Aardobservatie: onze planeet in beeld

TNO heeft al meer dan 35 jaar ervaring in het ontwerpen en vervaardigen van instrumenten voor aardobservatie. Miniaturisatie van deze technologie maakt het mogelijk om satellieten en instrumenten kleiner en goedkoper te maken en ze sneller te produceren. Door lagere kosten en een snellere time-to-market komt de ontwikkeling van satellieten binnen het bereik van nieuwe spelers: nationale overheden, bedrijven en niet-gouvernementele organisaties. Zij krijgen hierdoor nieuwe kansen en toegang tot unieke data. Met de komst van kleine satellieten komen nieuwe missieconcepten binnen handbereik, bijvoorbeeld door de kleine satellieten in constellaties te laten vliegen, waardoor ze een betere dekking van het aardoppervlak geven dan één grote satelliet. Ook kan de innovatiesnelheid omhoog door versneld technologiedemonstraties te geven in de ruimte, zoals TNO heeft laten zien met de PEASSS-satelliet.

TNO werkt aan de ontwikkeling van verschillende families van instrumenten (<10 kg) voor aardobservatie:

• Spectrolite: een instrument dat gebruikt kan worden om luchtvervuiling (bijvoorbeeld NO2, SO2) en broeikasgassen (bijvoorbeeld CH4 en CO2) te meten, gebaseerd op technologie in het toonaangevende TROPOMI-satellietinstrument
• HIGS: een nieuw type instrument om luchtvervuiling en broeikasgassen te meten met een nog compactere technologie, en de mogelijkheid direct een tweedimensionale afbeelding van de verontreiniging te maken (‘imaging’)
• HIRIS: een instrument om met hoge precisie watervervuiling te meten voor wetenschappelijke en commerciële doeleinden.

Al deze instrumentfamilies zijn zodanig ontworpen dat ze eenvoudig geschikt zijn te maken voor verschillende toepassingen, bijvoorbeeld het meten van verschillende typen gassen en verschillende grondresoluties. Dit voorkomt dat voor iedere toepassing een relatief duur, uniek ontwikkeltraject nodig is. Dankzij TNO’s kennis van satellietdatatoepassingen is het mogelijk om geïntegreerde toepassingen te ontwerpen, van informatieproduct tot instrument/

Satellietcommunicatie is een van de grootste markten in de ruimtevaart. Optische communicatie is een technologie die veel potentie heeft om in de toekomst breedbandcommunicatie beschikbaar te maken. TNO is een topspeler in het ontwikkelen van satellietcommunicatiesystemen. Speciaal voor de markt voor kleine satellieten ontwikkelen we de CubeCat-satellietterminal in samenwerking met Hyperion Technologies.

Hiernaast werkt TNO aan het ontwikkelen van radiofrequentie (RF)-communicatiesystemen voor kleine satellieten.

Aardobservatie met kleine satellieten biedt overheden en bedrijven de kans om nieuwe data te verzamelen. We komen graag in contact met partijen om hun databehoefte te leren kennen en te onderzoeken hoe we daarin kunnen voorzien met onze kennis en technologie. Wij bieden daarbij een integrale aanpak voor instrumentontwikkeling en dataverwerking.

TNO ontwikkelt oplossingen voor atmosfeermonitoring waarmee beleidsmakers en industriële stakeholders kunnen beschikken over informatie op basis waarvan zij actie kunnen ondernemen om uitstoot te beperken. Satellietgegevens hebben een hoge toegevoegde waarde doordat zij het resultaat zijn van wereldwijde, onafhankelijke en frequente (meestal dagelijkse) metingen.Bovendien omvatten zij gegevens over gebieden waar metingen in situ niet mogelijk zijn. TNO ontwikkelt satellietmeetoplossingen voor alle relevante broeikasgassen (bijv. CO2 en CH4) en vormen van luchtvervuiling (bijv. NO2 en aerosolen). Hierbij maken we gebruik van een combinatie van:

• Satellietgegevens met een grote ruimtelijke dekking (bijv. TROPOMI, MODIS, CrIS en IASI)
• Het LOTOS EUROS-model voor atmosferisch transport en chemie, dat vervuiling kan voorspellen op locaties en tijdstippen waarvoor geen gegevens beschikbaar zijn
• In situ metingen.

Wij doen dit op basis van meer dan 40 jaar ervaring met het adviseren van de Nederlandse overheid en de Europese Commissie (bijvoorbeeld in het kader van het CO2 Monitoring Task Force  en standaardisatiewerk voor de EU met betrekking tot fijnstof).

TNO beschikt over de capaciteit om alle relevante broeikasgassen en vormen van luchtvervuiling te monitoren. Wij ontwikkelen oplossingen die kunnen worden overgedragen naar onze partners binnen de overheid en industrie voor operationeel of commercieel gebruik.

