Rumteknologi og rumforskning har potentiale inden for mange områder. Det er DTU Space-professor Irfan Kuvvetlis nye projekt et godt eksempel på.
I samarbejde med en række partnere har Irfan Kuvvetli modtaget cirka 36 mio. kr. (4,85 mio Euro) til projektet 'Intelligent Radiation Sensor System' (i-RASE) fra EU's Horizon Europe forsknings- og innovationsprogram. Pengene skal anvendes til at udvikle et unikt intelligent sensorsystem, eksempelvis til brug i sundhedssektoren, baseret på rumteknologi.
I hovedtræk handler i-RASE-projektet om markant at forbedre nøjagtigheden og hastigheden af strålings-målinger samt reducere det digitale dataoutput i avancerede billedsensorteknikker.
"Med i-RASE-projektet sigter vi mod at revolutionere strålingsdetektion ved at udvikle en realtids, foton-for-foton detektor. Ved at anvende kunstige neurale netværk, kaldet ANN, kan der udføres meget præcis og energieffektiv detektion og måling af strålingsinteraktioner," siger Irfan Kuvvetli.
"Dette system har potentiale til anvendelse inden for flere områder, for eksempel medicinsk billeddannelse, industriel inspektion og miljøovervågning".
Projektet løber over fire år under ledelse af Irfan Kuvvetli. Det udføres i samarbejde med internationale partnere, som samler førende forskere og virksomheder i arbejdet med at etablere, hvad Irfan Kuvvetli kalder "et nyt paradigme inden for strålingsdetektion".
Hurtig og præcis håndtering af store datamængder
Ideen er at udvikle elektronik og software til et sensorsystem, der samtidig med at være kompakt, kan håndtere enorme mængder data på meget kort tid.
Eksempelvis når der skal dannes billeder til lægerne ved røntgenskanninger i forbindelse med brystkræftscreening. På den måde kan der opnås mere nøjagtige skanninger på kortere tid med mindre apparatur end det, der anvendes i dag.
Med andre ord repræsenterer projektet en teknologisk revolution, hvis det lykkes.
"Udfordringen er at håndtere store mængder stråling i form af fotoner, der skal sorteres og analyseres for eksempelvis at opnå det skarpeste og mest præcise billede af det undersøgte væv, hvis det drejer sig om en brystskanning," fortæller professoren.
I de mest avancerede sensorsystemer i dag gemmes strålingsdata, inden disse data efterfølgende kan behandles af en computer, så der kan dannes et billede eller spektrum. Med i-RASE kan strålingssignalerne kan behandles direkte i sensoren.
Dermed elimineres behovet for at gemme og behandle store mængder data separat, hvilket sparer både tid og computerplads. Det sker ved hjælp af en nyudviklet chip og software baseret på kunstig intelligens. Desuden fylder den nye teknologi noget mindre end konventionelle systemer.
"I et projekt fra 2019 demonstrerede vi konceptuelt potentialet i et nyt intelligent sensorsystem til at udlæse de indsamlede data. Den underliggende teknologi, kaldet 'ANN based radiation detector signal processing ', er nu patenteret. Men elektronikken i vores system skal videreudvikles for at kunne behandle de store mængder data, der opstår ved for eksempel en røntgenskanning på et hospital," fortæller Irfan Kuvvetli.
"Og det starter vi på med dette nye projekt, hvor vi vil udvikle specifikationer til en chip, fremstille en prototype og udvikle den AI-baserede software, der skal foretage beregningerne, som ligger til grund for billeddannelsen".
Databehandling i realtid med kunstig intelligens
Med i-RASE teknologien muliggøres lynhurtig billeddannelse. Det tager blot nogle få milli-sekunder, sammenlignet med den nuværende proces, der kan tage flere minutter.
"I modsætning til eksisterende avancerede detektorsystemer skiller vores system sig ud ved sin evne til at indsamle og behandle store mængder intense strålingsdata i realtid. Med i-RASE-systemet behandler vi ikke kun den samlede mængde stråling, men også de unikke egenskaber for hver enkelt foton. Dette muliggøres af en kombination af kunstig intelligens og vores revolutionerende sensordetektor, der oprindeligt er udviklet til rum-intrumentering. Dette system kan registrere og analysere signaler fra alle retninger," fortæller Irfan Kuvvetli
Partnere er, foruden DTU Space, DTU Compute, Politecnico di Milano, University of Tübingen samt de to virksomheder Integrated Detector Electronics AS (IDEAS) og Kromek Group plc., der blandt andet udvikler og fremstiller skanningssystemer til hospitaler. På DTU Space og DTU Compute ansættes en projektleder, en elektronikingeniør, to postdoc-forskere og to ph.d.-studerende til projektet.
