Nauwkeuriger voorspellen van bijna-satellietbotsingen dankzij de DelftBlue supercomputer
De minieme luchtweerstand tot 600 km hoogte beïnvloedt de nauwkeurigheid waarmee (bijna-)botsingen tussen satellieten kunnen worden voorspeld. Rens van der Zwaard bereidde met de DelftBlue supercomputer een experiment met twee vrijwel identieke satellieten voor om zo tot veel nauwkeuriger voorspellingen te komen.
Eindeloos als de ruimte is, er zijn nu al zoveel satellieten dat bijna-botsingen regelmatig voorkomen. In het slechtste scenario zet een werkelijke botsing een kettingreactie tot steeds meer ruimtepuin in gang waardoor de ruimte uiteindelijk onbereikbaar wordt. Om dit te voorkomen, krijgen beheerders van stuurbare satellieten een paar dagen van tevoren een waarschuwing op basis van door de US Space Force uitgevoerde berekeningen – waarna ze spaarzame satellietbrandstof (kunnen) moeten gebruiken voor een koerscorrectie.
Behalve variaties in de zwaartekracht en de zonstraling speelt, onder 600 km hoogte, ook de luchtweerstand een belangrijke rol bij het voorspellen van de baan – en daarmee de botsingskans – van een satelliet. ‘Bij die luchtweerstand speelt een zogenoemde energie-accommodatiecoëfficiënt een belangrijke rol. Dat is een maat voor hoe het momentum van de luchtdeeltjes op de satelliet wordt overgedragen,’ zegt Rens van der Zwaard, promovendus bij Space Systems Engineering. ‘Met mijn onderzoek wil ik specifiek de onzekerheid in die coëfficiënt verkleinen. Hierdoor zullen er minder koerscorrecties nodig zijn waardoor satellieten langer meegaan. Ook kunnen we zo veilig méér satellieten lanceren.’
Omdat het een eenmalig uit te voeren experiment met twee satellieten betreft, is het heel belangrijk om de missie-parameters optimaal te kiezen
Te snel voor een windtunnel
Het probleem is dat deeltjes op die hoogte met een snelheid van 7 km per seconde in een bijna-vacuüm op de satelliet inslaan. Dat is op aarde niet in een windtunnel na te bootsen. ‘Mijn opdracht was om een experiment met twee mini-satellieten te ontwerpen waarmee we deze coëfficiënt nauwkeurig zouden kunnen bepalen.’
Er was al snel besloten dat de twee satellietjes (van 5x5x15 cm3) in formatie zouden vliegen en alleen in vorm van elkaar moesten verschillen. Maar omdat het een eenmalig uit te voeren experiment betreft, is het heel belangrijk om de overige missie-parameters optimaal te kiezen. ‘De in de satellieten in te bouwen meetapparatuur, hun massa, de baan van de satellieten, hun optimale vorm en stand ten opzichte van die baan. Ik wilde dus naar zoveel mogelijk verschillende missies kijken.’
DelftBlue to the rescue
Om één van zijn satellieten een dag lang (virtueel) te laten vliegen zou zijn laptop zo’n vier uur rekentijd nodig hebben. Met de variatie in alle andere factoren erbij zou de totale rekentijd echter wel duizend keer hoger liggen. ‘Toen ik in 2022 met mijn promotie begon, was DelftBlue net in gebruik genomen. Ik had al snel door dat ik die zou gaan gebruiken – dat dit mijn aanvliegroute naar het variëren van missieparameters mogelijk maakte.’
Het grote voordeel van een supercomputer is natuurlijk dat je rekenprocessen kunt parallelliseren. Zo knipte Rens zijn berekeningen in honderden kleine jobs (rekentaken) van een paar uur rekentijd op die na ongeveer een week allemaal afgerond waren. ‘Dat heb ik meerdere keren gedaan. Soms doordat ik een fout in mijn code vond, vaker door verdere verbeteringen aan mijn modellen.’
Het DelftBlue ondersteuningsteam stelt zich echt ten dienste van de onderzoeker op
Miljoenen bestanden
Op een gegeven moment ontving Rens een mailtje van het DelftBlue ondersteuningsteam. ‘Mijn jobs bleken het bestandssysteem van DelftBlue flink te belasten,’ zegt hij. ‘Bij elke job schreef ik misschien wel een half miljoen bestanden met allerlei parameters weg. Ik dacht dat ik op het matje werd geroepen, maar het was puur interesse. Ze wilden begrijpen wat ik deed en zo mogelijk het systeem op basis daarvan verder verbeteren.’
Een student computerwetenschappen die onderzoek deed naar het bestandssysteem van DelftBlue kwam samen met zijn afstudeerbegeleider bij Rens om de tafel zitten. ‘Zij hebben advies gegeven om het ophalen en schrijven van bestanden efficiënter aan te pakken. De aanpassingen zorgden voor veel minder belasting voor het bestandssysteem en zorgden er bovendien voor dat mijn jobs ietsje sneller afgerond waren.’
Dit opsplitsen en daarna aanvragen van rekentijd op losse CPUs, in plaats van hele nodes, verkort sowieso de wachttijd voordat de job start omdat de scheduler deze aan vrije ruimte op deels gevulde nodes kan toewijzen. DelftBlue biedt bovendien sinds 1 september een aparte rekenpartitie aan voor kleine GPU-jobs met een rekentijd tot vier uur, wat met name handig is als je een rekenmodel nog aan ontwikkelen bent. Er zijn ook CPUs gereserveerd voor jobs van maximaal 4 uur of 24 uur. Gebruikers kunnen zo hun wachttijd verkorten door een slimme runtime te kiezen.
Cursus voor gevorderden
Niets dan lof dus van Rens over het DelftBlue ondersteuningsteam. ‘Ze stellen zich echt ten dienste van de onderzoeker op. Ook de documentatie is prima. Ik had al wat ervaring met het gebruiken van externe servers, maar DelftBlue werkt echt superfijn.’ Wel zou hij nog graag een cursus voor wat meer gevorderde gebruikers zien, met tips over het parallelliseren van processen en hoe het bestandssysteem werkt. ‘Nu kom je daar eigenlijk pas achter als je ergens tegenaan loopt.’
Op naar lancering
Het goede nieuws na al het rekenwerk is dat het optimale ontwerp van de twee satellieten binnen de bandbreedte valt van wat ze op Rens’ afdeling zelf kunnen ontwikkelen. Dat is inclusief een GPS-sensor waarmee ze de baan van de satellieten tot op de benodigde tien centimeter nauwkeurig kunnen bepalen. Daar staat tegenover dat hij niet verwacht de lancering nog binnen zijn PhD mee te maken. ‘Volgens de nominale planning worden de satellieten aan het einde van mijn PhD gelanceerd. In de ruimtevaart is dat een flexibel begrip.’
Ondertussen heeft hij nog meer taken voor DelftBlue. Zo gaat hij doorrekenen wat een verbeterde waarde voor die energie-accommodatiecoëfficiënt precies betekent wat betreft de onzekerheid in het voorspellen van (bijna-)botsingen tussen satellieten. Daarnaast wil hij berekeningen doen aan bestaande satellieten die al eenzelfde GPS-sensor hebben, om ook daarmee de onzekerheid in die coëfficiënt te verkleinen. ‘Ik blijf DelftBlue zeker tot het einde van mijn PhD gebruiken.
Ik blijf DelftBlue zeker tot het einde van mijn PhD gebruiken
