Snart kan NTNU-forskere sørge for at sjøkabler overvåker seg selv hele døgnet

Etter bruddene på Nordstream-gassledningene i Østersjøen, som vestlige myndigheter mistenker skyldes sabotasjeaksjoner, innførte Nasjonal kommunikasjonsmyndighet (Nkom) i september skjerpet beredskap i telekomsektoren, og bad aktørene være særlig oppmerksomme på hendelser knyttet til fiberkabler på havbunnen.

Nkom har oppfordret kabeleierne om å senke terskelen for å varsle sikkerhetsmyndighetene om slike hendelser, men nå forsker Senter for geofysisk prognosering (Centre for Geophysical Forecasting – CGF) ved NTNU i Trondheim på teknologi som gjør at fiberoptiske kabler kan overvåke seg selv – eller andre typer kabler og rørledninger på havbunnen - døgnet rundt.

Teknikken Distributed Acoustic Sensing (DAS), eller distribuert akustisk måling, utnytter ørsmå defekter som er i de optiske fibrene i alle fiberoptiske kabler, slik at selve kablene kan brukes som et passivt lyttesystem. Hittil har forskerne lyttet mest på hvaler, leirgrunn og tog, men det er altså ikke bare dette NTNU-forskerne ser for seg at det skal lyttes etter.

– Vi arbeider også med å se på hvordan vi kan bruke teknologien for å overvåke gassrørledninger, strømkabler, eller fiberkabler, forteller Martin Landrø som er professor i geoakustikk ved NTNUs institutt for elektroniske systemer og leder for CGF. CGF er et av NTNUs 12 sentre for forskningsdrevet innovasjon. Det ble startet opp i desember 2020, og skal gå fram til utgangen av 2028.

«Avhører» fiberkabler

DAS-teknikken bruker en såkalt interrogator, et instrument som «avhører» fiberoptiske kabler. Det skjer ved at interrogatoren sender en laserpuls inn i ubrukte fibere i fiberkabelen, og analyserer det tilbakespredte lyset fra disse.

– Fiberen i fiberkabler er aldri helt homogen, og de ørsmå ujevnhetene som er i fiberen, vil skape refleksjon. Når lyd treffer ujevnhetene, vil det få fiberen til å strekke seg eller krympe seg ørlite. Vi snakker om forskjeller på en nanometer, men det er nok til at det påvirker refleksen fra laserpulsen, forteller Landrø.

Dermed kan signalet leses av og tolkes fra interrogatoren, og man kan identifisere hva som har laget lyden.

I hvalforsøket, som ble utført via en fiberkabel mellom Longyearbyen og Ny Ålesund, var det enkelt å skille mellom ulike hvalarter og ulike typer av hvalsang. Men de hørte også skip, jordskjelv og fjerne stormer.

I et annet forsøk, som ble utført på Bane Nors fiberkabler langs en fem mil lang strekning på toglinjen mellom Marienborg og Støren ved Trondheim, kunne man se om det var biler, lastebiler eller tog som passerte. Teknologien klarte dessuten å registrere småstein (tre centimeter i diameter) som ble kastet ned på et brufundament, og personer som hoppet på et jorde 70 meter unna toglinja.

– Med denne teknologien benytter vi oss av klassiske analysemetoder som er godt kjent innen geofysikken, sier Landrø.

Naturlig å se på sikkerhet

– Kan teknologien også høre om dykkere nærmer seg en fiberkabel?

– Det har vi ikke undersøkt, sier Landrø, etter en tenkepause.

– Han påpeker at bruksområdene for teknologien er mange – det handler om alt fra overvåking av mulige kvikkleireskred og å finne sikre steder under havbunnen å lagre CO2 på, til å hindre elg fra å bli påkjørt av toget.

– Siden Equinor og Aker BP er blant de 15 partnerne i dette innovasjonssenteret, er det naturlig å se på om teknologien kan brukes til å øke sikkerheten rundt kabler og rørledninger til havs, sier Landrø.

