Projekt DALJDET Lidar za detekcijio elastičnih in fluorescentnih signalov v IR in UV svetlobnem spektru. Ljubljansko podjetje Optotek je v okviru javnega razpisa MIR 06/RR/07, ki je potekal pod okriljem Tehnološke agencije TIA, nadgradilo razvojna in tehnološka znanja s fotonike z znanji iz mikrobiologije. Povezovanje fotonike in mikrobiologije, ki je v evropskih strateških dokumentih opredeljeno kot pomembna razvojna smer za zagotavljanje konkurenčnosti evropskega gospodarstva, je potekalo od avgusta 2006 do februarja 2008 v okviru projekta DALJDET. Skupna vrednost subvencije, ki je bila podeljena v okviru tehnološke agencije TIA, je dosegla 233.625 Optotek je prejel 26 odstotkov vrednosti sredstev, Univerza v Novi Gorici in Fotona pa kot partnerja 49 oziroma 25 odstotkov. Rezultat partnerskega sodelovanja predstavlja delujoč flourescentni lidar, ki bo postavljen v Centru za atmosferske raziskave na Otlici nad Ajdovščino. Lidar bo uporaben za akademske raziskave, šolanje kadrov in diplomske, magistrske ter doktorske naloge. Lidar predstavlja osnovo za nadaljnji razvoj, ki bo lahko ob ustreznih izboljšavah in večji operativnosti omogočil njegovo komercilizacijo. *** Hitro odkrivanje škodljivih snovi predstavlja ključni dejavnik za zgodnje opozarjanje prebivalstva pred izpusti škodljivih snovi v zraku. V okviru projekta DALJDET je bil razvit delujoč model mobilnega lidarja za odkrivanje in sledenje bioloških in kemičnih snovi v zraku, ki omogoča hitrejšo odzivnost v primeru napada z biološkim orožjem, v primeru industrijskih nesreč in ekoloških katastrof. Biološke in kemične emisije predstavljajo v atmosferi najbolj učinkovit način za širjenje toksinov. Veter in zračni tokovi uspešno širijo aerosole v obliki kapljic velikosti med 1 in 10 mikrometrov v ozračju. Na ta način se lahko širijo tudi številne bolezni. Zato je zgodnje odkrivanje morebitnih nevarnosti za biološke in kemične snovi ključnega pomena. S kombinacijo elastičnega in fluorescentnega lidarja, ki deluje na področju infrardeče in ultravijolične svetlobe, lahko opazujemo širjenja aerosolov v ozračju na ravni tal s polmerom 10 kilometrov in več. Na razdalji od 1 do 5 kilometrov pa lider omogoča razlikovanje med ne biološkimi ali biološkimi agensi. Na ta način lahko lidar postane»instrument za zgodnje opozarjanje«, ki sproži nadaljnje ukrepe v smislu opozorila na nevarnost, zaščite in prepoznavanje bioloških aerosolov z dodatnimi instrumenti. Prednost pri lidarju za zgodnjega opozarjanja pred biološkimi agensi je daljinsko zaznavanje, kjer ni potrebe po neposrednem stiku s potencialno nevarnimi biološkimi in kemični agensi. Nevarnosti lahko odkrijemo iz varne oddaljenosti, kar omogoča pravočasno oziroma hitrejšo pripravo varnostnih in drugih zaščitnih ukrepov. Osnovni princip delovanja Lidar (LIght Detection And Ranging) je optična tehnologija daljinskega zaznavanja s pomočjo laserskega sunka in detekcije povratne svetlobe. Podobno kot tehnologija radarja, ki uporablja radijske valove, je razdalja do objekta določena z merjenjem časovnega zamika med oddanim sunkom in povratnim (odbitim) signalom. Velika prednost lidarja je v kratki valovni dolžini in kratkih sunkih laserske svetlobe, ki omogočajo veliko natančnost detekcije. 1
Tehnologija lidarja se uporablja v arheologiji za skeniranje profila arheloških najdišč, v geografiji za natančno določanje reliefov in v geologiji ter seizmologiji za natačno zaznavanje tektonskih prelomnic ali vulkanskih izbruhov. Lidar je prav tako uporaben za daljinsko zaznavanje, kot ga zahteva natančno izvajanje meritev razdalje med Zemljo in Luno. Omenjena tehnologija igra ključno vlogo še pri preučevanju atmosferskih profilov in pri izvajanju meritev temperaturnih stanj plazme v fuzijskih reaktorjih. Princip delovanja lidarja temelji na kratkem sunku ozko usmerjene laserske svetlobe, ki se širi v ozračje in se sipa na delcih in molekulah v vse smeri. Večja kot je koncentracija sipalcev