Jongensdroom ter grootte van een melkpak Studentensatellieten zijn de nieuwste hype in het onderwijs. Door studenten zelf een satelliet te laten bouwen, leren ze sneller oplossingen te bedenken en innovatiever te bouwen. In Delft leggen studenten de laatste hand aan de Delfi-C3, een nanosatelliet ter grootte van een melkpak. “Voor
focus
elke student, en docent trouwens ook, is dit een jongensdroom.”
Robert Visscher
Op de achttiende verdieping van de ewi-toren leggen vier studenten elektrotechniek de laatste hand aan de Delfi-C3. Ze hebben een prachtig uitzicht op de markante scheve toren van de Oude Kerk en de fiere toren van de Nieuwe Kerk, maar die gunnen ze geen blik waardig. De studenten hebben alleen oog voor hun computerscherm. Na twee jaar hard werken controleren ze nog een keer hun simulatiemodellen van hoogfrequente versterkers. Een student heeft handschoenen aan en controleert de smalle draadjes en kleine chips van de nanosatelliet. In allerijl proberen deze studenten hun eigen satelliet zo goed mogelijk voor te bereiden op de naderende ruimtereis. 30 Juni zal de Delfi-C3 in India gelanceerd worden. Op 30 maart staat de verscheping naar Azië op het programma. Op hun bureaus in de werkkamer ontbreken lesboeken. Ook de docent is afwezig. Wie niet beter zou weten, zou dit geen college noemen. Toch is dit de nieuwste manier van lesgeven. “De TU is een papierfabriek geworden”, zegt dr.ir. Chris Verhoeven vol afgrijzen. Hij werkt op de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (ewi) en is een van de leiders van Delfi-C3. “De meeste studenten schrijven alleen maar papers met theorieën hoe je iets eventueel zou kunnen bouwen. Daarvoor ga je toch niet naar een TU? Dan had je net zo goed doctorandus kunnen worden. Als ingenieur wil je iets bouwen. Papier is het begin van een onderzoek, niet het einde. Wij geven studenten de kans om een satelliet te bouwen. Dat is de bekroning op wat ze zelf hebben bedacht. Voor elke student, en docent trouwens ook, is dit een jongensdroom.”
Masterstudent elektrotechniek Mark Stoopman is vol lof over de nieuwe lesmethode. “Tijdens colleges moet je alles op papier bewijzen. Het resultaat blijft een theorie. Bij Delfi-C3 werk ik aan iets dat bestaat en waar je zelf aan kan sleutelen. Zo leer ik meer spelenderwijs. Het ligt mij veel beter om met mijn handen te werken. Er wordt echt wat met mijn onderzoek en harde werk gedaan.” Vindingrijk Studenten die met hun eigen handen een satelliet bouwen. Jarenlang was dat een mission impossible. Eind jaren negentig werd aan verschillende Amerikaanse en Europese universiteiten, waaronder de TU Delft, overwogen om studentensatellieten te maken. Maar bij het opstellen van de begroting werd duidelijk dat de kosten zo hoog zouden oplopen dat het onhaalbaar was. Satellieten wogen vaak tussen de twintig en veertig kilo: veel te duur werd om ze te lanceren. Studenten zouden er ook te lang aan moeten werken: vijf jaar. Veel studenten zouden al klaar zijn met hun studie voordat de satelliet klaar zou zijn. De grote doorbraak kwam toen de Amerikaan prof.dr.ir. Bob Twiggs een betaalbare oplossing bedacht: de cubesat. Deze satelliet van 10x10x10 centimeter, die hij aan de prestigieuze universiteit van Stanford ontwikkelde, hoefde met de juiste microelektronica niet meer dan een kilo te wegen. Daardoor ging de prijs van het bouwen en vooral van de lancering fors omlaag. En werd het aantrekkelijk om studenten zelf een satelliet te laten bouwen. Bovendien volgde Twiggs de trend van het nieuwe millennium: alles kleiner maken. Studenten waren dolenthousiast >> over zijn plannen. “Maar
2007•1
Delft Integraal
25
