Aanvankelijk beschouwd als ruimtespeeltje voor academici, ontwikkelt de nanosatelliet zich tot een instrument voor serieuze ruimtemissies. TU’s tweede satelliet, Delfi-n3Xt, is klaar voor de lancering.
Afgelopen voorjaar beleefde de eerste Delftse nanosatelliet Delfi-C3 haar ruimtelustrum. Het apparaat dat ongeveer zo groot is als een fors melkpak, werd op 28 april 2008 gelanceerd als vierde Nederlandse satelliet en is nu als enige nog actief. “In het begin dachten we: als ze het drie maanden volhoudt, is het mooi”, herinnert dr.ir. Chris Verhoeven (EWI) zich. Hij bouwde de elektronica voor de satelliet samen met studenten, die later het satellietbedrijf Isis zijn begonnen. Tot ieders verbazing bleek de ‘keiharde dame’ met smartphone-technologie goed bestand tegen het barre ruimteklimaat. Zo goed zelfs dat nanosatellieten nu kandidaat staan voor aardobservatiemissies en astronomische verkenningen, voor een fractie van de kosten van een gewone satellietmissie. Nanosatellieten worden de prijsvechters van de ruimtevaart.
Nanosatellieten zijn samengesteld uit één of meer frames van 10x10x10 centimeter (de kleinste heten cubesats) en bijpassende elektronische printplaten. Ze beschikken minimaal over bepaalde standaardfuncties zoals telecommunicatie, dataverwerking en -opslag en een voedingssysteem met zonnepanelen en accu’s. Daarnaast zijn er vaak specifieke sensoren of camera’s aan boord, afhankelijk van het doel van de vlucht. Zonnepanelen en antennes zijn vaak voorzien van een automatisch uitvouwsysteem. Ook voortstuwingssystemen zijn in ontwikkeling. De ontwikkelingstijd van een cubesat is zo’n twee jaar, meldt de website van het Europese QB50 project, en de hardwarekosten bedragen tussen de vijftigduizend en honderdduizend euro met uitschieters tot een half miljoen. Tot nu toe zijn er al ruim tweehonderd nanosatellieten in de ruimte gebracht en in de komende jaren komen daar naar schatting nog honderd tot honderdvijftig bij.
De opvolger
In de cleanroom bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek haalt projectleider Jasper
Bouwmeester behoedzaam de Delfi-n3Xt (spreek uit: Delfi-next) uit de stofvrije koker tevoorschijn. De tweede Delftse nanosatelliet was vorige zomer al klaar voor lancering, maar staat nu voor november op de lijst. Omdat de minisatellieten doorgaans meeliften met een grotere missie, hebben de opdrachtgevers weinig in te brengen wanneer de hoofdmissie uitgesteld wordt, of wanneer ze bij een ander satelliet worden ondergebracht. Voor de lancering worden Russische Dnepr-raketten ingezet – in de Koude Oorlog ontwikkeld om het Westen met kernkoppen te bestoken. Door het herhaalde uitstel moet Bouwmeester nu controleren of de accu nog voldoende lading heeft om straks in de ruimte op te kunnen starten.
Anders dan zijn voorganger zal Delfi-n3Xt straks niet meer stuurloos door de ruimte tollen. Wanneer de satelliet op ruim zeshonderd kilometer hoogte uitgezet wordt, gebeurt dat met een kleine draaiingsnelheid van ongeveer één omwenteling per minuut. Het op toeren brengen van reactiewielen in x,y en z-richting (zo groot als een twintig cent-muntje) moet de satelliet stabiliseren. Maar door het herhaaldelijk passeren van de polen (de satelliet rondt elke negentig minuten de aarde) krijgt de satelliet elke keer een zetje, dat telkens gecompenseerd moet worden. Daarnaast zijn er verstoringen door wrijving, variaties in gravitatie en zonnewind. Op een gegeven moment bereiken de compensatiewielen hun maximale toerental (dertigduizend per minuut) en wat dan? Dan klampt de satelliet zich met staafvormige elektromagneetjes (magneto-torquers) als het ware vast aan de veldlijnen van het aardmagnetisch veld zodat het toerental van de compensatiewielen teruggeregeld kan worden zonder dat de satelliet begint te tollen. Delfi-n3Xt zal zijn positie bepalen aan de hand van zonnesensoren (vier fotodiode’s waarop een slagschaduw valt) aan alle zijden en een magnetometer (een commercieel verkrijgbaar drie-assig digitaal kompas).
