Bølgefysikk i Norge — karrierer og milliarder

Fra læreboken til anvendt bølgefysikk

Lyd og lys er fundamentale bølger som kan kontrolleres og manipuleres ved hjelp av fysikk på måter som åpner industrielle muligheter. Fra konsertsaler som planlegger refleksjoner av lydbølgene til fiberoptikk-nettverk som bærer det meste av datatrafikken over internett, blir framtiden formet av anvendt bølgefysikk. Medisinsk teknologi bruker både lyd og lys til diagnose og behandling.

For gründere og fagfolk som vil ta steget inn i disse feltene, ligger både utfordringene og mulighetene store. Denne artikkelen gir en oversikt over sentrale anvendelser og forklarer hva du bør vite for å komme i gang. Enten du har bakgrunn fra naturvitenskap eller teknologi, finnes det muligheter. Kunnskapen finnes i forskningsmiljøer og industri. Det som trengs er vilje til å anvende den.

Akustikk: fra konsertsaler til støydamping

Akustikk er studiet av lyd som fysisk fenomen – hvordan lydbølger oppstår, forplanter seg og samvirker med omgivelsene. I konsertsaler planlegges tak- og veggkonstruksjonene for å gi gunstige refleksjoner av lydbølgene, som ved Olavshallen i Trondheim.

Akustikken omfatter flere praktiske felter: bygningsakustikk, miljøakustikk og støy, psykoakustikk, undervannsakustikk med ekkolodd og sonar, medisinsk akustikk med ultralyd, samt elektroakustikk med mikrofoner og høyttalere. For å arbeide med akustikk trengs forståelse for hvordan lyd oppføres i ulike materialer og rom. Det kreves kunnskap om målemetoder, materialvalg og hvordan lyd dempes eller reflekteres etter behov.

Optikk og laser: fra telekommunikasjon til industri

Fiberoptikk er teknologi for overføring av lyssignaler gjennom optiske fibre, og er bæreren av det meste av datatrafikken over internett. Hoveddelen av transportnettet i internett er basert på fiberoptikk, og deler av aksessnettet bygges ut gjennom Fibre-To-The-Home. Optiske fibre har svært liten dempning, påvirkes ikke av elektriske forstyrrelser og er vanskelige å avlytte.

Laser er koherent lys som kan konsentrere energi sterkt, og brukes blant annet til å bearbeide metalloverflater. Laserlys kan formidle informasjon og sende signaler over store avstander, for eksempel fra Jorden til satellitter i verdensrommet. Innen kosmetikk brukes laser til å fjerne hår, arr og rynker, og sterke laserpenner kan skade øynene. Prinsippet om stimulert emisjon ble beskrevet av Albert Einstein i 1917, og den første laseren ble laget i 1960.

Fiberoptikk-infrastruktur: Norges digitale ryggråd

Når du bruker internett til video eller konferanser, bruker du sannsynligvis fiberoptikk fordi det er stabilt og har høy kapasitet. Store deler av det norske telenettet består av fiberoptiske overføringssystemer, og lyssignalene kan overføres mange hundre kilometer uten å måtte forsterkes underveis. Den første norskproduserte fiberkabelen ble satt i prøvedrift mellom to telefonsentraler i Oslo i 1980, og den første norske sjøkabelen gikk til Danmark fra 1992.

Installering av fiber krever både håndverk og ingeniørkompetanse. For hver kilometer som installeres, trengs optiske komponenter som sendere, mottakere og forsterkere. En fiberkabel med diameter på cirka én tidel og vekt på cirka én femtiendedel av en koaksialkabel kan transportere mer enn 100 ganger så mye data over en strekning som er 100 ganger så lang. For gründere som vurderer å gå inn i fiberoptikk, er det viktig å forstå at etablerte aktører allerede har bygget ut store deler av infrastrukturen. Det kreves solid teknisk innsikt og kapital for å konkurrere.

Elektroakustikk og lydmiljø

Elektroakustikk omfatter elektronisk opptak, lagring og reproduksjon av tale og musikk, med mikrofoner og høyttalere som viktige komponenter. Miljøakustikken handler om utendørs støy, mens soundscaping bruker lyd aktivt for å skape ønskede lydmiljøer.

For gründere innen lydteknologi er det viktig å forstå hvordan lyd oppfattes og hvordan støy kan reduseres. Det kreves kompetanse i både akustikk, signalbehandling og programmering for å bygge gode løsninger.

Undervanns-bølgefysikk: sonar og marin forskning

Sonar er akustisk ekkolokalisering under vann. Marinefartøy kan ha både skrogmonterte og tauede sonarsystemer for søk etter ubåter. Aktive sonarer sender ut lydsignaler og detekterer ekko fra målet, mens passive sonarer analyserer mottatt lyd. Avstanden bestemmes etter ekkoprinsippet ved at man kjenner lydens hastighet i vann, rundt 1500 m/s. Lave frekvenser i området noen få kHz og opp til 20–30 kHz kan detektere store fiskestimer eller ubåter på flere kilometers avstand, mens høyere frekvenser på omkring 100–200 kHz benyttes på kortere avstander for mer detaljert gjengivelse.

Multistråle-ekkolodd brukes i kartlegging av havbunn, og sidesøkende sonarer kan gi detaljerte bilder fra havbunnen. Kongsberg Maritime er blant verdens ledende innen hydroakustikk, dynamisk posisjonering og maritim automasjon, og leverer utstyr til marinefartøy og olje- og gassindustri over hele verden. Selskapet hadde i 2018 en omsetning på 7,5 milliarder NOK og 7600 ansatte. Medisinsk akustikk omfatter ultralyd til fosterundersøkelse og terapeutisk bruk, for eksempel oppvarming av muskler og knusing av nyresten. For gründere innen medisinsk teknologi finnes muligheter i å utvikle nye anvendelser for ultralyd.

