og havovervåkningen i fire ulike vinkler kan begynne.

Evelyn Honoré-Livermore er en av doktorgradsstudentene på prosjektet. Hun trekker fram at Norge er i en særstilling i forhold til havindustri. Med store forekomster av både olje og fisk etterspør industrien stadig mer kunnskap knyttet til havet.

– På NTNU har vi allerede stor kunnskap innen autonome fartøyer og radiokommunikasjon, og nå bygger vi kunnskap innenfor småsatellitter. Vi er i en gunstig posisjon for å bli gode på å samle inn og videreformidle kunnskap om marine miljø, sier Honoré-Livermore.

For å ta tempen på marine økosystemer

Professor Kanna Rajan mener det er helt nødvendig stadig å dra teknologien lengre for å være i stand til møte morgendagens utfordringer, slik som småsatellittprosjektet gjør.

– Det er som når vi putter termometeret i munnen for å se hvordan alt står til. På samme måte trenger vi å kunne ta tempen på endringer i marine økosystemer. Å utvide forståelsen vår av havet vil være essensielt i årene framover, sier Rajan.

Saken fortsetter under bildet.

I prosjektet Orbit lærer studenter å bygge satellitter etter CubSat-standarden. Målet er å få satelittene skutt opp i bane. På bildet ser vi NTNU-student Håkon Kindem og overingeniør Amund Gjersvik, NTNU. Satellittene som skal brukes til å overvåke giftige alger, vil være litt større enn satellitten som er vist. Foto: Kai Dragland, NTNU

I prosjektet Orbit lærer studenter å bygge satellitter etter CubSat-standarden. Målet er å få satelittene skutt opp i bane. På bildet ser vi NTNU-student Håkon Kindem og overingeniør Amund Gjersvik, NTNU. Satellittene som skal brukes til å overvåke giftige alger, vil være litt større enn satellitten som er vist. Foto: Kai Dragland, NTNU

Småsatellittprosjektet er et samarbeid mellom Institutt for elektroniske systemer og Institutt for teknisk kybernetikk ved NTNU. Prosjektet samarbeider med Orbit, et studentdrevet satellittprosjekt ved universitetet.  Prosjektet er finansiert av Norges forskningsråd (NFR) og Norsk romsenter.