Ballonger og soldrevne fly med kurs mot stratosfæren

De siste kveldene har man kunnet se rader av satellitter bevege seg over nattehimmelen i Skandinavia. Dette er de små kommunikasjonssatellittene fra Elon Musks Starlink-prosjekt, som er ligger i kretsløp rundt Jorden med planer om å etablere bredbåndsforbindelser rundt om på kloden vår.

Men det er ikke bare der ute, hundrevis av kilometer over Jordens overflate, at trafikken for tiden øker. Akkurat nå øker mengden av ubemannede fly og ballonger også i den nedre delen av stratosfæren, omkring 20 kilometer over bakken.

Herfra er ballonger og ubemannede fly i stand til å levere video og bildedata i høy tredimensjonal oppløsning, men likevel på så lang avstand fra Jorden at de kan dekke veldig store landområder.

Ballonger over Kenya

Sistemann ut var bedriften Loon, som er et sideskudd fra Google. De har satt de første kommersielle ballongene i drift over Kenya. Her skal de koble sammen mobilbrukere med teleselskapet Telekom Kenyas 4G-nettverk i de områdene hvor det i dag ikke er forbindelse. Samtidig blir det i disse ukene sendt flere værballonger med meteorologiske instrumenter opp i stratosfæren.

Korona-pandemien har nemlig tvunget de fleste kommersielle flyene ned på bakken, og det innebærer at mange meteorologiske institutter verden over må se langt etter de viktige værobservasjonene som flyene bidrar med. De siste årene har værballonger nemlig mistet terreng til nettopp kommersielle fly som kan lage profiler av atmosfæren når de letter og lander.

Dermed kan de nye stratosfæriske pseudo-satellittene (High Altitude Pseudo Satellite, HAPS, red.) foreta en rekke oppgaver som satellitter lenger ute i kretsløpet har vansker med å gjennomføre, for eksempel sanntidsovervåkning, 4G-mobilnettverk, patruljering i Arktis, overvåkning av skips- og flytrafikk, grensepatruljering og lignende.

– Pseudo-satellitter tilbyr en tidsbesparelse og en detaljrikdom som det fremdeles ikke er mulig å få på samme måte med satellitter når vi snakker om jordobservasjoner, for eksempel video og bilder, og spesielt når vi snakker om sanntid. For det holder ikke med ett bilde 1–2 ganger om dagen eller en kort videofrekvens, når en redningsgruppe eller en myndighet har behov for sanntidsovervåkning over det samme området, både dag og natt. Her kommer HAPS inn i bildet ved å tilby en kontinuerlig og høyoppløselig datastrøm som kan vise hva som skjer på bakken 24/7, sier geograf og prosjektleder Mads Christensen ved DHI Gras, som jobber med satellitt-dataanalyse og jordobservasjoner.

Detaljer ned til subcentimeter

Pseudo-satellittene befinner seg i en høyde som bare er omkring 2,5 prosent av høyden til en typisk jordobservasjonssatellitt. Derfor kan de ta opp bilder og videoer med en oppløsningsgrad på få centimeter, og til og med under en centimeter, alt avhengig av sensortypen. Dette kan en drone eller et fly også klare, men her er arealet vesentlig mer begrenset. Det gjelder blant annet utsyn, men også tiden de kan være i lufta på grunn av drivstoff. Satellittene nærmer seg også, men her vil det være behov for store forbedringer av kamerateknologien.

– Utviklingen av HAPS har vært underveis lenge, men spesielt i de siste 5–10 årene har det gått veldig raskt, blant annet fordi den europeiske romfartsorganisasjonen ESA har gått aktivt inn med støtteordninger, samt kartlegging av bruksmuligheter. For tiden har veldig mange bedrifter begynt å interessere seg for teknologien, slik som store IT-giganter som Facebook og Google. Teknologien er på mange måter moden og markedsklar, og vil eksplodere i løpet av de neste tre til fem årene, sier Mads Christensen.

Han understreker at de fleste pseudo-satellittprosjekter fremdeles er på konseptstadiet, med unntak av Loon-ballongene, og derfor er det fremdeles ganske begrenset hvor mange tekniske detaljer som slipper ut. Mer grunnleggende kan pseudosatellitter deles opp i tre typer: ballonger, ubemannede fly og droner, og så til slutt luftskip.

4G-ballonger styrer over Atlanterhavet

De tre kategoriene har hver sine fordeler og ulemper. Ballongene er enklere å utvikle, men har også til gjengjeld færre funksjoner og er for eksempel i større grad underlagt de barske værforholdene med sterke vinder og svært lave temperaturer i den nedre delen av stratosfæren.