Delfi-C3 is de eerste amateursatelliet die in Nederland wordt gebouwd. Het project is een samenwerking tussen de faculteiten Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica en Luchtvaarten Ruimtevaarttechniek. Op 30 juni zal de Delfi-C3 in India door een Polar Satellite Launch Vehicle naar 630 kilometer hoogte gelanceerd worden in een baan om de aarde, die over de polen loopt. De nanosatelliet (satellieten onder de tien kilo heten nanosatellieten) bestaat uit drie aan elkaar gekoppelde cubesats van een kilo en is ongeveer net zo groot als een melkpak. Delfi-C3 zal in de ruimte autonome draadloze zonnesensoren testen voor TNO en voor Dutch Space de nieuwe dunne film zonnecellen. EWI zal een nieuwe radio testen, de hoog efficiënte zenderontvanger. De vijftig universiteiten die aan cubesats werken, wisselen onderling informatie uit. “We geven bijvoorbeeld tips over subsystemen”, zegt Rob Hamann. “Je probeert elkaar natuurlijk wel voortdurend de loef af te steken. Iedere universiteit wil de beste techniek hebben. Als onze transceiver straks inderdaad heel goed werkt, mogen andere universiteiten die ook gebruiken in hun cubesats. Maar dan moeten ze er wel bij vermelden, dat hij is ontwikkeld
Foto: Sam Rentmeester/FMAX
door ons.”
24
2007•1
Delft Integraal
br on :D el fiC 3t ea m
Onzekerheden Nadat de studenten van Twiggs een aantal cubesats hadden gelanceerd in Amerika en Japan, raakte men ook in Europa geïnteresseerd in de nanosatellieten en de nieuwe lesmethode. Ir. Rob Hamann van Luchtvaart- en
bron: DelfiC3 team
focus 26
veel collega’s lachten me vierkant uit. Ze zeiden dat het onmogelijk was alles zo klein te maken dat het in de satelliet zou passen”, zegt Twiggs. “Dat interesseerde me geen moer, ik geloofde erin. Bovendien had ik de satelliet bedacht voor studenten, niet voor mijn collega’s. De studenten zouden door het gebrek aan ruimte voor veel draden een oplossing moeten vinden door innovatieve, kleine besturingssystemen te bedenken. Met een cubesat dwing je hen om vindingrijk te zijn.” De cubesat werd een doorslaand succes. Binnen twee jaar werden de satellieten ontworpen, gebouwd en gelanceerd. Daardoor konden studenten het hele proces van de eerste tekening tot de lancering meemaken. Twiggs: “De studenten hebben ook niet veel ruimte nodig om er aan te werken. Je kunt een cubesat overal kwijt. Het is maar een klein ding.”
2007•1
Delft Integraal
bron: DelfiC3 team
De baan die de studentensatelliet steeds zal volgen rond de aarde.
“Veel collega’s lachten me vierkant uit. Ze zeiden dat het onmogelijk was alles zo klein te maken dat het in de satelliet zou passen” “Ons doel was om de studenten vanaf het begin af aan op een andere manier te onderwijzen”, zegt Verhoeven. “Studenten denken vaak dat we hier aan de TU precies weten hoe alles moet. Wij proberen de studenten juist te leren dat een ingenieur met veel onzekerheden te maken heeft, maar zich daar niet door mag laten stoppen. Je kunt niet alles uitrekenen en bewijzen. Dan duurt het driehonderd jaar voordat je eindelijk kan gaan bouwen en daar zit niemand in de industrie op te wachten. Studenten leren
typische ingenieursafwegingen te maken bij Delfi-C3. Ze moeten nu keuzes maken, want binnen twee jaar moet de satelliet gelanceerd worden.” Verhoeven en Hamann noemen het communicatiesysteem van de Delfi-C3 als voorbeeld. “Je kunt geen standaard kristaloscillator in een oventje gebruiken om een nauwkeurige frequentie op te wekken, want die neemt te veel ruimte in. En een elektromechanisch relais om stromen te schakelen is te zwaar. Dat is het eerste waar studenten aan denken, maar je moet ze duidelijk maken dat ze daar nog honderd jaar aan kunnen rekenen, maar dat ze het nooit gaat lukken. Maar wat dan? Dat laten we ze zelf uitzoeken, waarbij we ze stimuleren om voor onorthodoxe oplossingen te kiezen. Ze bedachten dat een microprocessor ook voor heel eenvoudige functies, zoals het in- en uitschakelen van stroomgebruik, gebruikt kan worden. Voor minder dan dertig microampère voert hij zijn taak uit en dat is belangrijk, want we mogen maar twee watt verbruiken. Met microprocessors heb je ook die hele berg draden niet meer nodig, die vroeger wel in satellieten zaten. Je leert studenten zo niet klakkeloos nabouwen, maar innoveren. Bij nasa en esa hoef je voor dit soort missies niet aan te kloppen. Die zijn veel te conservatief en gebruiken te vaak oude, dure oplossingen.”
