Zestig jaar innovatie in de ruimtevaart: baanbrekend werk buiten de aarde

In de zestigjarige geschiedenis op het gebied van instrumentatie voor de ruimtevaart heeft TNO een groot erfgoed in technologische innovatie opgebouwd. Van baanbrekende zonnesensoren tot geavanceerde aardobservatiesystemen en volgende generatie laser-datatransmissie, het werk van TNO is steeds mede bepalend voor de toekomst van ruimtevaartonderzoek en wereldwijde communicatie. Of het er nu om gaat het heelal beter te leren begrijpen, het milieu te beschermen of veilige, snelle datanetwerken voor de toekomst te garanderen: onze bijdragen spelen een sleutelrol.

Baanbrekende bijdragen aan astronomie vanuit de ruimte

TNO heeft een rijke geschiedenis op het gebied van astronomie vanuit de ruimte en heeft in verschillende projecten diverse mijlpalen bereikt. Onze ruimtereis begon in 1964, toen TNO door de voorloper van SRON (Netherlands Institute for Space Research) werd benaderd om een sterspectrofotometer te ontwikkelen.

Dit was het begin van onze langdurige samenwerking met de Europese ruimtevaartsector. De spectrofotometer, S59 genaamd, moest in het nabije UV (206-287 nm) de spectra van sterren zeer precies registreren met een resolutie van 0,18 nm. De S59 was bestemd om mee te vliegen aan boord van de TD-1A, een van de eerste satellieten van de European Space Research Organisation (ESRO), die later opging in de European Space Agency (ESA).

In 1972 werd de TD-1A, Europa’s eerste op drie assen gestabiliseerde satelliet, succesvol gelanceerd met de S59 aan boord, waarmee waardevolle gegevens uit de ruimte werden verzameld. Deze missie markeerde niet alleen TNO’s officiële toetreding tot ruimtevaartonderzoek, maar legde ook de basis voor toekomstige ontwikkelingen, zoals de star mapper die we in samenwerking met het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) ontwikkelden voor het European Space Research and Technology Centre (ESTEC).

Een ander belangrijk wapenfeit van TNO op het gebied van instrumentatie voor de ruimtevaart was de ontwikkeling van zonnesensoren. Deze sensoren, ontworpen om een ruimteschip te oriënteren ten opzichte van de zon, zijn van essentieel belang geweest voor de eerste ruimtemissies. In de loop der tijd is deze technologie sterk geëvolueerd en is nu een integraal onderdeel van missies als de Solar Orbiter (SolO) en BepiColombo.

Star mappers voor de Cluster-missie

De Cluster-missie, gelanceerd door ESA, is ontworpen om de magnetosfeer van de aarde te bestuderen door middel van een constellatie van vier identieke satellieten. Helaas verliep de eerste lancering in 1996 rampzalig toen de Ariane 5-raket kort na het opstijgen explodeerde door een softwarefout. TNO’s expertise in het ontwikkelen van star mappers – optische instrumenten die de oriëntatie van satellieten bepalen door bekende sterren te volgen – bleek evenwel cruciaal voor de missie. ESA herbouwde de Cluster-satellieten en TNO leverde de star mappers voor de succesvolle herlancering in 2000.

Deze missie heeft uiterst waardevolle gegevens opgeleverd over de wisselwerking tussen de zonnewind en het magnetisch veld van de aarde, waardoor ons begrip van ruimteweer en de effecten ervan op satellietoperaties en communicatiesystemen sterk is toegenomen. Dankzij de door ons ontwikkelde star mappers konden de wetenschappelijke instrumenten nauwkeurig worden uitgelijnd, zodat er nauwkeurige gegevens konden worden verzameld, die nog steeds worden gebruikt voor ruimtevaartonderzoek.

BepiColombo-missie

De BepiColombo-missie is een samenwerkingsproject tussen ESA en Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), die in 2018 is gelanceerd ter verkenning van Mercurius, de minst begrepen planeet in ons zonnestelsel. De technologie van TNO ondersteunt deze missie door nauwkeurige oriëntatiecontrole mogelijk te maken, wat essentieel is voor de twee ruimtevaartuigen van deze missie: ESA’s Mercury Planetary Orbiter en JAXA’s Mercury Magnetospheric Orbiter. Het doel van BepiColombo is om de structuur, het magnetisch veld en de geologische geschiedenis van Mercurius te onderzoeken om stenige planeten zoals de aarde beter te leren begrijpen. Deze missie bouwt voort op de ontdekkingen van NASA’s MESSENGER en voegt nieuwe dimensies toe aan onze kennis van de binnenste planeet van ons zonnestelsel.

