Klein maar fijn en in een baan om de aarde

Minisatelliet CubeSat heeft de toekomst. Het kleine formaat en vooral het lage gewicht maken het mogelijk om voor een zacht prijsje aan te haken bij een lancering.

Eind vorige maand vierde India een klein feestje. In het Satish Dhawan Space Center, aan de zuidoostkust, steeg een in eigen land gebouwde draagraket op die een zogeheten astronomische satelliet afleverde in een baan om de aarde. Astrosat is het eerste echte ruimte-observatorium dat India heeft gebouwd, met instrumenten die zichtbaar licht, ultraviolet licht en röntgenstraling waarnemen.

Op hetzelfde moment werd ook in het kantoor van Spire Global in San Francisco het glas geheven. Want met veel minder tamtam dan het 1650 kilo zware wetenschappelijke prestigeproject waren vier minisatellieten meegelift, niet veel groter dan een schoenendoos en maar vier kilo zwaar.

Lemur-2 Joel, Lemur-2 Peter, Lemur-2 Jeroen en Lemur-2 Chris zweven sindsdien in een baan om de aarde. Twee instrumenten aan boord van elke satelliet sturen gegevens over de atmosfeer naar Spire Global. Voor het jaar voorbij is, moeten ze daarboven met zijn twintigen zijn, en eind volgend jaar wil Spire meer dan honderd van die satellieten in de lucht hebben, zodat elke plaats op aarde er wel een paar in zicht heeft. De weergegevens zullen, zo hoopt het bedrijf, graag worden gekocht door overheden en bedrijven die meer details willen, en dus betere voorspellingen, dan door de huidige weersatellieten geleverd kunnen worden.

Anders dan je zou verwachten, is het bedrijf dat in zo'n hoog tempo satellieten lanceert geen miljardenonderneming. Spire is een startup die deze zomer bij durfinvesteerders 40 miljoen dollar ophaalde om deze klus te klaren. In 2013, toen het bedrijf nog Nanosatisfi heette, bouwde en lanceerde het zijn eerste satelliet, ArduSat, met geld dat was opgehaald op de crowfundingsite Kickstarter : nog net geen honderdduizend euro.

Dat het zo goedkoop kan, komt doordat ArduSat en de vorige maand gelanceerde Lemur-2 satellieten CubeSats zijn, minisatellieten met een standaardformaat en een standaardmanier om aan een raket vast te maken.

Op zijn kleinst is een CubeSat een vierkante doos van precies een liter (10x10x10 cm) en niet zwaarder dan 1,3 kilo. Wie wat meer techniek op die manier verpakt de ruimte in wil sturen, mag drie CubeSats aan elkaar koppelen. Het kleine formaat - en vooral het lage gewicht - maken het mogelijk om voor een zacht prijsje aan te haken bij een commerciële of wetenschappelijke lancering.

undefined

Grote voordelen

Oorspronkelijk waren CubeSats bedoeld voor het onderwijs. De standaard werd bedacht door Robert J. Twiggs van Stanford University, in 1999.

"In 2001 werd de eerste door studenten gebouwde CubeSat gelanceerd. Hier in Delft begonnen we er rond 2004 mee", vertelt Jasper Bouwmeester. Hij is program manager van de activiteiten van de TU Delft op dit gebied, die tot nu toe geleid hebben tot twee gelanceerde satellieten, Delfi-C3 (2008) en Delfi-n3Xt (2013). Zelf is Bouwmeester op zijn bijdrage aan de Delfi-C3 afgestudeerd.

Het bouwen van een CubeSat gaat gepaard met een lange rij compromissen. Niet alleen zijn de maximaal toegestane waarden van inhoud en gewicht keihard, maar als je eenmaal je lanceercontract hebt getekend, heb je ook geen enkele inspraak in wanneer en waar de satelliet terechtkomt. Dat bepaalt de primaire lading van de raket die hem meeneemt.

Maar daar staan grote voordelen tegenover, zegt Bouwmeester. Een grote wetenschappelijke satelliet kost honderden miljoenen euro's, voor de instrumenten daarvan neem je alleen techniek die zich absoluut bewezen heeft. "Aan het begin is die techniek dan al tien jaar oud, en bij de lancering hebben je boordcomputers twintig jaar jaar oude processors, niet te vergelijken met wat er in je smartphone zit. Als de lancering goedkoper is, kun je meer risico nemen, en dus de laatste technologie gebruiken", legt Bouwmeester uit.