focus
Ruimtevaarttechniek was direct enthousiast. “Ik werkte vroeger voor Fokker Space en daar viel me altijd op dat nieuwe werknemers uit Delft qua praktische kennis tekort schoten. Pas na drie jaar had je echt wat aan ze. Dat kwam doordat ze weinig multidisciplinair onderzoek hadden gedaan. Terwijl ruimtevaart dat per definitie is: het bestaat voor vijftig procent uit elektronica. Delftse studenten hadden nooit het hele proces van bedenken, ontwerpen, bouwen en lanceren doorlopen. Tijdens hun opleiding moesten ze al na het ontwerpen stoppen, omdat er niets te bouwen viel. Met Delfi-C3 vullen we die leemte in.” Hamann legde contact met Chris Verhoeven van elektrotechniek voor de invulling van de microelektronica. Voor dertienduizend euro kocht Verhoeven met ‘seed-money’ van het ict Delft research center twee cubesat-kits, die de studenten moesten ombouwen tot ruimtewaardige satellieten. Het studentensatellietproject Delfi-C3 was geboren.
Rampscenario Dat de cubesats studenten beter voorbereiden op werk na hun opleiding staat buiten kijf. Maar een satelliet bouwen gaat uiteraard om meer dan alleen de educatieve waarde van het bouwen. Een missie slaagt alleen als de satelliet straks werkt. Op dit moment werken vijftig universiteiten aan eigen studentensatellieten, van de Deense Aalborg universiteit tot Kentucky State University. Al deze universiteiten hebben een grote angst: dat hun nanosatellieten zullen crashen. Dat rampscenario voltrok zich helaas al vrij vaak het afgelopen jaar. In de zomer van 2006 legden zelfs veertien studentensatellieten tegelijkertijd het loodje, toen de gezamenlijke lancering misging. “Ik ben daar toen erg van geschrokken. Ik dacht meteen: >>
2007•1
Delft Integraal
27
Foto: Sam Rentmeester/FMAX
focus us
Na een storm wordt de antenne van het grondstation op het dak van Elektrotechniek gerepareerd.
bron: DelfiC3 team
ons besturingssysteem zal toch wel kloppen?”, zegt Stoopman. Delfi-C3 neemt al een voorschot op een eventuele mislukking. Het team bouwt twee cubesats. Mocht de eerste crashen, dan is niet al het werk voor niets geweest en kan de tweede gelanceerd worden. “Maar ik zal wel flink chagrijnig zijn als het misgaat”, aldus Stoopman. Founding father Twiggs keek niet op van de mislukte lanceringen. “Dat is het risico van het vak. Vaak liften de cubesats met Russische ballistische raketten mee of, in het geval van Delfi-C3, een Indiase lanceerder, omdat ze zo goedkoop zijn. Dan loop je extra risico. Bij de studentensatellieten waar ik aan werkte is trouwens nog nooit iets misgegaan.” Met een andere studentensatelliet liep het ook niet goed af. De Sseti Express, een microsatelliet die is ontwikkeld door tweehonderd studenten van verschillende universiteiten voor esa, verloor na de lancering het contact met de aarde.