v ozračju, intenzivnejše je sipanje. Posledično pride več sipane svetlobe nazaj do sprejemnika, kar ustvari na detektorju močnejši signal. Upoštevati je potrebno, da gostota energijskega toka sipane svetlobe upada s kvadratom razdalje od sipalca (slika 1). Z meritvijo časa med oddanim laserskim sunkom in povratno sipano svetlobo je možno izmeriti oddaljenost oblaka aerosola na nekaj metrov natančno. Slika 1: Princip delovanja lidarja Najpomembnejše komponente Srce lidarja predstavljajo oddajnik, sprejemnik v obliki teleskopa s premerom zrcala 30 centimetrov in detektorski sistem. Oddajnik predstavlja pulzni laser, ki omogoča hkratno oddajanje svetlobe pri osnovni valovni dolžini 1064 nm (v IR delu svetlobnega spektra) in pri početverjeni osnovni frekvenci, ki ustreza valovni dolžini 266 nm (v UV delu svetlobnega spektra). Valovna dolžina 1064 nm je uporabljena za merjenje elastičnega sipanja na aerosolih. S tem se določi oblak aerosolov v prizemni plasti ozračja. Z valovno dolžino 266 nm je inducirana fluorescenca v aminokislini triptofan, ki je prisotna praktično v vseh snoveh organskega izvora. Z detekcijo fluorescence je možno ugotoviti, ali gre za biološke aerosole in s tem potencialne biološke agense? Prav tako pomemben je detektorski sistem, kjer je s tem namenom svetloba, ki se vrne zaradi elastičnega sipanja in florescence do sprejemnika, usmerjena na sistem leč in zrcal, ki jo razdelijo na tri»veje«. Prva veja omogoča merjenje elastičnega sipanja oddane laserske IR svetlobe pri valovni dolžini 1064 nm. Druga veja omogoča pri UV svetlobi dvojno detekcijo. Pri valovnih dolžinah manjših od 290 nm so preko interferenčnega filtra na detektor fotopomnoževalko prepuščene le valovne 2
dolžine blizu 266 nm, ki omogočajo detekcijo elastičnega sipanja UV svetlobe v ozračju. Pri prepuščenih valovnih dolžinah med 295 in 300 nm pa je na tretji veji detektirana fluorescenca triptofana, kjer se za sprejemnik uporablja prav tako fotopomnoževalka. Slika 2: Osnovna shema delovanja Posebnosti lidarja za zaznavo kemičnih in bioloških agensov Z lidarjem za zaznavanje bioloških in kemijskih agensov je narejen delujoč prototip instrumenta, kjer je mogoče iz meritev elastičnega sipanja na molekulah zraka in aerosolih oceniti vsebnost različnih aerosolov v zraku. Z zaznavanjem fluorescence aminokisline triptofan je narejena metoda za razločevanje med aerosoli biološkega in nebiološkega izvora. Optotek kot nosilec projekta je skrbel za komunikacijo med partnerji, da so se načrtovane dejavnosti pravočasno izvršile. Narejena je bila mehanska in optična konstrukcija teleskopa, 3 kanalnega fotometra, nosilca laserja in integracija vseh komponent v enoten instrument. Narejena je bila osnovna optična justaža vseh komponent za testiranje sistema. Nato je sledilo testiranje vseh komponent sistema v delujoč sistem. V okviru projekta DALJDET je bil uspešno razvit lidar za daljinsko detekcijo kemičnih in bioloških agensov ter demonstracija osnovnega principa delovanja sistema. Uspešno zaključeno delo obsega: Idejno študijo sistema za daljinsko zaznavanje kemičnih in bioloških agensov na podlagi razpoložljive literature in preteklih izkušenj s področja razvoja in uporabe lidarjev. Razvoj in izdelava 3 kanalnega fotometra za zaznavanje elastičnega sipanja pri valovnih dolžinah 266 nm in 1064 nm ter za zaznavanje flourescence na aminokislini triptofan pri valovni dolžini 295 nm. Slednji kanal služi za ločevanje med aerosoli biološkega in nebiološkega izvora. Izdelava nosilca za natančno nastavitev izvora svetlobe Nd Yag laserja, ki oddaja 7 ns laserske sunke z valovnimi dolžinami 266, 532 in 1064 nm. Izdelava optičnega sistema za absorpcijo valovne dolžine 532 nm laserja, ki iz laserskega snopa odstrani valovno dolžino 532 nm, ki ni potrebna za meritve. Nastavitev optičnih komponent in osnovno preverjanje delovanja vseh detektorjev ter optičnega sistema v povezavi z laserjem in merilno elektroniko. 3