Det er en anden opgave at detektere røntgenstråler på Jorden
Irfan Kuvvetli har i mange år beskæftiget sig med detektorsystemer til rummissioner, der blandt andet har til formål at udforske eksploderende stjerner i universet ved at indfange og analysere den røntgen- og gammastråling, der udsendes fra disse ekstreme begivenheder.
Da man i rummet kun har at gøre med få signaler, kræver det meget præcise sensorsystemer.
"Forskellen mellem udstyret i rummet og det, der nu udvikles, er, at der i rummet er få signaler fra de enkelte kilder fra meget fjerne hændelser, som skal sorteres ud fra en masse støj fra andre lyskilder i universet, mens man ved skanninger med røntgenudstyr på Jorden får enorme mængder data fra kilden, som så skal behandles for at danne et brugbart skanningsbillede," forklarer Irfan Kuvvetli.
Professorens tanke bag det nye projekt er netop baseret på hans lange erfaring med udvikling af rumteknologi.
Han tænkte, at det måtte kunne gøres hurtigere og smartere, hvis man integrerede en superfølsom detektor og udlæsningsenhed med lynhurtig databehandling ved hjælp af AI, og at sådan et sensorsystem baseret på rumteknologi ville kunne anvendes til mere end bare rumforskning.
Det indså eksperter hos firmaet Kromek også, da de fik kendskab til Irfan Kuvvetlis idé.
Det ledte til det første projekt fra 2018 til 2021 og nu til det næste skridt, som efter planen skal føre til fremstilling og praktisk anvendelse af den nye teknologi i sundhedsvæsnet og andre steder, hvor der arbejdes med skanninger.
Potentiale til at revolutionere fremtidens rumforskning
I princippet kan det innovative projekt også blive en revolution for udforskning af universet.
"Nogle af de meget store detektorer, vi anvender til at udforske fænomener i universet ved at indsamle lys, vil måske i fremtiden kunne erstattes af den meget lille type sensor, som vi er ved at udvikle," forklarer DTU-professoren.
"Her vil vi kunne indhente og behandle data meget hurtigt på stedet ude i rummet, hvor det pågældende instrument befinder sig, og derefter sende de behandlede data direkte videre til forskerne på Jorden".
På den måde sparer man både vægt og den begrænsning, der er i, at man kun kan sende små datapakker hjem ad gangen fra rummet. I dag indsamles store mængder data i rummet, som først kan sorteres og behandles på Jorden.
"Vores system kan sortere i data, inden de sendes afsted til Jortden, det giver helt nye muligheder i rumforskingen," fastslår Irfan Kuvvetli.
FAKTA: Billedsensorteknologi baseret på i-RASE (Intelligent Radiation Sensor System).
- Højenergistråling (elektromagnetisk stråling og stråling af ladede partikler) indeholder mange informationer, men er ekstremt kraftfuld og svær at måle og fortolke. Med i-RASE projektet vil man ved hjælp af innovativ teknologi udvikle et sensorsystem, der vil kunne indfange og analysere selv den mest intense højenergistråling.
- Inden for rumforskning kan højenergistråling afsløre detaljer om stjerner, sorte huller, subatomare partikler og universets fundamentale byggesten. Med i-RASE vil man kunne gøre nye opdagelser i rummet.
- Systemet kan også anvendes i applikationer inden for medicinsk billeddannelse, industriel inspektion, sikkerhed i lufthavne og miljøovervågning.
- Sensorsystemet bygger på specialiserede detektorer og kunstig intelligens. Det indfanger og analyserer data i realtid og afkoder dermed den komplekse information, der er gemt i strålingen, på meget kort tid
- Teknologien muliggør i princippet hentning af al information om indkommende stråling, hvilket forbedrer målenøjagtigheden og målehastigheden, samtidig med at det digitale dataoutput til efterfølgende behandling reduceres.
