LOIS - Sveriges bidrag till ett transeuropeiskt sensornätverk för studier av jorden och rymden

Del av LOIS teststation i Risinge utanför Växjö, med aktiva tredimensionella vektorkännande elektriska tripolantenner och en kontrollenhet med GPS-system, datorhårdvara samt höghastighetsswitchar och fiberkopplingar. Denna teststation har producerat vetenskapliga data kontinuerligt sedan 2004.

LOIS ligger i södra Sverige med Växjö som nav. Bilden visar schematiskt en fullt utbyggd infrastruktur med 32 LOIS-stationer.

På grund av en oväntat stor solpartikelstorm den 8 november 2004 sågs detta magnifika norrsken så långt söderut som Uppsala. LOIS siktar på att ge pålitliga varningar om sådana solstormar, som kan allvarligt skada tekniska och biologiska system.

Aktiv tredimensionell vektorkännande magnetisk tripolantenn. Används som komplement till den elektriska antenntypen för att mäta hela den elektromagnetiska fältvektorn och därmed kunna utvinna all information ur radiosignalerna.

De digitala radiomottagarna monteras direkt på varje tredimensionell vektorkännande LOIS-antenn. Varje sådan sensorenhet mäter styrkan och riktningen av radiofältet 125 miljoner gånger i sekunden vid markpunkter vars positioner är kända med ett par centimeters noggrannhet relativt varandra. Varje sensorenhet producerar sex Gigabit rådata per sekund.

LOIS mål är att fylla hela Specialitet-Samhällssektor-Spridning kuben.

Noggrann inmätning av geografiska fixpunkter vid LOIS teststation med hjälp av avancerad GPS-utrustning.

Den europeiska infrastruktur där LOFAR och LOIS samverkar med andra Scientific Operations Centres (SOC).

En ny forskningsinfrastruktur i form av ett vidsträckt höghastighetsnätverk med jord- och rymdsensorer byggs just nu i Europa. Sverige är sedan fem år med i arbetet och har genom att bidra med rymd-, IT- och radiokunnande och en testanläggning i Småland fått en framskjuten ställning i projektet.

I mitten av 1990-talet inledde radioastronomer i Europa, USA och Australien diskussioner om möjligheten att studera Universums mest avlägsna och äldsta objekt. Det som krävdes var ett radiomätsystem i det hittills outforskade frekvensområdet 10-250 MHz som är hundra gånger känsligare än dagens största teleskop. Lösningen blev LOFAR (Low Frequency Array), ett digitalt »IT-teleskop« som i mjukvara kombinerar data från ett vidsträckt nätverk av 25000 radiosensorer utplacerade över ett sex miljoner hektar stort landområde i Nederländerna och nordvästra Tyskland. Mätdata från sensorerna sänds via hypersnabba datanätverk och bearbetas i Europas kraftfullaste superdatorer.

När svenska rymdfysiker med erfarenhet av liknande digitala radioprojekt år 2000 kom med i samarbetet blev resultatet projekt LOIS (LOFAR i Skandinavien) som utvidgar LOFAR med en rymdmiljöspecifik radio- och IT-infrastruktur med något tusental radioenheter i södra Sverige. Genom kombinationen LOFAR/LOIS skapas en världsunik nätverksbaserad rymdväderradar.

År 2003 beslöt den nederländska regeringen att finansiera LOFAR med medel motvarande 0.75 miljarder kr. Efter detta har projektet snabbt utvidgats mot en transeuropeisk sensor- och datorinfrastruktur för rymd-, atmosfär- och geofysikforskning, jord- och skogsbruksutveckling, förvarning om naturkatastrofer m.m. Denna infrastruktur blir också en teknologiplattform och testbädd för framtida globala sensornätverk.

Varför södra Sverige?

Faktorer som geografiskt läge med låga störningsnivåer från såväl norrsken som radiosändare, stöd från en dynamisk akademisk miljö och näringslivet, en framsynt IT-politik, existerande EU-samarbete med Nederländerna samt goda förbindelser mellan forskning och samhälle gjorde att Kronoberg valdes som centrum för LOIS. En teststation där ryggraden är ett eget fibernätverk delvis finansierat av AerotechTelub AB har byggts upp nära Växjö (se bild). Teststationen har förbindelse med det svenska universitetsdatanätet och därmed med Internet och omvärlden.