Dat heeft het bedrijfsleven ook doorgekregen. Terwijl universiteiten nu elk jaar enkele tientallen CubeSats lanceren, stijgt het aantal commerciële minisatellieten in de ruimte razendsnel. Volgens de database die Michael Swartwout van Saint Louis University in de VS bijhoudt, zijn er nu 375 gelanceerd, waarvan er 190 nog om de aarde draaien, en 114 ook nog werken.

De 75 satellieten die het niet meer doen, zijn daarmee ruimteschroot geworden. Volgens Swartwout is dat niet zo'n probleem. Op zijn speciaal aan CubeSats gewijde website rekent hij voor dat hun aantal in het niet valt bij de meer dan 17.000 objecten van soortgelijk of groter formaat die rond de aarde draaien: satellieten en afgeworpen rakettrappen, maar ook brokstukken, ontstaan bij botsingen, ongelukken en zelfs experimenten met ruimte-oorlogvoering.

Naarmate het aantal CubeSats toeneemt, kan het wel een probleem worden. Om dat te voorkomen, houden de meeste CubeSat-bouwers zich aan de internationale regel dat een satelliet niet zomaar in een baan gebracht mag worden waar hij zonder ingrijpen langer dan 25 jaar blijft. Dat betekent in de praktijk dat die baan niet hoger mag zijn dan 650 kilometer. Daar is, hoe ijl ook, nog net voldoende atmosfeer om de satelliet op de lange duur af te remmen, zodat die dieper de atmosfeer induikt om door de wrijving met de lucht in rook op te gaan. Bouwmeester: "Ga je tussen de 650 en 800 kilometer zitten, dan duurt het eeuwen."

undefined

Formatievliegen

Op grotere hoogte zitten natuurlijk ook satellieten, maar die hebben iets wat de meeste CubeSats nu nog niet hebben: raketmotoren. Daarmee kunnen ze aan het eind van hun bestaan hun snelheid remmen en de atmosfeer induiken. Een eigen voortstuwing maakt het ook mogelijk dat een dure satelliet in een lagere baan daar juist langer in kan blijven: door de motor zo nu en dan aan te zetten, kun je het afremmen door botsing met luchtdeeltjes compenseren.

Dat kunnen CubeSats niet. Maar er wordt wel aan gewerkt. Want een voortstuwing maakt niet alleen kleine baancorrecties mogelijk, maar ook het compleet verplaatsen van een satelliet naar een andere baan, en bijvoorbeeld formatievliegen. Zaken die voor commerciële en wetenschappelijke doelen onmisbaar kunnen zijn.

Dat is de laatste horde die nog genomen moet worden. Als een motor net zo'n standaardaspect wordt voor CubeSats als omvang en gewicht, zijn deze minisatellieten echt volwaardige concurrenten geworden van hun grote broers.

Een CubeSat kun je geen gewone raketmotor aanmeten en een lading chemische brandstof meegeven om koerscorrecties te plegen, zegt Paulo Lozano, hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge in de VS. De motor is te zwaar, en je moet te veel brandstof meenemen.

Maar er is hoop voor de CubeSat-industrie: er zijn ook andere manieren om een ruimteschip voort te stuwen, die absurd weinig brandstof vragen. In Lozano's laboratorium is zo'n systeem ontwikkeld, vertelde hij eerder deze maand op een congres in Cambridge. Hij heeft het eerste werkende prototype onlangs bij de Nasa ingeleverd om te laten beoordelen voor toepassing in hun ruimtesondes. Het heet iEPS, wat staat voor ion Electrospray Propulsion Thruster.

Dit iEPS is een ionenaandrijving, die in plaats van verbrandingsgas, zoals een gewone raketmotor, ionen uitstoot, elektrisch geladen atomen. Dat ze geladen zijn, maakt het mogelijk ze met een elektrisch veld te versnellen en op die manier het ruimteschip uit te sturen, waarmee de raketmotor geboren is. En net als bij een raketmotor is dat waardoor je voortstuwing krijgt: actie is reactie, duw iets weg en je gaat zelf de andere kant op.

undefined

Enorm zuinig

Een iEPS past met gemak in een CubeSat-module, en dan is er nog ruimte voor een instrument over. En met maar 150 gram 'brandstof' (beter gezegd: grondstof voor ionen) kan zo'n CubeSat, als hij eenmaal met een gewone raket in een baan om de aarde gebracht is, genoeg snelheid winnen om zelfs aan de aantrekkingskracht van de aarde te ontsnappen en een interplanetaire reis maken.