Voorbeelden van TNO-toepassingen zijn:

• Monitoring van de luchtkwaliteit in stedelijke gebieden op basis van LOTOS-EUROS en gegevens van het satellietinstrument TROPOMI (S&T, Airbus Defence & Space Netherlands)
• Monitoring van methaanuitstoot door de olie- en gasindustrie en de steenkoolmijnbouw op basis van TROPOMI-gegevens, in samenwerking met partners (SRON, VU, EDF, Shell, Airbus Defense & Space Netherlands)
• Het brontoewijzingssysteem TOPAS, waarmee vervuiling kan worden toegewezen aan sectoren (bijv. transport, landbouw, industrie) en geografische locaties (bijv. een stad, provincie of land)
• Monitoring van de emissie van ammoniak (NH3) voor Europese landen
• Stofstormvoorspelling in het kader van het Sand and Dust Storm Warning Advisory and Assessment System (SDS-WAS) voor de Wereld Meteorologische Organisatie (WMO).
• TNO ontwikkelt broeikasgasemissie-inventarissen op nationale schaal voor CoCO2, de pan-Europese inspanning om een prototype te bouwen van een systeem om kooldioxide (CO2)-emissies wereldwijd te monitoren en verifiëren, ter ondersteuning van het akkoord van Parijs

Aardobservatiegegevens zijn van grote waarde voor het aanpakken van een groot aantal maatschappelijke uitdagingen en het realiseren van zakelijke en economische groei. Als multidisciplinaire organisatie bevindt TNO zich in een unieke positie om domeinkennis uit veel verschillende vakgebieden te combineren in de toepassing van satellietdata. Denk hierbij aan bouwkunde, infrastructuur, maritiem onderzoek, defensie, energie, gezondheid en verkeer & transport.

Voorbeelden zijn:

• Het gebruik van EO-radargegevens (InSAR) voor het monitoren van geothermische energie, gasopslag of koolwaterstofproductie
• Het combineren van grote satellietdatasets om de locatie en werking van microgrids te optimaliseren

In veel gevallen moeten op het instrument toegespitste kalibratiefaciliteiten worden ontworpen en gebouwd. TNO heeft diverse optische faciliteiten ontwikkeld waarmee kennis wordt opgebouwd van het gedrag van het instrument. De voornaamste kalibratiemetingen die worden uitgevoerd zijn:

• radiometrisch op basis van kalibratienormen (NIST) en speciale bronnen (zonnesimulator),
• polarisatie met behulp van een lage stralingsbron,
• golflengtekalibratie met behulp van een of meer spectrale lijnbronnen en lasers,
• lichtsplitsing met behulp van een speciale faciliteit,
• strooilicht met behulp van monochromatische bronnen,
• meting van het gezichtsveld met behulp van narrow field-bronnen (sterrenlichtbron)

Veel karakteristieken zijn afhankelijk van de omgeving waarin het wordt gebruikt. Bij ruimte-instrumenten is dit een vacuüm binnen een bepaald temperatuurbereik en bij nul zwaartekracht. TNO maakt gebruik van een speciale Thermisch Vacuümkamer in het Van Leeuwenhoek Laboratorium in Delft.

Eén van de meest uitgebreide kalibratiecampagnes binnen TNO was GOME-2. De metingen namen meer dan vijf maanden in beslag. In die periode werd het instrument gekalibreerd bij drie verschillende optische banktemperaturen en twee verschillende sensortemperaturen. Er werd in het bijzonder aandacht besteed aan de radiometrische kalibratie en de karakterisering van de lichtsplitsing.

Voor de radiometrisch kalibratie werden NASA en de NPL gevraagd hun bronnen te kalibreren naast die van TNO. De lichtsplitsing werd gemeten met behulp van een verbeterde methode. Dankzij de verbeterde kennis kunnen wetenschappelijke producten nu veel beter worden verkregen. TNO werkte daarnaast samen met wetenschappers aan de Universiteit van Bremen tijdens een drieweekse metingscampagne met hun Cat-Gas-inrichting. Hiermee 'keek' het instrument naar een beheerste atmosferische conditie om het gedrag te bepalen voor verschillende atmosfeersamenstellingen. Deze metingen worden gebruikt voor ophaalalgoritmen.

Diffusoren vormen het centrale onderdeel in de radiometrische kalibratie van het instrument. In de ruimte maakt het instrument gebruik van de diffusor om naar de zon te kijken en zo de intensiteit van zonnestraling te gebruiken voor absolute kalibratie. De nauwkeurigheid van de kalibratie wordt vooral bepaald door de nauwkeurigheid van de karakterisering van de diffusor.

Bij de on-ground kalibratie van SCIAMACHY trad een onverwacht ruisachtig effect op in het spectrum bij gebruik van de diffusor. Er werd een extra diffusor in het instrument geplaatst, die kon worden gedraaid ten opzichte van de zon om de kenmerken te vereffenen. TNO heeft een nieuw diffusortype, de Quasi Volume Diffusor (QVD), ontwikkeld.

Deze produceert kleinere spikkels en heeft betere verstrooiingskenmerken. Deze diffusor is gebruikt in OMI en GOME-2. TNO heeft daarnaast een model ontwikkeld om het kenmerkengedrag van een diffusorontwerp te voorspellen. Momenteel wordt gekeken naar nog betere diffusorontwerpen.