Izdelava nosilne konstrukcije za optične elemente, ki omogoča tridimenzionalno gibljivost sistema in s tem tridimenzionalne meritve prisotnosti kemičnih in bioloških agensov. Razvoj programske opreme za krmiljenje lidarja in zajem ter vizualizacijo podatkov lidarskih meritev. Velika pridobitev za raziskovalno področje Demonstracija delovanja lidarja, ki je daljinsko upravljiv in lahko skenira poljubno področje, je bila prvič izvedena dne 22. 2. 2008 v poslopju Univerze Nova Gorica v Ajdovščini. Sistem je uspešno detektiral flourescenco na bioloških organizmih, na nebioloških je ni zaznal. S tem je projekt uspešno izpolnil zadane cilje. Instrument je bil nato predan Univerzi v Novi Gorici. Ob tem velja dodati, da je projekt prinesel nova znanja in tehnologije, ki predstavljajo velika pridobitev za raziskovalno področje takšnega instrumenta v Sloveniji še nismo imeli. Projekt predstavlja hkrati pomemben doprinos k strategiji podjetja, ki bo omogočal skozi tesno sodelovanje RR oddelka in raziskovalcev akademske sfere osvajanje dodatnih znanj za resen pristop k razvoju naprav, kjer bo mogoče z osvojenimi znanji iz fotonike in mikrobiologije reševati zahtevne medicinske probleme. Tovrstna znanja Optotek trenutno nadgrajuje v okviru projekta Nanodetect, ki se izvaja v 7. okvirnem programu EU. Podjetje Optotek Podjetje Optotek d. o. o. je bilo ustanovljeno leta 1995, sedaj ima 50 redno zaposlenih, od katerih jih ima najmanj višješolsko izobrazbo 22, magisterij ali doktorat znanosti pa šest oseb. Za RR dejavnost je podjetje v letih 2008 in 2009 namenilo več kot 11 odstotkov svoje prodajne realizacije. Podjetje je specializirano za razvoj in proizvodnjo laserskih terapevtskih naprav za oftalmologijo, ki jih prodaja globalno, pri čemer intenzivno razvija lastno blagovno znamko. Podjetje je decembra 2009 prešlo pod taktirko japonske korporacije Canon, ki je postala njen večinski lastnik. Strategija podjetja je zato prilagojena strategiji korporacije Canon, ki želi postati vodilno svetovno podjetje na področju oftalmološke diagnostike. Del RR aktivnosti v okviru podjetja Optotek poteka zato v smeri priprave rešitve, ki bodo njen program razširile s terapije očesnih bolezni na področje diagnostike očesnih bolezni. Na tem področju se kažejo sinergije s tehnologijami, ki jih obvladuje Canon, in obvladovanjem določenih znanj s področja mikrobiologije, ki jih ima Optotek. Izjavi o projektu DALJDET Izjavi o projektu (mag. Boris Vedlin, direktor podjetja Optotek):»Subvencijska sredstva so bila nepogrešljiva za razvoj omenjenega projekta. Brez finančne podpore s strani tehnološke agencije TIA ne bilo mogoče projekta realizirati. Projekt bi se ustavil že v fazi načrtovanja, saj ne bi bilo potrebnih sredstev za razvoj in nabavo projektne opreme.s TIA smo sodelovali tako rekoč od samega začetka delovanja te agencije. Ocenjevali smo, da je za podjetje pomembno, da ima v odnosih z javnimi razpisi iz področja tehnološkega razvoja in raziskav na državni ravni enega sogovornika, ki ažurno in kompetentno zagotavlja pomoč. Žal se zdi, da TIA trenutno izgublja del vloge, saj je za leto 2010 predvidenih zelo malo razpisov v njenem okviru. Ocenjujem, da se vračamo v izrazitejšo fragmentacijo javnih razpisov, kjer so nosilci razpršeni po množici agencij in ministrstev, rezultat tega pa je nepreglednost razpisov, namesto manjšega administriranja.«4
Slikovni material Lidar in oprema za njegovo krmiljenje Ekipa, ki je sodelovala pri projektu DALJDET Kontaktne informacije Kontaktni podatki Optotek: Optotek d.o.o. Tehnološki park 21 1000 Ljubljana Direktor: Boris Vedlin Kontaktna oseba: Boris Vedlin, Matjaž Zalar Tel.: 040/980 000 ali 01/436 60 33 E mail: vedlin@optotek.si, zalar@optotek.si, kekez@optotek.si Kontaktni podatki TIA: Javna agencija za tehnološki razvoj RS Dunajska cesta 22 1511 Ljubljana Direktor: dr. Franc Gider Kontaktna oseba: Helena Knez Tel.: 0590 89501 E mail: helena.knez@tia.si Splet: www.tia.si 5