Doordat de satelliet (vrijwel) stil in zijn baan hangt, is naar verwachting het effect van de boordmotor goed te bepalen. TNO ontwikkelde in samenwerking met TU en Universiteit Twente een miniatuurversie van een koudgasmotor – een apparaatje zo groot als een blikje ansjovis met elektrische aansluitingen. De CGG (cold gas generator) bevat stikstofgas in vaste vorm. Een elektrische stroom maakt gas los dat druk opbouwt (tot 1,5 bar) in een reservoir. Een ventiel laat het gas door naar de stuwmond. Ondanks de bescheiden stuwkracht van het micropropulsiesysteem van 6 milliNewton (het gewicht van 0,6 milligram), verwachten de onderzoekers dat ze de positie van de satelliet ermee kunnen beïnvloeden.
Voortstuwing
Voortstuwing is een essentieel onderdeel van de volgende Delftse missie DelFFi, die onderdeel uitmaakt van het Europese QB50-project. In april 2015 worden binnen dat onderzoeksprogramma ruim vijftig cubesats naar driehonderd kilometer hoogte gelanceerd waar ze als zwerm twee maanden lang metingen zullen doen aan de atmosfeer, waarna ze terugvallen naar de aarde. De Delftse inzending is bijzonder omdat het twee satellieten betreft die voortstuwing gebruiken om op ongeveer duizend kilometer afstand op gelijke onderlinge positie te blijven. Het is met andere woorden ook een oefening in formatievliegen (vandaar die FF in de naam).
Ondertussen wordt er elders (onder meer bij TNO en de TU van Lausanne EPFL) gewerkt aan een ander voortstuwingssysteem dat het mogelijk zou moeten maken om over te steken naar de maan. Microthruster is een Europees project dat een miniatuurversie van een ionenmotor ontwikkelt. Ionen (afwisselend positief en negatief) worden uit een vloeistof getrokken, onder hoogspanning versneld en uitgestoten. De afmetingen zijn minuscuul: spuitmondjes van enkele microns (duizenden millimeters), nozzles van 0,15 millimeter doorsnee en een ensemble van 19 nozzles ter grootte van een overhemdknoopje.
Zo’n motor, met een stuwkracht van 0,1 milliNewton, kan een nanosatelliet naar de maan brengen, rekenen dr.ir. Chris Verhoeven (EWI) en ir. Steven Engelen (L&R) voor. Op 600 kilometer hoogte heeft de satelliet een snelheid van 7,5 km/seconde. De ontsnappingssnelheid bedraagt 11 km/s, dus er is 3,5 km/s extra nodig. Daar heeft de motor naar schatting negen maanden voor nodig (bij een massa van 750 gram). In die tijd wordt de aardbaan wijder en wijder totdat de satelliet in de aantrekkingsfeer van de maan belandt. Dan is het een kwestie van tijdig afremmen om niet langs de maan te schieten of er bovenop te knallen. Voor een eerste missie zegt Verhoeven dat laatste overigens geen slecht resultaat te zullen vinden.
Dark side of the moon
Eenmaal aan de overkant openen zich nieuwe perspectieven, zoals telecomexpert en radioastronoom dr.ir. Mark Bentum (UTwente en Astron) vertelt. Radioastronomen zouden dolgraag metingen willen doen in het frequentiegebied tussen 300 kHz en 30 MHz, omdat ze daar informatie verwachten aan te treffen over een onbekende periode (The Dark Ages) van het universum. Er is over die eerste vierhonderd miljoen jaar na de Big Bang weinig bekend, behalve dat er een overgang moet hebben plaatsgehad van een ondoorzichtig amorf geheel naar een transparante ruimte waarin slierten van materie zijn ontstaan en het eerste licht is ontstoken. Helaas valt het betreffende frequentiegebied vanwege extreme roodverschuiving precies samen met dat van duizenden radio- en tv-stations, dus verdrinkt ieder signaal in de kakofonie van de menselijke communicatie. Het project Olfar (Orbiting Low Frequency Antennas for Radio astronomy) wil daarom een zwerm van vijf tot vijftig nanosatellieten rondom en vooral achter de maan inzetten voor metingen aan die vroegste radiosignalen. Maar dat kan nog makkelijk tien jaar duren. “Elke nieuwe golflengte heeft ons beeld van het heelal veranderd”, vat Bentum samen. “Dat zal nu niet anders zijn.”
In de tussentijd werken onderzoekers gestaag door aan grotere antennes, reductie van stoorniveaus, boordnavigatie en communicatiesystemen. “Er is nog een lange weg te gaan”, vat Verhoeven samen. Nanosatellieten mogen de goedkoopste vorm van ruimtevaart zijn, voor een universiteit zijn het best dure projecten waar tientallen promovendi vol overgave aan werken.
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.