Hoe kan dat? En als het kan, waarom worden er dan ook geen satellieten mee vanaf de aarde gelanceerd? De oplossing van dat raadsel is dat een met iEPS uitgeruste satelliet wel veel snelheid kan winnen met heel weinig brandstof, maar dat het wel lang duurt. De motor oefent maar weinig kracht uit. Op aarde is die kracht lang niet groot genoeg om een satelliet van een kilo van de grond te tillen, maar als die eenmaal in een baan om de aarde is, speelt dat geen rol meer. En daar kan het grote voordeel worden uitgebuit dat een ionen-aandrijving heeft: zijn enorme zuinigheid.

Die zuinigheid wordt bereikt doordat de ionenmotor zijn geladen deeltjes uitstoot met een veel grotere snelheid dan een gewone raketmotor. De regel 'actie is reactie' is in dat opzicht soepel: als je maar weinig materiaal wilt verbruiken, kun je dat compenseren door het weinige dat je wegduwt, met een heel hoge snelheid weg te duwen. Dat is wat een ionenmotor presteert.

Het principe is al vaker toegepast, onder andere in de aandrijving van de Nasa-missie Dawn, die op het ogenblik rondjes draait rond de planetoïde Ceres. Maar Dawn is zo groot als een flinke vrachtwagen en heeft drie uit de kluiten gewassen ionenmotoren aan boord die, hoe zuinig ook, aan de reis moesten beginnen met 425 kilo xenongas als brandstof. Voor een CubeSat moet het veel kleiner en veel zuiniger - en moeten de deeltjes dus nog sneller worden weggestuwd.

Dat bereikt iEPS door een truc die al bijna zo oud is als de ontdekking van de elektriciteit. Als een metalen staaf onder spanning staat ten opzichte van zijn omgeving, staat er een elektrisch veld omheen. Als die staaf een scherpe punt heeft, is de sterkte van het veld bij die punt vanzelf het grootst. Daarom hebben bliksemafleiders scherpe punten: dat maakt de kans het grootst dat een bliksemflits daar terechtkomt, en niet elders op het dak.

In iEPS bestaat de 'brandstof' uit een speciale zoutoplossing. Die stroomt uit een opslagtank naar een ruimte waar een elektrisch veld staat, via heel kleine spuitmondjes. Die vormen op zich al scherpe punten, waar het elektrische veld goed vat op kan krijgen. Maar bovendien gaan de moleculen van het zout bovenaan de spuitmondjes zelf nog in een piramidevorm staan, waarmee een punt ontstaat die zelfs op moleculair niveau nog scherp is. Dat levert bij elke punt een enorme veldsterkte op, die atomen uit de zoutoplossing trekt en een enorme snelheid geeft. Via gaten aan de andere kant van die ionisatie- en versnellingsruimte ontsnappen ze naar buiten.

Een groot voordeel van de gekozen techniek is volgens Lozano dat er helemaal geen pompen of zuigers aan te pas komen om het zout door de spuitmondjes te krijgen. In de kleine kanaaltjes trekken moleculaire krachten het er vanzelf doorheen, net zoals heet kaarsvet vanzelf door de pit omhooggaat naarmate het bovenaan de kaars verbrandt. De spuitmondjes kunnen met chip-technieken worden gefabriceerd. Zo blijft de motor klein, wat betekent dat je makkelijk meerdere exemplaren ervan naast elkaar in een satelliet kunt zetten als je een krachtiger motor nodig hebt.

Lozano: "Met acht modules kunnen we een satelliet van 600 naar 800 kilometer brengen, of hem juist uit zijn baan halen. We kunnen dus opeens op veel meer plaatsen komen. Tien jaar geleden maakten we CubeSats en waren we al blij als ze Spoetnik-achtige dingen konden doen: om de aarde draaien en 'bliep bliep' uitzenden."

"Ooit moesten we lachen om het idee van een 'personal computer', dat was een tegenspraak. Nu heeft iedereen er een. In de ruimte is hetzelfde aan het gebeuren."

undefined

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden