NORFOX-arrayen projisert på flyfoto. Kilde: NORSAR
Den utgjør et forunderlig mønster, NORSARs nye array NORFOX, som ligger nedgravd dypt inne i skogen på Løten. Spesielt synlig er den imidlertid ikke. Lange gravespor i bakken og ei «bu» med litt teknisk utstyr er det hele.
Om vi derimot projiserer arrayen på et flyfoto (over) eller et kart (lenger ned), ser den straks mer iøynefallende ut. Og vi får en bedre forståelse av omfanget.
NORSARs nye forskningsanlegg for testing av fiberoptisk sensorteknologi består av mange kilometer med fiberoptiske kabler, lagt i et stjernemønster med fem armer som hver er 1,7 kilometer lange.
Forunderlig er også tanken på at anlegget, som er gravd ned i Norges eneste fylke uten kyst, kan utgjøre et viktig bidrag for fremtidig industri på norsk sokkel.
– NORFOX-arrayen er en del av det norske bidraget til et europeisk konsortium (ECCSEL ERIC) som har som mål å tilby verdensledende forskningsinfrastruktur innen fangst, transport og lagring av CO2, forteller Volker Oye, seismolog og avdelingsleder ved NORSAR.
ECCSEL ERIC koordinerer og tilgjengeliggjør europeisk forskningsinfrastruktur knyttet til CO2-håndtering (CCS). Konsortiet har hovedkontor på NTNU i Trondheim.
NORFOX skal ifølge Oye bidra til utviklingen av kostnadseffektive løsninger for å overvåke CO2-reservoarer. For å forstå hvordan de nedgravde kablene på Løten kan bidra til dette, må vi først forstå hvordan fiberoptiske kabler fungerer.
– Teknologien går ut på å overføre informasjon i form av lyssignaler gjennom fiberkabler. Informasjonen transporteres som laserpulser og beveger seg med lysets hastighet. Det gjør at vi kan sende store mengder data raskt, og bruksområdet i dag er først og fremst kommunikasjon (internett).
NORFOX skal imidlertid ikke brukes for å strømme filmer med sylskarp bildekvalitet. Seismologen vet nemlig godt at fiberoptiske kabler også kan overføre – og registrere – andre former for informasjon.
Nøkkelordet er deformasjon.
Registrerer ørsmå endringer
– Ved NORFOX måler vi laserpulser som sendes fra den ene enden av kabelen til den andre, og tilbake. Pulsene beveger seg som nevnt i lysets hastighet og bruker en kjent mengde tid på reisen.
– Om kabelen skulle bli litt trykt sammen, eller strukket, f.eks. forårsaket av rystelser, vil den kunne bli ørlite grann lenger – for eksempel én nanometer. Dette gir lenger reisetid, og den lille forskjellen i tid klarer vi å registrere. Det er ganske fantastisk, fremholder han.
For ordens skyld: Lysets hastighet er 299 792 458 meter per sekund. Om «reiseveien» øker med én nanometer (10-9 meter), vil lyset bruke 3,3 attosekund (10-18 sekund) lenger tid på reisen.
Anlegget ville imidlertid vært lite verdt uten en essensiell teknologi kjent som distribuert akustisk måling (DAS). DAS sørger for at forskerne kan vite hvor langs kabelen deformasjon har funnet sted.
Konseptet går kort forklart ut på at en liten andel av laserpulsene som sendes gjennom kabelen, fortløpende reflekteres tilbake der de kom fra. Det er refleksjonene som kan avsløre hvor uregelmessighetene (deformasjon) har funnet sted.
NORSAR kan dermed registrere endringer for hver femte meter langs hele kabelens lengde. Teknologien gjør om én kabel til hundrevis av «målestasjoner».
I kombinasjon med at det sendes ut om lag 1 000 laserpulser per sekund, gir dette store mengder data og en god oversikt over deformasjoner som påvirker kabelen.
Dataene gir NORSAR-forskerne innsikt i rystelser i bakken på Løten. Det kan være sprengninger ved det lokale steinbruddet, eller noen som tramper hardt i nærheten av kablene, eller det kan være et jordskjelv med episenter langt utenfor Norges grenser.