28
2007•1
Delft Integraal
De lancering van de Delfi-C3 kost 120 duizend euro. Een crash zou daarom ook financieel zeer problematisch zijn. “Een studentensatelliet kost zestigduizend euro per jaar, dat is niet uitzonderlijk. Dat krijgen onderzoekers die microchips maken ook. Maar een aantal crashes na elkaar is natuurlijk heel slecht voor het project,” zegt Verhoeven.
“De ruimtevaart brengt op deze manier hopelijk weer wat van haar oude bravoure op studenten over. Na de landing op de maan, was de ruimtevaartindustrie toch aardig in slaap gevallen.” “Dan moet je je afvragen waarom je ze nog maakt en wordt de geldkraan vast dichtgedraaid. Ik denk dat er vooral wat kinderziektes zijn geweest bij de andere cubesats. Bij elektrotechniek hebben we studenten een paar jaar geleden opdracht gegeven om zelf een microchip te maken. Bij de eerste groep ging vrijwel iedere chip kapot, het jaar daarop ging het beter en nu lukken ze allemaal.”
Foto: Sam Rentmeester/FMAX
Bíjna klaar voor de ruimte.
focus
brengt op deze manier hopelijk weer wat van haar oude bravoure op studenten over. Na de landing op de maan, was de ruimtevaartindustrie toch aardig in slaap gevallen.” Na de landing op de maan, was de ruimtevaartindustrie toch aardig in slaap gevallen. De veiligheid van missies moest zo groot zijn, dat er bijna geen innovaties waren en er alleen voor beproefde oplossingen werd gekozen. Dankzij de cubesats is het eindelijk weer tijd voor nieuwe ideeën in het onderwijs en ruimtemissies.” << Meer informatie: dr.ir. C.J.M. Verhoeven, 015 27 86482,
[email protected], Ir. R.J. Hamann, 015 27 82079,
[email protected]
Sleutelen aan de satelliet in de cleanroom van Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.
Foto: Sam Rentmeester/FMAX
Bravoure Om dat vertrouwen te onderstrepen, maken Verhoeven en Hamann bekend dat er in ieder geval nog twee opvolgers komen van de studentensatelliet. Of Delfi-C3 nu crasht of niet, tot 2011 worden Delftse studentensatellieten gelanceerd. Verhoeven en Hamann hebben grotere plannen. Dit jaar wordt ook het Delft Ruimtevaart Centrum opgericht. Dat moet de spil worden van het lanceren en bouwen van toekomstige nanosatellieten in Nederland. De faculteiten EWI, Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, 3mE en Technische Natuurwetenschappen slaan daarvoor de handen ineen. “We hebben nog niet direct een eigen gebouw, we beginnen klein en moeten ons bewijzen. Maar we zijn heel ambitieus”, zegt Verhoeven. “De TU moet zich profileren met ruimtevaart. Op geen andere universiteit zijn er twee zulke prestigieuze instituten met zoveel expertise als Ruimtevaart en Dimes voor micro-elektronica. We hebben al een aardige lijst met payloads, bedrijven die hun proefontwerpen in de ruimte willen laten testen. Sron heeft bijvoorbeeld interesse om de elektronica van een röntgendetector te testen. Die onderdelen kan een cubesat zo meenemen. Dan weet Sron zeker dat de onderdelen goed werken, voordat ze het hele apparaat mee laten gaan met een grote missie, die vreselijk veel meer geld kost.” Ook bij esa zijn ze niet geschrokken van de falende missies. “We werken al aan de opvolger, de eseo, die eind 2008 gelanceerd zal worden”, zegt Neil Melville, projectleider van Sseti. esa heeft zelfs nog grotere plannen voor studentensatellieten. “We onderzoeken momenteel of het haalbaar is om een studentensatelliet te bouwen die naar de maan zal gaan.” De studentensatellieten lijken ondanks de crashes dus nog niets aan populariteit verloren te hebben. “Ik ben trots dat het idee zo is aangeslagen”, zegt Twiggs. “De ruimtevaart
2007•1
Delft Integraal
29
