Stel je voor dat je een satelliet van het formaat broekzak de ruimte in kunt schieten. Dat zorgt niet alleen voor een goedkopere lancering, maar biedt ook de mogelijkheid om een hele zwerm satellieten samen te laten werken. Zo’n zwerm geeft een beter beeld over de straling in de ruimte en over de atmosfeer op aarde. Daarnaast zou zo’n minisatelliet kunnen aantonen dat technologie op hele kleine schaal kan functioneren in de ruimte. Begin januari 2022 is de minisatelliet van het team van Alessandra Menicucci gelanceerd met een Falcon 9 raket in de Transporter-3 missie van SpaceX vanaf Cape Canaveral. Het team hoopt hiermee een van de kleinste satellieten ter wereld in de ruimte tot leven te wekken.
“Het begint allemaal wanneer onze satelliet de ruimte in komt. Dan wordt onze baby geboren. Het moment dat je een baby hoort huilen, is het beste moment van je leven. Wij hopen dat onze mini een “beeb” geluid laat horen. Dat is iets wat onze satelliet helemaal zelf moet gaan doen en waarbij we helaas niet kunnen helpen. Net als een baby moet hij als het ware zelf gaan ademen. Dat wordt superspannend voor ons”, zegt Alessandra Menicucci, projectleidster van de satelliet die ongeveer de helft kleiner is dan zijn broers. En die waren al niet groter dan een melkpak. De een heet DelfiC3, is nu 12,5 jaar in de ruimte en leeft nog steeds. Met de ander, de Delfi N3xt, die in 2013 de ruimte in ging, is het contact recent weer hersteld.
Zwerm
Het belangrijkste voordeel van mini-satellieten, ten opzicht van de traditionele satellieten, is dat ze in een zwerm samen kunnen werken om metingen te doen waar grote exemplaren simpelweg niet toe in staat zijn. Dat is mogelijk, omdat kleintjes ten eerste veel minder kosten, waardoor ze met tientallen of zelfs honderdtallen te lanceren zijn. Ten tweede kunnen meerdere satellieten vanaf meerdere locaties waarnemingen doen en gezamenlijk data verzamelen en verwerken. Daardoor krijgen onderzoekers een beter beeld over bijvoorbeeld de straling in de ruimte of de atmosfeer van de aarde. Met solistische satellieten gaat dat minder goed, omdat ze moeizamer samenwerken, met verschillende systemen metingen doen en omdat de data die ze verzamelen niet compatibel zijn.
Een ideale toepassing zou het bepalen van klimaatverandering zijn. “Mijn droom met deze satelliet is om de dichtheid van de dampkring te meten in het gebied tussen de honderd en driehonderd kilometer hoogte. Daar is nu nog weinig over bekend”, zegt Stefano Speretta, universitair docent in de Space Systems Engineering-groep. “Met een zwerm van honderd mini-satellieten zou je de hoeveelheid weerstand die elke satelliet ervaart kunnen bepalen. Die weerstand zegt iets over de dichtheid van de atmosfeer en daarmee iets over de klimaatverandering. Dankzij de miniaturisatie is dit onderzoek nu niet alleen mogelijk, maar ook betaalbaar en nauwkeurig”.
Een belangrijk doel van de superkleine satelliet is het aantonen dat technologie űberhaupt op zo’n super kleine schaal kan functioneren in de ruimte. En daarnaast dat de satelliet vanaf de aarde te volgen is en onderscheiden kan worden van ruimtepuin. Een groot voordeel is de veel kortere ontwikkeltijd dan die van grote exemplaren, waarin soms technologie van twintig jaar oud zit. “We kunnen elke één, twee jaar een nieuwe generatie instrumenten bouwen en lanceren, waarbij we gebruik maken van de nieuwste technologie,’ zegt Speretta. Mogelijk spelen satellietzwermen in de toekomst zelfs een rol bij supersnelle draadloze breedbandverbindingen.
Stressvol
Het moeilijkst aan het bouwen van zo’n kleine satelliet is dat er nauwelijks ervaring mee is. De onderzoekers deden alles voor het eerst en maakten alles zelf. “Elk stukje wat we bouwden, bestond nog niet eerder”, zegt Sevket Uludag, die zowel de elektronica als de mechanica voor z’n rekening nam. De grootste uitdaging is dat de Delfi-PQ maar 5 bij 5 bij 18 centimeter groot is. Alle systemen aan boord die ervoor zorgen dat de satelliet kan functioneren in de ruimte, denk aan antennes, hoogtemeters, en energievoorziening, zijn kleiner dan bij een normale satelliet. Normaal maken onderzoekers gebruik van systemen die op de plank liggen, maar nu maken ze alles zelf: van printplaatjes tot micro propulsiesysteem, van reflectoren tot communicatiesysteem. “Het is alsof je voor een Bonsai boom zorgt; je wil alles kleiner laten groeien”, zegt Sevket.