Forskning og innovasjon

Norge har forskningsmiljøer som arbeider med fysikk og teknologi. NTNU driver eksperimentell og teoretisk forskning innen materialfysikk, kvantefysikk og biofysikk. Charles Kuen Kao, som har blitt kalt fiberoptikkens far, mottok halve Nobelprisen i fysikk i 2009 for sin innsats angående lystransmisjon i fibrer.

For gründere er det viktig å bygge sterke team, forstå markedet og ha en klar teknisk idé før man søker finansiering. Konkurransen fra etablerte selskap er sterk, så en oppstart bør gjøre noe annerledes eller bedre enn eksisterende aktører.

Nøkkelopplysninger om fiber og akustikk

Her er noen fakta som viser hvordan bølgefysikk anvendes i norsk infrastruktur og industri.

Fremtidige teknologier

Bølgefysikk er et felt i utvikling. Innen optikk forskes det på ikke-lineære effekter ved store lysintensiteter, som kan brukes til å generere andre lysfrekvenser. Forskere håper å bruke sterke lasere til å oppnå fusjon, men metoden hadde per 2022 ikke ført frem.

For gründere betyr dette at nye anvendelser av lys og lyd stadig vil oppstå. Det er lurt å følge med på faglige publikasjoner og samarbeide med forskningsmiljøer for å holde seg oppdatert.

Sentrale konsepter du må kjenne

Her er ordene og ideene som hele feltet bygger på. Hvis du skal arbeide innen bølgefysikk, bør du kjenne til disse begrepene.

• Frekvens: innen sonar brukes lave frekvenser på noen få kHz til 20–30 kHz for lang rekkevidde, og høyere frekvenser på 100–200 kHz for detaljer på kortere avstand.
• Dempning: i fiberoptikk er typisk dempning for en singelmodusfiber 0,2 desibel per kilometer ved bølgelengden 1550 nanometer. I akustikk omdannes lydenergi til varme når den går gjennom et stoff.
• Bølgelengde: avstanden mellom to topper av en bølge. Lys med ulik bølgelengde brukes til ulike formål, for eksempel 1550 nm i telekommunikasjonsfibre.
• Absorpsjon: innen akustikk er det at lyd dempes når den går gjennom et stoff, fordi en del av energien omdannes til varme.
• Fase og koherens: laserlys sendes ut i samme fase og retning, noe som gir en skarp og sterk stråle.

Kompetansebehov og muligheter

Bølgefysikk krever tverrfaglig kompetanse. De kommende årene vil det være behov for folk som forstår både fysikk, teknologi og anvendelser.

Praktisk arbeid med bølgefysikk

Å jobbe med bølgefysikk innebærer å oversette teoretisk kunnskap til praktiske løsninger. Enten det gjelder å designe rom med god akustikk, spleise fiberkabler eller utvikle sonarsystemer, kreves det nøyaktighet og forståelse av grunnleggende prinsipper.

For å lykkes bør du bygge nettverk i bransjen, holde deg oppdatert på nye standarder og teste løsninger i reelle miljøer. Erfaring viser at tett samarbeid mellom fysikere, ingeniører og sluttbrukere gir gode resultater.

Utfordringer: hvor det kan gå galt

Bølgefysikk-markedet har høye barrierer for oppstart. Kompetansen er sjelden, og det kan være kostbart å bygge opp nødvendig testutstyr og laboratoriefasiliteter.

Konkurransen fra etablerte bedrifter er intens. Kongsberg Maritime hadde i 2018 en omsetning på 7,5 milliarder NOK og 7600 ansatte, og selskapet har flere tiårs erfaring gjennom oppkjøp av blant annet Simrad og Norcontrol. En oppstart må gjøre noe som de ikke gjør, eller noe som de gjør mindre godt.

Forskningens historie

Moderne akustikk som ingeniørfag ble først mulig etter at man fikk elektriske og elektroniske måleinstrumenter omkring andre verdenskrig, og dansken Per Brüel regnes som en av pionerne innen akustisk måleteknikk. Lord Rayleigh publiserte boken The Theory of Sound i 1877 og knyttes gjerne til akustikken som moderne vitenskap.

Innen fiberoptikk viste forskere ved Corning Glass Works i 1970 at fibre med 20 desibel dempning per kilometer kunne fremstilles, og Charles Kuen Kao mottok Nobelprisen i fysikk i 2009 for sin innsats for lystransmisjon i fibrer.

Slik starter du i dag

Hvis du vil inn i bølgefysikk-industrien, er her konkrete steg. Først, bygg grunnkunnskap. Ta kurs i akustikk, optikk eller signalbehandling. Hvis du allerede har ingeniør- eller naturvitenskapsbakgrunn, gå rett til å løse praktiske oppgaver.

Andre, finn et problem som trenger løsning i din næring eller ditt nærmiljø. Snakk med produksjonsbedrifter, sykehus eller maritime aktører om utfordringer med støy, lys eller signaloverføring. Det er ditt utgangspunkt.

Tredje, finn mentorer og miljø. Søk opp kompetansenettverk ved universiteter og tekniske miljøer, og delta i bransjesamlinger.

Fjerde, lær av de som er foran deg. Studer teknologirapporter fra etablerte aktører som Kongsberg Maritime, og følg med på utviklingen innen fiberoptikk og akustikk.

Femte, test tidlig og ofte med virkelige kunder. Hvis du bygger en løsning, installer den hos en faktisk bedrift, mål resultatene, be om tilbakemeldinger, og endre basert på det du lærer.

En løsning som en kunde bruker og betaler for, er bedre enn en perfekt løsning som ingen kjenner til. Norge har kunnskap og industri. Det som trengs er vilje til å starte.