Det er stor forskjell på de ulike ballongtypene. De konvensjonelle værballongene er for eksempel forholdsvis små og enkle med små radiosendere. Tidligere har innbyggere på den danske øya Fanø måttet rydde opp etter nedfalte tyske værballonger med radiosendere som blir drevet av små AA-batterier.

Loon-prosjektets nye kommunikasjonsballonger er større og mer komplekse, og har nettopp blitt satt i kommersiell drift over Kenya. Dette skjer etter en lang reise på omkring 11.000 kilometer fra Puerto Rico og Nevada i USA, der de ble sendt opp.

– Loon kan på mange måter betraktes som en «ombygd» værballong, som i stedet for å måle diverse atmosfæriske forhold inneholder sende- og mottakerutstyr for telekommunikasjon. Det innebærer selvfølgelig at Loon har behov for en større grad av manøvreringsdyktighet og behov for energi til å drive utstyret om bord. Det er spesielt dette som skiller en Loon-ballong fra en konvensjonell værballong, forteller Mads Christensen.

Ballongene er ubemannede, men overvåkes fra bakken. Det er ikke Loon-medarbeidere som planlegger ruter. Det blir gjort av styrings-programvare med automatikk som er basert på værutsikter. Derfor har de forskjellige ballongene heller ikke fulgt hverandre over Atlanterhavet.

Nettopp ballongenes navigasjonssystem har blitt optimert i de siste årene. I et blogginnlegg skriver Salvadore Candido, som er CTO i Loon, hvordan Loon har fôret en maskinlærings-modell med data fra en million flytimer. Den algoritmen har blant annet funnet ut at det er mer effektivt for ballongen å fly i et sikksakkmønster enn rett fram, samt at åttetall fungerer bedre enn sirkler når ballongen skal holde seg over et bestemt område i en lengre periode.

Loon sier at de styrer retningen på ballongen ved å justere på ballongens flyhøyde gjennom å endre tilførselen av gasser.

Solceller holder fly i lufta i 25 dager

Ved å bruke vinger i stedet for ballonger oppnår man en langt større grad av bevegelsesfrihet, og kan derfor enklere dekke store områder nøyaktig og kontinuerlig. I tillegg kan de utføre flere forskjellige typer oppgaver. Det krever til gjengjeld mer tungt utstyr, blant annet solceller og batterier. Her er Airbus den bedriften som har nådd lengst med sine Zephyr-fly med et vingespenn på 25 meter og en samlet vekt på under 75 kilo. Inntil videre har flyet klart å være i lufta 25 dager i strekk. Også britiske BAE Systems er kommet forholdsvis langt med utviklingen av en soldreven drone som kan fly i opptil ett år uten landing. Det heter Phasa-35. Begge flyene drives fram av solceller om dagen, og batterier om natten.

– Ett enkelt Zephyr-fly er ekstremt effektivt til å dekke store land- og havområder over lengre tid. Fordi de drives av solenergi og samtidig må bruke strøm til kommunikasjons- og sensorsystemer, er den største utfordringen å bygge dem så lette så mulig. Samtidig har man vært nødt til å utvikle helt nye lettvektskomponenter i form av batterier, nanosensorer og kommunikasjonssystemer, forteller Mads Christensen.

Selv om Airbus har jobbet med Zephyr-konseptet sitt i mange år, støter de hele tiden på nye problemer. Det 35 millioner kroner dyre fartøyet styrtet to ganger i 2019 under testflyvninger da det britiske forsvarsdepartementet testet dronen i australsk luftrom.

Satellitter nærmer seg

Den siste kategorien er luftskip som forsøker å kombinere det beste fra ballonger og fly. Her er utfordringen fremdeles å holde vekta nede på det nettverks- og måleutstyret som luftskipet frakter med seg. Inntil videre har bedriften SCEYE kommet lengst med en funksjonell prototyp. Bedriften holder til i Sveits, og ledes av danske Mikkel Vestergaard Frandsen fra familiebedriften Vestergaard, som er mest kjent for å produsere myggnetting.

Selv om det er store perspektiver i pseudo-satellitter, blir den stratosfæriske overvåkningen neppe en direkte konkurrent til de tusenvis av nye satellitter som er på vei ut i kretsløp rundt Jorden i årene framover.

– Vi ser en tilsvarende voldsom utvikling innen satellitter, som for tiden gjennomgår en massiv utvikling, blant annet med oppskytning av svermer av satellitter som øker tidsfrekvensen vesentlig. I løpet av to år kan vi for eksempel forvente «timedrift» på SAR-radarbilder (Search And Rescue, overs. anm.), og allerede i dag kan man få video i høy oppløsning, sier Mads Christensen.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter og gjøres tilgjengelig for abonnenter av TU Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.