SINTEF utvikler et nytt 3D-kamera som blir robust og presist nok til å være «øyne» på en rover som kjører rundt på Mars. Men etter at ESA brøt Mars-samarbeidet med russerne på grunn av krigen i Ukraina, ser SINTEF-forskerne mot andre anvendelser nærmere jorda.
ESA neste til Mars:
I september 2022 var planen at den europeiske romfartsorganisasjonen ESA, i samarbeid med russiske Roscosmos, skulle sende en rover til Mars. Da Russland invaderte Ukraina i februar, brøt ESA samarbeidet. ESA opprettholder imidlertid Exo-Mars programmet. Roveren Rosalind Franklin står klar i Italia, men ennå er det uklart hvordan den skal komme seg til Mars og kunne lande.
Roscosmos har levert en del instrumenter til roveren og skulle også bidra med landingsmodulen som tok roveren uskadd ned på Mars. Planen i Exo-Mars programmet er at roveren skal samle inn prøver og bore helt ned til to meter. Prøvene skal i neste omgang kunne hentes på en ny ferd og bringes tilbake til jorda til analyse.
ESA og den russiske romfartsorganisasjonen Roscosmos sendte i 2016 ut et romfartøy som hadde med seg en satellitt som fortsatt går i bane rundt Mars. Satellitten måler gasser som kan være indikasjon på om det finnes liv på planeten. Samtidig med utplasseringen av satellitten, ble det gjort en prøvelanding med den italienskbygde testmodulen Schiaparelli EDM på Mars. Landingsprosedyrene ble utløst for tidlig og Schiaparelli krasjlandet på Mars i 300 km/t.
Siden 1997 har USA sendt til sammen fem rovere til Mars. To av dem, Curiosity og Perseverance, er fortsatt operative. Kina er det andre landet til å sende en rover til Mars, Zhurong landet på planeten i mai 2021.
(Roveren Rosalind Franklin er oppkalt etter den britiske kjemikeren som oppdaget at DNA-molekylet besto av doble spiraler, noe hennes kolleger Maurice Wilkins, Francis Crick og James Watson senere mottok Nobelprisen for.)
Vi er allerede i kontakt med store europeiske aktører innen romfartsindustrien
– Mars er fortsatt aktuelt for oss. Men nå ser det litt fjernere ut, og vi vurderer andre muligheter. Service på satellitter og fjerning av romsøppel har seilt opp som et veldig interessant område, sier seniorforsker ved avdeling for smarte sensorer og mikrosystemer i SINTEF, Jostein Thorstensen.
Det finnes tusenvis av satellitter og mange trenger service og reparasjoner for å forlenge levetiden. Noen har behov for mer drivstoff. I tillegg er romsøppel et sterkt økende problem. Tusenvis av kasserte satellitter kretser rundt jorda.
– Vi er allerede i kontakt med store europeiske aktører i romfartsindustrien og ser at teknologien vår vekker interesse. Tidlig i 2023 planlegger vi innledende testing av kameraet i samarbeid med disse aktørene, sier Thorstensen.
Miljøvern også i verdensrommet?
ESA er opptatt av at lovgivning om miljøvern også må gjelde i verdensrommet. 3000-4000 av satellittene som er plassert ut siden 1957 er i dag romsøppel som går i bane rundt jorda. Veksten i antallet satellitter er eksplosiv. Bare Elon Musks selskap SpaceEx har siden 2019 sendt ut over 3000 i lav jordbane – og det er bare starten. Musks Starlink-system består av små og enkle satellitter, mens andre kan være store, kompliserte og koste hundrevis av millioner kroner.
