Norskutviklede sensorer skal kutte jetmotorenes drivstofforbruk

Bedriften Memscap har utviklet sensorer for bruk i kabin og cockpit. Boeing 737, Airbus 320-321 og Embraer er på vingene med sensorer fra Skoppum. Nå er de også på vei inn i flymotorene.

– Det å ta sensorene inn i jetmotorene til passasjerflyene er et utviklingsarbeid som krever det beste av clusteret med sensorkompetanse i Horten og omegn, som har bygget stein på stein siden den spede begynnelse på 1960-tallet, sier daglig leder Roy Grelland til Teknisk Ukeblad.

Sensorer til flykabin og cockpit trenger bare å tåle trykk opp til 1 bar. Tre kompresjonstrinn i jetmotoren krever sensorer som er sertifisert for henholdsvis 1,4 bar, 9 bar og 70 bar. De må tåle støy, vibrasjoner, forurensning og kulde ved høyder på 40.000 fot. Mye av jobben dreier seg om å teste og dokumentere stabiliteten i høypresisjonssensorene.

Artikkelen fortsetter etter annonsen

annonsørinnhold

En tøff vinter i verdens nordligste by - elbussene fungerer

Doktorgrad ga retning

Doktorgradsarbeidet til Åsmund Sandvand, i samarbeid med Universitetet i Sørøst-Norge (UNS), innledet utviklingsprosjektet. Frem til årsskiftet var Sandvand ansatt som forskningssjef hos Memscap. I dag er han seniorforsker ved Sintef Digital, Smart Sensor Systems.

– Doktorgradsavhandlingen min fokuserte på fysiske fenomener som kan påvirke stabiliteten på piezoresistive trykksensorer, og hvordan man kan redusere disse effektene, sier Sandvand til Teknisk Ukeblad.

Passasjerflyene har sensorer fra andre leverandører i flymotorene i dag. Prosjektet skal gjøre Memscap konkurransedyktige på denne nisjen. De vil bli en mer komplett leverandør. Kundene er selskapene som produserer komponenter til jetmotoren. Memscap vil levere små brikker på 5x5 mm med stor betydning for sikkerhet og drivstoffeffektivitet.

– Sensorene benytter såkalte piezoresistive belastninger for å registrere stress i et silisium-membran, og produserer målinger ut fra det. Problemet i jetmotoren er støy som kan fanges opp av membranet og gi feil. Mulige feilkilder omfatter både elektriske, mekaniske, og lekkasjerelaterte fenomener, og kombinasjoner av disse. Det gjelder å isolere og stenge ute alt som kan påvirke stabiliteten til sensorene, sier Sandvand.

Nøkkelen til videreutvikling fant han i pakketeknologi og produksjonsmetodikk. – Hvordan en sensor er pakket, har mye å si for dens egenskaper, sier Sandvand.

Veien inn i jetmotoren

Sensoreventyret i Horten startet på 1970-tallet. Sensonor produserte sensorer til bilindustrien, bl.a. til korrigering av lufttrykk i dekk. Mot årtusenskiftet hadde Sensonor utvidet sensormarkedet med produksjon til både bil, forsvar, luftfart og helse. Men eierskifter førte til at miljøet ble brutt opp.

– Mulige synergier mellom de forskjellige miljøene ble ikke utnyttet i nye eierstrukturer. Med dette prosjektet vil vi igjen samarbeide om å utvikle teknologien videre på tvers av selskaper. Vi vil dra veksel på Innovasjonssenteret ved Universitetet i Sørøst-Norge (UNS) like ved, sier Grelland, som har vært i miljøet siden 1980-tallet.

Andre veteraner er prosjektleder Jan Hallenstvedt i Memscap og Henrik Jakobsen i selskapet Sterna Innovation. Begge var med under oppstarten av Sensonor.

Les også

Ny hverdag i subsea: Disse ubemannede fartøyene kan sende 50 personer på land

I roveren på Mars

Memscap er et fransk selskap som har kjøpt opp flere MEMS-baserte industrier. Teknologien i sensorene er mikroelektromekaniske systemer i form av etsede strukturer i silisium som produseres på silisiumskiver. Sensorene leveres i hovedsak til luftfartsindustrien.