Solar Orbiter: de geheimen van de zon ontsluieren

Het werk van TNO is ook van belang voor de SolO-missie (Solar Orbiter), een gezamenlijk project van ESA en NASA dat werd gelanceerd in 2020. Het doel van SolO is om de zon van ongekend dichtbij te bestuderen, met een speciale focus op de poolgebieden en magnetische activiteit. De missie biedt gedetailleerde inzichten in zonnewind en ruimteweer. Deze informatie is cruciaal om verschijnselen als zonnevlammen en plasmawolken te begrijpen. Deze hebben directe gevolgen voor de technologische infrastructuur op aarde, zoals satellietcommunicatie en elektriciteitsnetten. De bijdragen van TNO aan dit project onderstrepen weer eens onze expertise in het ontwikkelen van systemen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden maar toch nauwkeurige gegevens leveren.

Gaia: de Melkweg in kaart

Een ander voorbeeld van TNO’s activiteiten op het gebied van astronomie vanuit de ruimte is onze rol in de Gaia-missie. Gaia werd in 2013 gelanceerd met als doel om meer dan een miljard sterren in de Melkweg met uitzonderlijke precisie in kaart te brengen. Het welslagen van de missie is sterk afhankelijk van TNO’s siliciumcarbide Basic Angle Monitoring (BAM).

Dit uiterst nauwkeurige meetsysteem zorgt voor de stabiliteit van de twee Gaia-telescopen, die zijn ingesteld op een vaste hoek van 106,5°. Met behulp van een laserinterferometer die de verschillen in optische weglengte (OPD’s, Optical Path Differences) vanaf 1,5 picometer rms detecteert, kunnen met BAM veranderingen in deze hoek met een nauwkeurigheid van 0,5 microboogseconden worden gemeten. Dankzij BAM kan Gaia de posities, afstanden en bewegingen van sterren met een ongekende nauwkeurigheid meten, wat cruciale gegevens oplevert over de structuur en de evolutie van ons sterrenstelsel.

PAAM (Point Ahead Angle Mechanism) voor LISA

Een van de toekomstgerichte activiteiten van TNO is de actieve betrokkenheid bij PAAM, een onmisbaar onderdeel van de LISA-missie (Laser Interferometer Space Antenna). Het doel van LISA, die in de jaren 2030 gelanceerd moet worden, is om zwaartekrachtgolven te detecteren en zo totaal nieuwe inzichten te krijgen in kosmische gebeurtenissen zoals het samensmelten van zwarte gaten en neutronensterren. PAAM zorgt voor een continue exacte laseruitlijning tussen ruimtevaartuigen, doordat het mechanisme zwaartekrachtgolven over enorme afstanden kan detecteren.

De expertise van TNO op het gebied van zeer nauwkeurige optomechanische systemen is doorslaggevend geweest bij de ontwikkeling van het PAAM, dat feilloos moet functioneren onder de zware omstandigheden in de ruimte. Deze technologische innovatie zal ons niet alleen meer vertellen over het heelal, maar zal ook nieuwe kansen bieden in de wereld van de ruimtevaarttechnologie, met mogelijke toepassingen voor toekomstige missies en terrestrische technologieën.

Aardobservatie: monitoring van onze planeet

Naast ons werk op het gebied van astronomie heeft TNO ook een belangrijke bijdrage geleverd aan aardobservatie dankzij essentiële technologieën voor het monitoren van milieuomstandigheden, atmosferische veranderingen en verontreinigingsniveaus op wereldschaal. Deze projecten zijn essentieel voor kennis over klimaatverandering, aantasting van de ozonlaag en andere milieuproblemen.

Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)

TNO heeft een belangrijke stempel gedrukt op het Global Ozone Monitoring Experiment (GOME), dat in 1995 werd uitgevoerd aan boord van de ERS-2 satelliet. Dit project heeft een belangrijke vooruitgang betekend in de atmosferische wetenschappen door het continu monitoren van de concentraties ozon en andere sporengassen. TNO heeft een belangrijke rol gespeeld bij het ontwerp van de optische componenten voor GOME, een instrument dat met behulp van geavanceerde spectrometrie gegevens met hoge resolutie verzamelt die cruciaal zijn voor het beoordelen van de toestand van de ozonlaag.