Flexibel och kostnadseffektiv teknik

Vid radiostudier av rymden fungerar LOFAR/LOIS som en jättelik digitalkamera för radiovåglängder där signalerna från varje »pixel« (antenn) digitaliseras och transporteras via snabba datanät till superdatorer. Där skapar användaren i mjukvara en »radiokamera« optimerad för sitt speciella objekt utan att andra pågående mätningar påverkas. Genom att långsam mekanisk manövrering av tunga antenner ersätts av blixtsnabba datoroperationer maximeras användbarheten, tillgängligheten och kostnadseffektiviteten.

Den innovativa »kvantradioteknik« för radiostudier av jordens rymdomgivning som utvecklats av projektets svenska rymdfysiker bygger på hittills underutnyttjade symmetriegenskaper hos radiovågornas elektromagnetiska fält och medger att betydligt mer information utvinns ur de uppfångade radiosignalerna än vad existerande tekniker förmår. Matematiska metoder utvecklade inom elementarpartikelfysik och kvantoptik har här varit inspirationskällor.

Det totala dataflödet i sensornätverket uppgår till många tiotals Terabit (miljoner megabit) per sekund och hanteras i modern GRID-miljö med hjälp av svensk databasteknik. Tillsammans med LOFAR har IBM utvecklat en av Europas snabbaste superdatorer, BlueGene/L, som nu installerats vid LOFAR. Ett forskningssamarbete på IT-sidan mellan LOIS och IBM Research, USA, har etablerats. I samband med detta har IBM donerat en superdator till LOIS.

Eftersom mycket av rådata sparas i databaser blir det möjligt att göra virtuella observationer långt efter att data spelats in. Det går till och med att i efterskott undersöka fenomen och använda analysmetoder som vid mättillfället ännu inte var kända! Denna möjlighet är särskilt betydelsefull för framtida klimat- och miljöstudier.

Tvärvetenskaplig »trippelhelix«

Forskningsbasen i Sverige för LOIS utgörs av en tvärvetenskaplig »trippelhelix«, tvinnad av erkänt framstående rymdmiljö-, radio- och datorforskning som lika starka delar. Den teknologiska basen utgörs av Sveriges industriprofil, kompetens och mångåriga erfarenhet inom alla tre forskningsområdena och tillgång till relativt störningsfria fysiska miljöer. Sammantaget gör dessa faktorer Sverige synnerligen väl lämpat för att hysa ett sensornätverk av den yppersta världsklass som det här handlar om.

De djärva vetenskapliga mål som satts upp för LOIS och LOFAR gör att projektet kan föra Sverige och Europa till en ledande plats i världen inom rymdmiljöområdet. Projektet är i sig också en stor telekom- och IT-utmaning som flyttar gränserna framåt och banar väg för såväl »e-Science« som framtidens nätverks- och kommunikationsteknologi.

Öppenhet

För att bygga förtroendeskapande broar mellan forskarvärlden och det övriga samhället har utformningen av LOIS från första stund styrts av målet om full öppenhet och delaktighet. Enskilda personer, skolor, föreningar och organisationer uppmuntras att aktivt delta i forskningen. Det kan handla om att mata in mätdata från egna sensorer via LOIS datanät eller att analysera de mätdata som distribueras fritt - ett slags »e-Science« för alla och envar. Mjukvara för att ta emot och analysera data från några av LOIS sensorer kan redan nu fritt laddas ner från LOIS website.

I det utåtriktade arbetet samarbetar LOIS i Växjö med XperimentHuset/Rymdhuset som tillsammans med Växjö universitet har flera EU-anslag för sådan verksamhet. Länken till företagen går genom Videum Science Park i Växjö. Länsstyrelsen och Landstinget i Kronoberg deltar aktivt i projektet. Media inbjuds regelbundet till pressträffar.

Samverkan

Eftersom LOIS prioriterar forskningens viktiga uppgift att samverka med det omgivande samhället byggs redan från början kapacitet in så att såväl forskare som allmänhet tillförsäkras fri och omedelbar tillgång till mätdata. Dessa data kommer att distribueras och bearbetas med hjälp av den framväxande GRID-tekniken där LOIS är ett svenskt nyckelprojekt. Samhällsinstitutioner, företag, organisationer och allmänhet inom det geografiska område som täcks av LOIS erbjuds att samutnyttja servicen och kapaciteten i de snabba datanätverken.