– Vi leverer også sensorer til kunder som lager kunstige hjerter. Våre sensorer finnes i hjerter som gir økt puls ved økt belastning, som er mye mer avansert enn rene sirkulasjonspumper, sier Grelland.

Den mest prestisjetunge leveransen i porteføljen kjører rundt i roveren på Mars.

Artikkelen fortsetter etter annonsen

annonse

Trer frem med omstilling som innstilling

– NASA leter etter spor av liv på Mars. Sensoren på roveren brukes til å kartlegge elementer i grunnen for å lokalisere spor av vann, sier Grelland.

I 2012 åpnet Innovasjonssenteret i Horten med daværende næringsminister Trond Giske som snorklipper.

– Det samme året ble det annonsert at roveren (Mars Exploration Rover) bruker vår sensor. Det at miljøet her er i stand til å ta frem ting som er nyttig for NASA har bidratt til finansiering av fremtidige prosjekter, sier Grelland.

Forskningsrådet er en sentral medspiller i prosjektet som skal ta sensorene til Memscap inn i jetmotorene.

Forskningsmidler

– Det er vanskelig å finansiere så tunge utviklingsløp som dette prosjektet krever. Støtten fra myndighetene er veldig viktig for oss. Forskningsrådet bidrar med 16 millioner kroner. Til sammen utgjør støtten fra myndighetene 22 millioner. Selv omsetter vi for rundt 80 millioner kroner i året og setter av 15 millioner i året i tre år til utviklingsarbeidet, sier Grelland.

Doktorgraden til Åsmund Sandvand rettet kjernen i utviklingsarbeidet mot selve pakketeknologien, eller produksjonsmetodikken.

I dag limes tre ulike silisiumbrikker sammen på brikkenivå etter oppkutting av silisiumskiver som hver inneholder ca. 500 brikker.

I lokalene til Memscap sitter drevne medarbeidere med blikket i mikroskop og limer brikkene sammen for hånd. Det er en tidkrevende og kostbar operasjon med forbedringspotensial. Limte sensorer har fått påvist skader under stresstester i labmiljø som simulerer forholdene i en jetmotor.

– I en ny prosess skal limingen erstattes med såkalt fusion bonding og gjøres på skivenivå. Slik kan 500 sensorer settes sammen samtidig. Limfugene elimineres og sensorene blir hel ved. Det kan sammenlignes med å sveise metallbiter sammen. Hvis du gjør det riktig vil sluttresultatet bli homogent metall, sier Grelland.

Sintef i Oslo har forsket fram denne delen av produksjonsprosessen.

– Prosessene skal industrialiseres og etableres hos Sensonor i et prosjekt over to år. Sensonor investerer 14 millioner for at dette skal bygges opp her i Horten, sier Grelland.

Les også

Rester av uttørket innsjø er funnet på Mars

Tåler ikke feil

– Leverandørene til flyselskapene vil helst ha sensorer som varer evig med hundre prosent stabilitet og nøyaktighet. Hvis du ser utviklingskurven på sensorene våre over tid går utviklingen i den retningen. Flyindustrien krever ekstreme toleranseverdier ned mot 0,01 % total feil i målesignalet på målinger med svært korte intervaller over lange tidsperioder over hele temperaturområdet, sier Grelland.

Lavere drivstoffutgifter og mer miljøvennlig transport i luften er en gevinst av mer nøyaktige nye sensorer.

Historien har rustet sensormiljøet i Horten og omegn til oppgaven.

– Et slikt produkt krever store FoU-investeringer over lang tid og etablering av operatører med lang erfaring og en kultur som er opptatt av pålitelighet og ytelse i alle produksjonsprosesser, sier Hans Richard Pettersen, leder for produktutvikling hos Sensonor.

Rammebetingelsene for prosjektet kom på plass samtidig som koronaviruset parkerte 80 prosent av verdens flyflåte på bakken.

– Kundene våre i flyindustrien pleier å bestille regelmessig. Mens koronaviruset herjer står det meste stille. Vi vet ikke når neste ordre kommer. Det er komplisert å annonsere gode nyheter om teknologiutvikling så lenge pandemien varer, sier Roy Grelland i Memscap.

Artikkelen ble først publisert i Teknisk Ukeblads månedsmagasin, 1/2021.

Les også

Denne lille skapningen kan redusere behovet for import av soya