De bevindingen van GOME zijn niet alleen van essentieel belang geweest voor meer begrip van de effecten van menselijke activiteit op de afbraak van ozon maar hebben ook geholpen om de werking van internationale verdragen zoals het Protocol van Montreal na te kunnen gaan. TNO’s bijdragen aan dit project hebben niet alleen ons begrip van atmosferische chemie vergroot, maar ook de basis gelegd voor vervolgmissies: GOME-2 en TROPOMI, die cruciale gegevens blijven leveren voor klimaatonderzoek en milieubeleid.

SCIAMACHY en OMI: monitoring van de ozonlaag en luchtverontreiniging

TNO heeft een sleutelrol gespeeld bij de ontwikkeling van optische systemen voor SCIAMACHY en OMI, instrumenten die de wereldwijde luchtvervuiling monitoren en het herstel van de ozonlaag volgen. Dankzij deze missies heeft de wereld nu de mogelijkheid om te beoordelen hoe effectief internationale overeenkomsten zijn, zoals het Protocol van Montreal, dat tot doel heeft de productie van ozonafbrekende stoffen geleidelijk te beëindigen. SCIAMACHY (gestart in 2002) en OMI (gestart in 2004) zijn onmisbaar geweest om te begrijpen hoe deze inspanningen de luchtkwaliteit wereldwijd hebben beïnvloed, omdat ze wetenschappers en beleidsmakers beter in staat hebben gesteld om het herstelproces van de ozonlaag te meten.

TROPOMI: klimaatverandering tegengaan

Een recentere ontwikkeling is TROPOMI, een instrument dat in 2018 is gelanceerd. Het is ontwikkeld door ESA en het Netherlands Space Office (NSO) en monitort van dag tot dag de wereldwijde concentraties van methaan en andere gassen in de atmosfeer. Methaan is een krachtig broeikasgas en het vermogen van TROPOMI om superuitstoters te identificeren – industrieën die verantwoordelijk zijn voor onevenredig hoge emissies – heeft TROPOMI tot een onmisbaar hulpmiddel gemaakt in de strijd tegen klimaatverandering.

TNO heeft belangrijke optische systemen ontworpen en gebouwd voor TROPOMI, en de gegevens worden nu gebruikt bij initiatieven zoals het Methane Alert and Response System (MARS) van de Verenigde Naties. Toekomstige missies, waaronder Sentinel-5 en TANGO, zullen voortbouwen op TROPOMI en de kwaliteit van de wereldwijde monitoring van methaan- en CO₂-emissies verder verbeteren.

Real-Time luchtkwaliteitsbewaking met Lotos-Euros

Daarnaast kan dankzij de bijdrage van TNO nu ook voor landen met een beperkte infrastructuur op de grond de luchtvervuiling in real-time worden gevolgd. Door gebruik te maken van satellietgegevens en modellen zoals TNO’s atmosferische-chemiemodel Lotos-Euros kunnen landen nu de luchtkwaliteit bewaken, vervuilingsbronnen opsporen en tijdig een waarschuwing geven bij een dreigend gevaar voor de volksgezondheid.

Deze mogelijkheden van satellieten zijn vooral waardevol voor regio’s waar geen conventionele netwerken voor het monitoren van de luchtkwaliteit bestaan, en dragen bij aan de wereldwijde inspanningen op het gebied van volksgezondheid en milieubeleid.

EarthCARE: de klimaatwetenschap vooruit helpen door analyse van wolken en straling

De EarthCARE-missie, een samenwerking tussen ESA en JAXA, is uniek als het gaat om de bestudering van wolken, aerosolen en straling, sleutelfactoren voor meer inzicht in klimaatverandering. In tegenstelling tot eerdere aardobservatie-initiatieven, die bijvoorbeeld gericht waren op broeikasgassen of luchtkwaliteit, is het primaire doel van EarthCARE de verbetering van klimaatmodellen door te bestuderen wat de wisselwerking is tussen enerzijds wolken en aerosolen en anderzijds zonlicht en infrarode straling.

TNO is betrokken geweest bij de ontwikkeling van de MSI (Multi-Spectral Imager), die beelden van hoge resolutie vastlegt van wolken en aerosolen, als aanvulling op andere instrumenten zoals de radar- en lidarsystemen. Door een completer beeld te geven van atmosferische processen zorgt deze missie voor een aanzienlijke verbetering van ons vermogen om weerpatronen te voorspellen en de dynamiek van het klimaat te begrijpen.

Fotocredit: ESA