Zijn teamgenoot Alessandra vult aan: “Ik was gewend om aan veel grotere satellieten te werken”. Voordat ze bij de TU Delft kwam, werkte ze aan bijna alle missies van het Europese Ruimteagentschap. “Ik dacht bij mezelf: ben ik wel in staat om met een klein team een betrouwbare pocket cube te bouwen binnen een bepaalde tijd?” Haar college Uludag vervolgt: “Bij normale satellietontwikkeling is er ten minste één persoon verantwoordelijk voor elk systeem. Onze Delfi-PQ heeft maar liefst 14 systemen, terwijl we daar maar met een team van drie personen aan werken. Daarom was het zo stressvol. We ontwierpen niet alleen, we bouwden de satelliet ook met onze eigen handen. Vanwege Covid-19 moesten we dat in ons laboratorium thuis doen in plaats van op de universiteit. Ik denk dat we er met ons team wel 12 uur per dag aan hebben gewerkt. Daarom heb ik de namen van alle teamleden piepklein ergens binnenin de satelliet geschreven”.
In de toekomst verwachten de onderzoekers dat de bouw nog sneller zal gaan. “Als we vertrouwen hebben in ons ontwerp, dan kunnen we studenten dit soort mini-satellieten laten bouwen. We hebben dit project gedaan voor alle Luchtvaart- en Ruimtevaartingenieurs van de toekomst”, besluit Alessandra.
Uitdaging
De grootste technische uitdaging bij de miniaturisatie is de energievoorziening. “We moesten elektriciteit genereren zodat onze satelliet kan leven. Dat alleen al kostte ons twee jaar, omdat de onderdelen nog niet bestonden”, zegt Sevket. Inmiddels bevindt zich een batterij aan boord en zijn de meest efficiënte zonnecellen gebouwd en bevestigd. Een andere moeilijkheid was dat het team nauwelijks kon leren van de vorige satelliet, met de in 2013 gelanceerde DelfiN3xt was lange tijd geen contact mogelijk. Wel konden ze leren van testen, al bleek dat ook ingewikkeld tijdens de pandemie. “De vibratie-test is een test om te bewijzen dat je satelliet niet in stukjes breekt. Tijdens de zomer van 2020 was Delft een gebied met veel Covid-19 besmettingen en mochten we eerst niet naar de testfaciliteit in Hengelo rijden. Uiteindelijk kregen we toestemming. Na een lange autorit waren we bang dat de Delfi-PQ kapot zou gaan. Maar dat gebeurde gelukkig niet. We vierden het ter plekke en waren superblij”, herinnert Alessandra zich.
Ook is het nog een technische vraag of zo’n kleine satelliet wel te volgen is vanaf de aarde en dus niet verward wordt met een stuk ruimtepuin. Stefano: “Onze satelliet heeft een stukje glas, zodat hij lasers vanaf de grond kan reflecteren. Op die manier weten ze op aarde waar een satelliet zich in de ruimte bevindt. Al zal dat nog een paar maanden duren om de Delfi-PQ te vinden. Het is enorm druk in de ruimte”.
Gemotiveerd
Op 13 januari 2022 is het dan zover. De kleinste satelliet ter wereld is gelanceerd door SpaceX vanaf Cape Canaveral. Eigenlijk zou de DelfiPQ eind 2018 al omhoog gaan, maar toen ging de bouwer van de raket Vector R failliet. “Dat was erg frustrerend voor het team”, zegt Alessandra. “Elke raket vraagt om veel specificaties: je moet zorgen dat je satelliet aan veel specifieke eisen voldoet. Gelukkig diende zich een andere mogelijkheid aan, met een andere raket. Eigenlijk waren we ons nog aan het herstellen van de teleurstelling. We vroegen ons zelfs af of we deze nieuwe kans wel moesten pakken. Uiteindelijk gingen we ervoor: we waren enorm gemotiveerd om deze mini-satelliet te lanceren!” En op 14 januari volgde meer goed nieuws. Om 11.21 uur Europese tijd kreeg het team contact met DelfiPQ. De baby is geboren.