LOIS bidrar med nya idéer och metoder

LOFAR/LOIS suddar ut gränsen mellan forskningsanläggning, nätverk och dator och liknar närmast ett avancerat datorsystem med kringutrustning (sensorer) som utplaceras i flera länder. Detta gör det möjligt att vid ett och samma tillfälle

uppfånga och analysera radiosignaler utsända strax efter »Big Bang« från rymdens ursprungliga väteatomer för att testa teorier om - och stimulera existentiella funderingar kring - universums födelse
utföra radiostudier av solatmosfären för att kunna ge bättre prognoser om rymdväderstormar som kan skada såväl människor som elkrafts- och kommunikationssystem
studera »elektrosmogen« från radio-, TV- och radarsändare och dess inverkan på jordens atmosfär, jonosfär och magnetosfär
studera växelverkan mellan ultrasnabba kosmiska partiklar och atmosfären och den jonisation och elektromagnetiska strålning som då uppstår
spåra främmande ämnen i atmosfären genom de svaga ljusspektra de utsänder vid radiobestrålning
detaljstudera effekter av åskväder och kraftig turbulens i atmosfären
söka i naturens eget radiolaboratorium - rymden - efter nya egenskaper hos den elektromagnetiska strålningen
utnyttja hela informationen i radiovågens elektromagnetiska fält för effektivare användning av radiospektrum i forskning och trådlös kommunikation
korrigera fel i satellitnavigering på grund av plasmastörningar i jonosfären
genomföra fältstudier i stads- och landsbygdsmiljö av avancerade datanät med extremt höga överföringshastigheter över stora avstånd
effektivt hantera ofantligt stora mängder mätdata och distribuera och analysera dem i realtid inom det nya framväxande datornätkonceptet GRID
kommunicera med den internationella rymdstationen ISS, forskningssatelliter och andra rymdfarkoster

Nationellt och internationellt samarbete

Arbetet inom LOIS-projektet bedrivs i samarbete med forskargrupper vid Växjö universitet, Institutet för rymdfysik, Uppsala universitet, Lunds universitet, Linköpings universitet, Blekinge tekniska högskola, IT-universitetet vid KTH, Chalmers tekniska högskola, det Danska Meteorologiska Institutet i Köpenhamn, samt det Finska Meteorologiska Institutet i Helsingfors. Dessutom deltar forskare från Frankrike, Grekland, Italien, Kenya, Nederländerna, Norge, Polen, Ryssland, Tyskland, Ukraina och USA. Totalt omfattar LOIS vetenskapliga team ett sjuttiotal forskare i femton länder i tre världsdelar. För goda och nära kontakter med samhället i övrigt har ett LOIS-konsortium bildats i Kronobergs län.

Investeringar och resultat

Genom anslag till LOFAR från den nederländska regeringen på motsvarande 750 miljoner kronor är finansieringen av huvuddelen av fiber-nätverket, sensorsystemet och övrig infrastruktur säkrad. Under våren 2004 färdigställde LOFAR en teststation i norra Nederländerna som med bara några tiotal antenner kunde producera förbluffande resultat. Hittills gjorda investeringar i Nederländerna har skapat fler än 200 arbetstillfällen. Totalt beräknar man att investera motsvarande 1.4 miljarder kronor i LOFAR.

Behovet av investeringar för höghastighetsnätverk och annan infrastruktur i Kronoberg med omnejd beräknas till mellan 50 och 250 miljoner kronor beroende på ambitionsnivå och samordningsvinster. LOIS vetenskapliga del har hittills erhållit omkring 20 miljoner kronor i anslag från statliga och privata forskningsfinansiärer och från näringslivet och ett tiotal personer arbetar idag i projektet. En LOIS-prototyp installerades i Växjö under hösten 2003 och har därefter byggts ut till en komplett teststation. Den producerar kontinuerligt goda vetenskapliga data vilket visar att LOIS unika radiomätkoncept fungerar.

Den tyska regeringen har finansierat projekt LOPES, ett sidoprojekt till LOIS för studier med nya radiometoder av den kosmiska strålningen och dess inverkan på jordatmosfären. Jämförande experiment gjorda vid en konventionell anläggning i Karlsruhe för mätning av kosmisk strålning har visat att de nya radiometoderna fungerar ypperligt. Liknande resultat har erhållits med LOIS teststation utanför Växjö.

Webbadresser: http://www.lois-space.net respektive http://www.lofar.org
Postadress: LOIS Space Centre, MSI, Växjö Universitet, 351 95 Växjö
Besöksadress: Videum Science Park, P G Vejdes Väg 15, 351 96 Växjö