Hvordan måler man tykkelsen af en æggeskal, en vejstribe eller isglaseringen på en reje? Det ved Simon Lehnskov Lange, der er postdoc på DTU Fotonik. Han leder et forskerhold, der er i fuld gang med at udvikle et kompakt og billigt apparat, der hurtigt og effektivt kan måle tykkelsen af alverdens materialer.
"Vi så en teknologi, hvor der er et kæmpe potentiale, og som kan være til gavn og nytte for industrien – ikke bare i Danmark, men på verdensplan."
Henrik Mertz, leder af center for anvendt fotonik, FORCE Technology
Idéen er at udnytte en bestemt form for elektromagnetiske bølger, der kaldes terahertzstråling. Denne stråling er i stand til at trænge ind i mange forskellige stoffer, og ved overgangen mellem to forskellige materialer bliver en del af strålingen reflekteret og danner et lille ekko. Ved at måle på ekkoet kan forskerne bestemme tykkelsen af materialet med stor præcision.
I 2017 kom Simon Lehnskov Lange i snak med folk fra DTU Fødevareinstituttet, og de vidste, at Royal Greenland havde brug for en hurtig og smart metode til at måle tykkelsen af islaget på isglaserede rejer. Hos Royal Greenland fortæller procesudvikler Niels Bøknæs, hvorfor det er vigtigt med et jævnt lag is på de frosne rejer:
”Glaseringen beskytter rejerne mod harskning, altså mod udtørring og uønskede kemiske forandringer. Så længe rejen er frossen, handler det ikke så meget om fødevaresikkerhed, men mere om kvalitet. Isglaseringen forlænger holdbarheden, for uden den ville rejen tørre ud og ikke smage særlig godt.”
”Vi glaserer ved at sprøjte vand fra dyser på de dybfrosne rejer. Vi har fundet ud af, at med 10-12 pct. vand er rejerne godt dækket. Men glaseringen i den industrielle glaseringsproces kører med forskelle i procesparametre. Måske er vandet fra vanddyserne lidt for varmt eller koldt, og størrelsen på rejerne kan svinge lidt. Det betyder, at glaseringstykkelsen ikke er helt konstant, og det er virkelig en udfordring at styre glaseringsindholdet i den praktiske produktion,”siger Niels Bøknæs.
Isen må ikke vejes med
Isglaserede fødevarer sælges typisk efter vægt, og her må isen ikke vejes med. Når en forbruger køber en pose med 200 gram frosne rejer, skal der være mindst 200 gram optøede rejer tilbage, når isglaseringen er smeltet. Men eftersom rejerne af produktionstekniske grunde først vejes af efter glaseringen, er det vigtigt for producenten at have godt styr på mængden af is, for ellers får forbrugerne for mange eller for få rejer.
I dag tjekker Royal Greenland glaseringsprocenten manuelt med en tidskrævende og upraktisk metode. Virksomheden vil hellere have et system, hvor glaseringstykkelsen løbende måles, så glaseringen automatisk kan justeres i realtid. Hvis der er for meget is på, kan der skrues lidt ned for vanddyserne og omvendt. Royal Greenland har fem store rejefabrikker i Grønland og Canada, og hver af dem kan tage imod 80 tons rå rejer i døgnet og forvandle dem til 27 tons frosne, afskallede rejer, så der kan være rigtig mange penge at spare ved at kunne måle præcist.
Her kunne forskerne fra DTU Fotonik måske hjælpe Royal Greenland.
”Vi kørte et lille pilotprojekt, hvor vi glaserede nogle rejer, og vi fandt ud af, at vi godt kunne måle istykkelsen, som typisk er mellem en halv og en hel millimeter,” fortæller Simon Lehnskov Lange og fortsætter:
”Så blev vi enige om at forsøge os i lidt større skala. Vi tog et system med op til Royal Greenlands fabrik i Aalborg, hvor vi fik valideret teknologien og vist, at vi kan måle på rejer af alle mulige størrelser og typer – også under de forhold, der hersker på sådan en fabrik, hvor det f.eks. er ret koldt. Nu er vi i gang med at patentere metoden til at måle isglaseringstykkelser på fødevarer,” siger Simon Lehnskov Lange om resultaterne fra forskningsprojektet, der går under navnet GLAZE.
Fødevarer først i fokus
Måling af tykkelsen af is på rejer er blot én mulig anvendelse af teknologien. Terahertzstråling stoppes af metaller, flydende vand og vanddamp, men ellers kan den trænge igennem og måle tykkelsen af en mangfoldighed af materialer. Derfor kan teknologien også finde anvendelse i mange forskellige industrier, f.eks. til løbende kontrol af kvaliteten af overfladebehandlinger. Men først skal teknologien udvikles, så den er til at betale for virksomhederne.
Hvis det lykkes at udvikle et prisbilligt system, der mange gange i sekundet kan måle istykkelsen på rejer, der passerer forbi på et transportbånd, er Royal Greenland en sikker kunde. Og andre producenter vil så følge efter, håber Simon Lehnskov Lange:
”I første omgang kigger vi på inspektion af fødevarer, hvor vi nu er begyndt at kigge på andre anvendelser, f.eks. måling af tykkelsen af æggeskaller.”
En tyk æggeskal betyder et solidt æg, som kan holde til turen hele vejen ud til forbrugeren, eller som kan beskytte fosteret, til kyllingen er klækket. Mange æg går tabt, fordi skallen er for tynd.
Traditionelt har ægproducenter målt tykkelsen af æggeskaller ved at slå ægget ud og bruge en mikrometerskrue. Der findes også metoder, hvor man ikke behøver at ofre ægget, men hvor tykkelsen af skallen måles ved hjælp af akustiske metoder. Man kan få et mål for skaltykkelsen ved at slå ægget an og måle dets resonansfrekvens, eller man kan bruge ultralyd til en mere direkte måling.
Men disse målemetoder kræver direkte kontakt med ægget, og de tager tid og er besværlige. Med terahertzstråling kan man få en hurtigere, højteknologisk løsning, som fungerer uden direkte kontakt mellem måleinstrumentet og ægget.
Prisen skal ned
Men det varer lidt endnu, før teknologien fra DTU er klar til at komme på markedet, fortæller Simon Lehnskov Lange.
”Vi startede med et system, der kostede 1,5 mio. kr. Hvis vi skal have teknologien ind i fødevareindustrien, skal prisen på vores terahertzsystem meget længere ned. Så vi gav os til at kigge på, om vi kunne fremstille en billigere version ved at erstatte de dyreste komponenter med billigere udgaver baseret på velkendt halvlederteknologi,” siger Simon Lehnskov Lange, der uddyber:
”Nu arbejder vi på en demonstrationsmodel, der er meget mindre, og som er konstrueret på en måde, som gør den rentabel for virksomhederne, hvis vi kan få teknologien masseproduceret. Vi håber at have sådan en model klar til test sidst i 2021.”
I arbejdet frem mod en billigere og mere kompakt version får forskerne hjælp fra FORCE Technology, hvor Center for Anvendt Fotoniks rolle bl.a. er at sikre kommercialisering af dansk, fotonikbaseret teknologi.
Simon Lehnskov Lange husker stadig det første møde hos FORCE Technology, der efter at have hørt om idéen til terahertzmålingerne gav ham en udfordring, nemlig at måle tykkelsen på en vejstribe:
”Jeg gik hjem med et stykke vej, komplet med asfalt og vejstribe! I laboratoriet kørte jeg den under vores laser og fandt ud af, at vi godt kan måle tykkelsen af vejstriben – terahertzstrålingen kunne godt trænge igennem. Faktisk kunne vi både måle tykkelsen af striben og asfalten nedenunder.”
System på en chip
Det overbeviste FORCE Technology om, at DTU-forskerne havde fat i noget.
”Vi så en teknologi, hvor der er et kæmpe potentiale, og som kan være til gavn og nytte for industrien – ikke bare i Danmark, men på verdensplan,” siger Henrik Mertz, der leder centeret hos FORCE Technology.
”Vi har den erfaring og viden, der skal til for at udvikle prototyper. Vi er ikke optiske specialister som de ekstremt dygtige universitetsforskere, men vi forstår verden og problemstillingerne derude. Og vi kan transformere forskernes viden og idéer til noget, der er operationelt og anvendelsesorienteret,” fortsætter han.
Hos FORCE Technology dissekerer ingeniørerne DTU-systemet og identificerer de komponenter, der kan optimeres i forhold til at gøre det mere kompakt og især billigere. DTUforskerne får både hjælp til forretningsudvikling og gode råd til, hvordan et endeligt produkt skal skrues sammen og dokumenteres for at blive godkendt til salg, herunder CE-mærket. Desuden har FORCE Technology et bredt netværk ud til virksomheder, som måske kan bruge teknologien, så nye anvendelser kan komme i spil.
Selvom en fuldt funktionel demonstrationsmodel kan være klar allerede i år, er der et godt stykke vej endnu, før det højteknologiske måleinstrument for alvor er klar til masseproduktion. Men Simon Lehnskov Lange er optimistisk, og hans ambition lyder, at løsningen ender med at blive en ’system on a chip’:
”Vi håber på, at prisen på sigt kan komme under 1.000 euro. Og vi vil fortsætte med at udvikle systemet, så det bliver så kompakt, at det kan ligge på en fingernegl, med al teknologien integreret i en enkelt chip.”