Toen het MIR-ruimtestation in 2001 boven de Grote Oceaan in de dampkring uiteenviel, was berekend dat de brokstukken zich over een enorm gebied zouden uitspreiden – zo’n vijftienhonderd kilometer lang en ongeveer honderd kilometer breed. ‘Als deze gecontroleerde terugkeer door een technische fout boven Europa zou hebben plaatsgevonden, dan had je een heel land moeten evacueren,’ zegt Stefano Speretta, universitair docent in de Space Systems Engineering-groep aan de TU Delft. ‘Kleine variaties in de dichtheid van de dampkring leiden tot relatief grote onzekerheden in waar voorwerpen uit de ruimte neer zullen komen. Deze variaties zijn het gevolg van natuurlijke luchtstromingen.’ Met behulp van ballonnen en onderzoeksraketten hebben wetenschappers de dichtheid in de onderste lagen van de dampkring al goed in kaart weten te brengen. En op grote hoogte leveren operationele satellieten al heel lang informatie hierover. Over het gebied tussen honderd en driehonderd kilometer hoogte is echter nog maar weinig bekend. Dankzij ontwikkelingen op het gebied van nanosatelliet-technologie is het nu mogelijk, en betaalbaar, om ook hier met grote nauwkeurigheid de dichtheid te meten.

Zo klein als een colablikje

Toen nanosatellieten nog maar net in opkomst waren, was men al tevreden met aantonen dat ze werken en dat je er iets nuttigs mee kan doen. Maar nu er meer dan duizend van zulke satellieten zijn gelanceerd, hebben ze bewezen dat ze voor echte wetenschappelijke uitdagingen ingezet kunnen worden. Speretta heeft aan zo’n vijfentwintig van deze missies bijgedragen. Met zijn can do-ingenieursmentaliteit weet hij hoe je het uiterste uit deze technologie kan halen om zo belangrijke wetenschappelijke vragen te helpen beantwoorden. ‘We werken aan een concept waarbij satellieten elkaar door de aardatmosfeer achternajagen,’ zegt hij. ‘Door continue luchtweerstand zullen ze in drie tot zes maanden tijd naar een steeds lagere omloopbaan rond de aarde vervallen. Deze luchtweerstand, en daarmee hun luchtsnelheid, is direct gerelateerd aan de dichtheid van de dampkring.’ Bij gebruik van grote, dure satellieten zouden deze over een vorm van voortstuwing moeten beschikken om hun verval af te remmen en zodoende langer data te kunnen verzamelen. De satellieten die Speretta wil gebruiken zijn zo klein als een colablikje en opgebouwd uit commercieel verkrijgbare elektronica. ‘Het kost heel weinig om ze te bouwen en te lanceren,’ zegt hij. ‘We kunnen meerdere koppels na elkaar lanceren en daarmee de dampkring over een veel langere tijdspanne in kaart brengen. De kosten hiervan zijn ook nog eens veel lager.’

Als een elastiekje

Hier op aarde zou een enkele satelliet volstaan omdat de absolute positie en snelheid daarvan met behulp van het Global Positioning System (GPS) kunnen worden bepaald. Maar als groot fan van Star Trek heeft Speretta altijd een oogje op deep space. ‘Op een andere planeet, zoals Mars, beschik je niet over een GPS-systeem voor absolute plaatsbepaling. Als je twee satellieten gebruikt, of meerdere koppels, dan is hun onderlinge afstand het enige dat je moet weten. Deze kan met een radioverbinding gemeten worden of met gebruik van een laser en spiegels.’ Voor een goede communicatie en coördinatie tussen de twee satellieten moeten ze een redelijke afstand tot elkaar bewaren, ergens tussen de tien en vijftig kilometer. De satelliet met een te hoge snelheid kan bijvoorbeeld zijn stand ten opzichte van de bewegingsrichting aanpassen, waardoor de luchtweerstand toeneemt en hij afgeremd wordt. Als deze vervolgens te dichtbij komt, dan kunnen de satellieten van strategie ruilen. ‘Het is alsof ze met een elastiekje met elkaar verbonden zijn,’ zegt Speretta. ‘We willen dat de satellieten volledig autonoom handelen wat betreft het afstemmen van hun onderlinge afstand. Zelfs hier op aarde zal menselijk ingrijpen mogelijk te veel tijd vergen, laat staan als ze op grote afstand worden ingezet in de dampkring van een andere planeet.’

Veel kleine satellieten voor groot onderzoek

Het concept van achter elkaar aanjagende satellieten is een goed voorbeeld van wat een gedistribueerd systeem heet. Dit is de volgende grote stap in de ontwikkeling van technologie voor aardobservatie- en deep space-onderzoek en een specialiteit van Speretta. Grote systemen, zoals de ruimtetelescoop Hubble, hebben hun plekje in de ruimte meer dan verdiend omdat ze over unieke eigenschappen beschikken, zoals een zeer hoge resolutie. Maar omdat ze het niet mogen begeven, moet er veel redundantie ingebouwd worden. Dit vergroot de complexiteit, de kosten en de ontwikkeltijd. ‘Een pas gelanceerde grote satelliet kan wel eens afhankelijk zijn van technologie die twintig jaar oud is,’ zegt Speretta. Het alternatief is om de instrumenten en taken te verdelen over meerdere, veel kleinere satellieten, waarbij je er zelfs van uitgaat dat enkele hiervan zullen uitvallen. De satellieten in zo’n gedistribueerd systeem moeten hun formatie kunnen behouden omdat dit de “stereo-visie” oplevert die zo belangrijk is bij tal van ruimtetoepassingen – van geolocatie tot radioastronomie. Omdat de taken en het risico worden gespreid, kan elke satelliet afzonderlijk veel simpeler, kleiner en goedkoper zijn waardoor de ontwikkeltijd veel korter is. ‘We kunnen elke een, twee jaar een nieuwe generatie instrumenten bouwen en lanceren, waarbij we gebruik maken van de nieuwste technologie,’ zegt Speretta. Hij betrekt graag studenten bij deze ontwikkelingen zodat ze broodnodige praktische ervaring op kunnen doen. ‘Een masteropleiding duurt twee jaar, dus kunnen ze in principe een hele ontwerpcyclus meemaken. En het beste? Hun ideeën reiken tot in de ruimte!’