Dette er tredimensjonal fotografering
Vi mennesker har to øyne som gir oss stereoskopisk syn. Hvert øye ser litt forskjellig, og det gir oss muligheten til dybdesyn. Når et objekt er veldig nært, skjeler vi for å fokusere. Det er dette prinsippet forskerne benytter for 3D-video. To kameraer med en laser på toppen står med litt avstand fra hverandre og lyser med et mønster på det som skal avbildes. Kameraene opererer med en oppløsning på 500 x 500 piksler, og hver piksel måler med en nøyaktighet på 0,2 millimeter. Mønsteret som laseren tegner på objektet danner en unik kode i pikslene til de to kameraene. Men koden vil ikke ligge eksakt på samme sted i bildet.
Forskyvningen mellom de to kameraene vil gi detaljert informasjon om avstanden til objektet. Med triangulering og avansert databehandling bygges et tredimensjonalt bilde.
Tåler mye juling
En robot med kamera som skal operere i jordbane må være robust. Det har SINTEFs kameraløsning bevist at det er. Med henblikk på de ekstreme forholdene på Mars, ble utstyret utsatt for hardhendt testing. Thorstensens kollega Runar Dahl-Hansen forteller at kameraet måtte tåle kraftig risting, høye og lave temperaturer i vakuum, store doser gammastråling og elektriske felt fem ganger sterkere enn ved et lynnedslag.
Sånn ser det ut, 3D-kamera etsom tåler nok til å reise ut i verdensrommet på jobb. Men det skal krympes. Foto: SINTEF
– Faktisk ble egenskapene til det mikroskopiske speilet forbedret etter eksponering. Stresstesting induserer «gunstige» kjemiske defekter, og fordeler disse på en måte som forbedrer ytelsen til det piezoelektriske materialet, sier Dahl-Hansen.
Fakta om strømsparing med piezo:
Piezoelektriske materialer kan omdanne elektrisk til mekanisk energi, og vice versa. Effektiviteten er svært høy, inntil 90 prosent av energien blir bevart ved konverteringen. SINTEFs 3D-kamera har et millimeterstort piezoelektrisk mikrospeil, utviklet og laget ved MiNaLab. Speilet kan styre og manipulere lys med nanometers presisjon.
ESA vil ha mer
ESA var så fornøyd med kameraprosjektet at SINTEF fikk et oppfølgingsprosjekt for romfartsorganisasjonen. Selv om ferden med den europeiske roveren til Mars ble utsatt på grunn av bruddet med russerne, var det aldri realistisk å ha et ferdig kamera med denne gang, opplyser Thorstensen.
– Det er lite, krever lite energi og gir fantastisk detaljerte bilder på kort hold.
– Vi er ennå i en relativt tidlig fase. Teknologien er ikke klar for verdensrommet på flere år. Men interessen fra store aktører innen romfart gir jo håp om å se SINTEF-teknologi i en framtidig anvendelse i rommet, enten det er på en rover eller på en servicing-satellitt. Helst begge deler, sier seniorforskeren.
– Hva gjør 3-D kameraet utviklet ved SINTEF bedre enn andre når satellitter skal fikses?
– Det er lite, krever lite energi og gir fantastisk detaljerte bilder på kort hold. Vekt, størrelse og energiforbruk er viktig også for en robot i jordbane. Med en vesentlig enklere optikk og mindre komplisert styringselektronikk enn i andre 3D-kameraer, vil vår løsning potensielt være mer robust og driftssikker.
Runar Dahl-Hansen i sving på renrommet på MiNaLab. Foto: Werner Juvik
Jostein Thorstensen mener at et ferdigutviklet 3D-kamera ikke må være større og mer komplekst enn et vanlig fargekamera – og presisjonen må være høy. Robotiserte operasjoner krever millimeternøyaktighet og da er 3D-bilder en nøkkelteknologi.
Og markedspotensialet?
– Bruken av 3D-kameraer og behovet for spesialiserte 3D-kameraer øker. For eksempel er områder som industriell robotikk, logistikk, medisin og inspeksjon interessert i sterkt miniatyriserte kameraer med høykvalitets 3D-data, sier seniorforsker Jostein Thorstensen.