– Arrayen sto helt klar i april, og vi har blant annet registrert jordskjelvene i Tyrkia i år.
Fiberoptikk for sokkelen
Deteksjon av rystelser i bakken er også relevant for overvåkning av CO2-reservoarer. Om fremtidige CO2-lagre på norsk sokkel utrustes med fiberoptiske kabler på havbunnen, kan det bidra til bedre kontroll på hva som foregår i dypet.
– Overvåking av CO2-reservoarer med bruk av fiberoptiske kabler kan gjøres på minst to måter. For det første kan vi skyte seismikk i området og la kablene fange opp bølgene som har blitt reflektert i dypet. Dette gir et bilde av reservoaret. Utfører vi prosessen gjentatte ganger over tid, kan vi også se eventuelle endringer i reservoaret, forklarer seismologen.
Men kablene kan også passivt lytte til de minste bevegelsene som finner sted i og rundt reservoaret, uten bruk av en aktiv seismisk kilde.
Små sprekkedannelser skaper mikrorystelser og gir en indikasjon på trykkendringer og hvor CO2-væsken som injiseres tar veien.
– Om vi skulle se en akselerering av sprekkedannelse i ett bestemt sted i reservoaret, eller vi ser at det skjer betydelig sprekkedannelse i forseglingen over reservoaret, kan det være et tidlig varsel om at tiltak må gjøres for å forhindre lekkasjer, forklarer Oye.
Ifølge Oye har stadig flere oljeselskaper begynt å montere fiberoptiske kabler i brønnene sine. På norsk sokkel er for eksempel Johan Sverdrup utstyrt med teknologien (GEOExPro.com: Johan Sverdrup – a lot of oil and a lot of data). Dette gir dem verdifulle produksjonsdata i sanntid, og Oye tror en slik konfigurasjon også kan være nyttig i forbindelse med brønner for injeksjon av CO2.
– Kanskje vil vi i fremtiden også utvide NORFOX med en fiberoptikkbrønn, spår seismologen.
Optimalt design og lokalitet
Lokaliteten er ikke tilfeldig valgt. Løten er et stille område, både bokstavelig talt og i seismologisk forstand. Det er lite skred- og skjelvaktivitet og heller ikke mye trafikk eller andre lokale menneskeskapte forstyrrelser. I tillegg er den samlokalisert med NORSARs seismiske stasjon som har kvalitetssikrede data fra jordens rystelser siden 1984 og gir gode muligheter for å sammenligne og kalibrere de nye fiberoptiske dataene. Dette gir best mulige forutsetninger for å drive forskning og metodeutvikling.
Sentrale spørsmål er blant annet: Hvordan kan de store mengdene data prosesseres best mulig slik at de gir mest mulig presis informasjon om rystelser og deformasjoner? Kan vi bruke eksisterende metoder for prosessering av data fra seismometre?
Designet av arrayen i form av en stjerne med fem bøyde armer er selvfølgelig heller ikke tilfeldig valgt.
– Kabelen er mest følsom i den lengden den blir strukket. Med fem armer får vi god fordeling i alle retninger. Ved å bøye armene, blir oppløsningen best mulig.
Tar du en nøyere titt på designet, vil du imidlertid se at bøyningene på stjernas armer ikke er perfekte. Årsaken er at Løtens underlag heller ikke er perfekt. Under gravingen måtte myrer og fjellknauser unngås. Det klarte de, og resultatet er et design med noen mindre ufullkommenheter som ikke påvirker anlegget i nevneverdig grad.
Mange mulige bruksområder
NORFOX er verdens første array av dedikerte fiberkabler, og ble som nevnt primært bygget som en del av en forskningsinfrastruktur for CCS.
Oye poengterer imidlertid at fiberoptiske kabler også kan ha flere samfunnsnyttige formål innen geofysisk overvåking. Varsling av snø- og fjellskred, eller at et tog nærmer seg en jernbaneovergang er kun et par eksempler på mulige bruksområder.