Bedre overvåking av fiberkabler og rørledninger er blitt aktualisert etter den mistenkte sabotasjeaksjonen mot Nordstream-gassledningene i Østersjøen i høst. Det kan imidlertid også handle om å forhindre uhell, for eksempel kollisjoner eller at fiskefartøyer ødelegger ting på havbunnen med redskapene sine.

Dette er også bakgrunnen for at Nkom i september skjerpet beredskapen i ekom-sektoren.

– Det er mye telekom i sjøen, og god redundans, så vi er ikke bekymret for nettforbindelsen til Norge. Men etter det som skjedde med Nordstream-rørledningen i Østersjøen, er det greit å være på, så man vet hva det er som skjer dersom det oppstår en hendelse, sa seksjonssjef Svein Sundfør Scheie i Nkom, da Inside snakket med ham om tiltakene de har bedt ekomtilbyderne om å gjennomføre.

Gir nøyaktig posisjon

Ettersom man mottar lyd fra ulike vinkler gjennom kablene, kan DAS-overvåkingen brukes til å bestemme posisjonen til fartøyer som nærmer seg, med stor nøyaktighet.

– Hvor nøyaktig er teknologien?

– Vi sammenlignet med AIS-posisjoner fra fartøy, og da vi brukte en kabel på 300 meters dyp var det en usikkerhet på rundt 10 meter når det kom til å bestemme posisjon. Så unøyaktigheten vil være på 10-20 meter avhengig av avstanden mellom båt og fiber, sier Landrø.

Han forteller at lyden fra fartøyer som nærmer seg en fiberkabel slår inn når fartøyet er om lag halvannen kilometer unna. Men det vil variere en god del avhengig av bakgrunnsstøyen fra havet og andre lydkilder, som for eksempel en gassrørledning, og hvor kraftig lyd fartøyet lager.

– Hydrofoner er langt mer sensitive enn DAS, og DAS vil nok ikke erstatte hydrofoner. Men styrken til DAS-teknologien er at kablene er der hele tiden og går over lange avstander, mens hydrofoner i større grad gjør punktmålinger.

I dag har interrogatorene en rekkevidde på opp mot 130 kilometer. I løpet av noen år – men ikke tiår – håper Landrø at teknologien vil kunne brukes til å overvåke 1000 kilometer lange kabler.

Kontinuerlig overvåking i sanntid

Interrogatorene som brukes av innovasjonssenteret ved NTNU, er utviklet av Alcatel Submarine Networks i Trondheim. Utstyret er kostbart, en interrogator koster 1-2 millioner kroner. Landrø har håp om at det kan bli billigere, men sier at dette utstyret aldri vil bli «råbillig».

En annen utfordring er at kontinuerlige DAS-målinger genererer store mengder data. 40 døgn med lytting på hvaler ved Svalbard skapte rundt 250 terabyte – og forskerne, assistert av en rekke studenter måtte analysere rundt syv terabyte med data hver dag.

De interessante dataene utgjør imidlertid bare 0,1 prosent av totalen, og en viktig del av DAS-prosjektet blir å finne effektive og helautomatiske måter å skille ut dette fra de 99,9 prosentene som skal kastes. Målet er å gjøre dette ved hjelp av maskinlæring og kunstig intelligens slik at overvåkingen kan foregå kontinuerlig og i sanntid.

Da vil det også være mulig å koble DAS-overvåkingen opp mot varslingssystemer som kan si i fra når noe nærmer seg kritisk infrastruktur på havbunnen – eller når kvikkleire blir ustabil, når elg nærmer seg toglinja, eller når skipsførere bør passe seg for ikke å kollidere med hvaler.

Hvor raskt kan et overvåkingssystem basert på DAS-teknologi være klart til å settes i bruk?

– Et ferdig system som kan brukes til daglig, vil kreve innovasjon og utvikling å få til. Men da vi gjorde testen med Bane Nor langs jernbanelinja ved Trondheim, koblet vi opp en interrogator i løpet av to timer.

– Så om noen ber dere overvåke en fiberkabel, så kan dere koble dere opp mot den i løpet av relativt kort tid?

– Ja, det kan vi.