Trolig vil NORFOX bidra til at flere teknologier vil se dagens lys de kommende årene. Seismologen oppfordrer alle som er interessert i å teste ut sine teknologier og metoder om å ta kontakt.
– Anlegget er åpent for både forskningsmiljøer og for industrien. NORFOX skal være selvfinansiert, og det er kun en liten kostnad knyttet til bruk. Dette er et forskningsanlegg, ikke et kommersielt anlegg.
De neste årenes FoU-aktiviteter ved forskningsanlegget dypt inne i Løtens skoger kan bidra til bedre overvåking av CO2-lagre på norsk sokkel, og kanskje også bedre varslingssystemer for blant annet skred.
Ikke minst kan forskningen og metodeutviklingen føre til at tusenvis av kilometer med eksisterende infrastruktur i form av kommunikasjonskabler på land og til havs i fremtiden kan utnyttes for flere formål.
Til syvende og sist handler forskningen og metodeutviklingen om å skape et sikrere samfunn. Anlegget er finansiert av Norges forskningsråd.
Øyner global overvåkning
At fiberoptiske kabler kan få mange og viktige bruksområder i fremtiden, er det liten tvil om. I hvertfall om du spør forskerne ved senteret for forskningsdrevet innovasjon Centre for Geophysical Forecasting (CGF) ved NTNU, der også NORSAR deltar.
– Å kombinere det verdensomspennende fiberoptiske nettverket med eksisterende fjernmålingssystemer som satellitter, kan skape et billig, globalt overvåkingsnettverk, forteller Martin Landrø, senterleder og professor i geoakustikk, til nettstedet Gemini.no.
Det er for tiden ca. 378 undersjøiske kabler i drift globalt med en total lengde på om lag 1,2 millioner kilometer. Den lengste, Asia-America Gateway Cable, strekker seg ca. 20 000 kilometer fra California på fastlandet av USA via Hawaii og Guam i Stillehavet til Filippinene og videre innover i Sørøst-Asia.
Å bygge nye målestasjoner som skal dekke havene kan være svært kostbart, men ved å benytte allerede eksisterende infrastruktur, blir prislappen en helt annen.
Én av forskningsgruppene i CGF vier innsatsen sin til distribuert akustisk måling (DAS), altså teknologien som forvandler kilometervis med fiberoptiske kabler til en lang serie lyttestasjoner.
I 2022 demonstrerte gruppen at de for første gang hadde klart å bruke slike kabler for å overvåke hvaler i Arktis. De hadde fått «låne» en 120 km lang undersjøisk kabel som går mellom Longyearbyen og Ny-Ålesund. De lærte raskt at de også kunne holde orden på skipstrafikken i området. For eksempel kunne de beregne hastigheten og posisjonen til lasteskipet Norbjørn, som befant seg om lag 87 km unna Longyearbyen.
Litt lenger tid brukte de på å forstå et sett med rare bølgemønstre, der hver bølgeserie varte 50 til 100 timer med en monotont økende frekvens. Dette viste seg å være stormer langt, langt unna Svalbard. Økningen i frekvens forklarer Landrø med at de laveste fysiske bølgene på havet beveger seg raskest. Bølgene med høyest frekvens kan komme flere dager senere.
De identifiserte blant annet en storm utenfor Brasil, hele 13 000 km unna kabelen ved Svalbard.
Landrø er optimistisk for fremtiden. Han tviler ikke på at fiberoptikken vil spille en rolle for jordskjelvovervåkning. Kanskje kan teknologien også brukes for å overvåke og beskytte infrastruktur på havbunnen som undersjøiske gassledninger.
CGF har som mål å utvikle nye metoder for bedre overvåkningsløsninger basert på den solide geofysiske kompetansen som NTNU og Norge besitter etter 50 år med oljeleting og -produksjon.
Forskningen har et potensielt bredt nedslagsfelt. Eksempler på områder der bedre prognoser vil komme godt med, er jordskjelv, ras, kartlegging av vannressurser, hydrokarboner og tilhørende lagring av CO2.
geoforskning.no: «Teknologiens nye våpen mot naturkatastrofer»
