RUIMTEVAART. Inhoud. Rubrieken Jaargang 55 Nummer 5

RUIMTEVAART

2006 | 5 Jaargang 55 Nummer 5

Inhoud

2 3

7

11

Voorwoord Themanummer Microtechnologie in de Ruimtevaart Ir. Friso van Oranje MBA Microfuidica en geïntegreerde optica voor toepassingen in de ruimtevaart Henk Leeuwis Tegenwoordig is microsysteemtechnologie te beschouwen als een zelfstandig technologieveld naast micro-elektronica met allerlei technieken en specialisaties. Speciale gebieden met enorm veel potentie zijn microfluidica en geïntegreerde optica. Het Ruimtevaartonderzoek in MicroNed Chris Verhoeven Geavanceerdere systemen worden naar de ruimte gestuurd, waar ze het zonder mogelijkheid tot reparatie of verdere hulp zo lang mogelijk moeten zien uit te houden. Er wordt daarom altijd erg veel tijd en geld gestoken in het zo robuust mogelijk maken van deze systemen. De vraag is of dat de juiste benadering is. Microsysteemtechnologie verpakt in een buisje Marcus Louwerse, Berry Sanders, Henry Jansen Microfabricage is de onderliggende techniek en levert het gereedschap voor het maken van een reeks van high performance microsystemen.

16

CubeSats Ir. E. van Breukelen Wereldomvattend ontwerpen en bouwen ruim tachtig universiteitsgroepen CubeSats. Ook bedrijven wagen zich in deze opkomende markt met subsystemen, complete satellieten en lanceermogelijkheden.

21

Draagraketten voor microsatellieten Gerben Hazebroek, Berry Sanders Gebruikers van microsatellieten zullen, om hun hoogwaardige missies goed uit te kunnen voeren, een specifieke baanhoogte en inclinatie willen. Om dit te bewerkstelligen is eigenlijk een aparte draagraket voor elke kleine (groep van) microsatelliet nodig.

RUIMTEVAART 2006 | 5

26

Miniaturisatie in het ruimteonderzoek G. Cornet, A. Maas Denkend aan grote operationele satellieten zullen weinigen zich in eerste instantie realiseren dat miniaturisatie binnen het wetenschappelijk ruimteonderzoek steeds belangrijker wordt.

31

Satellieten, kleiner dan het instrument kunnen we ze niet maken Johan Leijtens Door de toenemende integratie van elektronica met mechanische en optische functionaliteiten in steeds kleiner wordende eenheden, is het aannemelijk dat op niet al te lange termijn (10 tot 20 jaren) een groot deel van de satellieten die gelanceerd worden, zal bestaan uit satellieten waarbij de maat voor het grootste deel bepaald wordt door het instrument dat gevlogen moet worden.

34

Toepassingen van MST in ruimtemissies Berry Sanders In dit themanummer is microsysteemtechnologie (MST) in de ruimtevaart van verschillende kanten bekeken. Maar, in welke missies wordt MST nu daadwerkelijk toegepast?

36

MetOp-A na lange vertraging met succes gelanceerd Alessandro Atzei

37

International Astronautical Congress 2006 Ir. G.D. Hazebroek

Rubrieken

38

BOEKBESPREKING Arno A. Wielders, Msc

39

RUIMTEVAART KRONIEK Ir. G.D. Hazebroek en Henk H.F. Smid

1

Voorwoord Themanummer Microtechnologie in de Ruimtevaart Ir. Friso van Oranje MBA Directeur TNO Space

Ruim twee en een half jaar geleden ben ik bij TNO Space gaan werken. Sindsdien heb ik veel gezien en gelezen over microsatellieten. Helaas gaat het dan voornamelijk over het buitenland en te weinig over Nederland. Bij het bezoeken van internationale microsatellietbijeenkomsten valt ook ieder keer weer de beperkte interesse op vanuit Nederland. Bij deze gelegenheden is de groeiende belangstelling van agentschappen (ESA, CNES, BNSC) en buitenlandse industrieën zoals Astrium, OHB etc. duidelijk zichtbaar. Gelukkig zijn er wel een aantal positieve initiatieven en ontwikkelingen. Hierbij valt te denken aan de Delfi C-3 van de TU Delft en de Misat cluster in het Microned programma. In de Misat cluster wordt onder leiding van Prof. Jongkind op verschillende universiteiten en onderzoekinstellingen aan microtechnologie voor de ruimtevaart gewerkt. Ook is er de deelname van TNO in Proba 2. TNO zal in samenwerking met Bradford Engineering de koudgasgenerator leveren voor het baancorrectiesysteem en een geavanceerde zonnesensor vliegen. Het is heel jammer dat met name de industriële belangstelling in Nederland beperkt is, maar ook wel begrijpelijk. Bij universiteiten en onderzoekinstellingen zijn er op beperkte schaal activiteiten, maar die zijn meestal op kleine deelgebieden gericht. Het is spijtig dat we in Nederland niet meer op het gebied van microsatellieten doen. In de eerste plaats omdat de technologieontwikkeling en kennis, die opgedaan zou worden bij de bouw en de operatie van dergelijke satellieten, waarschijnlijk ook op een groot aantal andere gebieden kunnen worden ingezet. Ten tweede zouden we door het produceren van microsatellieten ook relatief goedkope nationale of bilaterale ruimtevaartprojecten kunnen uitvoeren, in aanvulling op onze bestaande bijdragen aan de diverse ESA programma’s. Dit zijn op zich goede redenen waarom we in Nederland misschien meer op dit gebied zouden willen doen. Naar mijn mening is de belangrijkste reden echter dat microsatellieten de vraag naar satellietdata zal doen toenemen, omdat er sneller en beter ingespeeld kan worden op de wensen van mogelijke eindgebruikers. Dit komt doordat de ontwikkeltijd aanzienlijk korter is dan de tijd die nodig is voor de ontwikkeling van de huidige generatie satellieten. Hierdoor kan effectiever en efficiënter worden ingespeeld op de behoeften van de gebruikers van satellietdata, zoals overheden, maar gelukkig steeds vaker ook commerciële bedrijven en zelfs consumenten. Aansluiting bij de vraag

2

van eindgebruikers zal dan ook de primaire drijfveer moeten zijn om grotere steun te krijgen voor microsatelliet initiatieven in Nederland. Hierbij is samenwerking met andere landen van groot belang. Niet alleen omdat op die manier veel efficiënter nieuwe satellieten kunnen worden ontwikkeld, maar ook omdat het aantal eindgebruikers daarmee wordt vergroot. Hoewel jammer, is het wel begrijpelijk dat we op dit moment in Nederland nog niet meer doen op het gebied van microsatellieten. Immers, in een relatief klein ruimtevaartland moeten keuzes gemaakt worden, wat betekent dat er soms gekozen moet worden om bepaalde dingen niet te doen. Door de samenloop van omstandigheden is er tot op heden niet voor microsatellieten gekozen door de belangrijkste beleidbeïnvloeders. Gelukkig zijn sommige mensen innovatief, inventief en creatief. Het is de TU Delft gelukt, en vooral Professor Jongkind, om via het Microned programma middelen te verkrijgen voor het ontwikkelen van een micropayload en -platform. Ik hoop dat het lukt om dit platform te gebruiken voor de ontwikkeling van innovatieve micropayloads binnen Nederland, waar zowel de kennisinstellingen als de industrie tot het uiterste moeten gaan om de benodigde technologie te ontwikkelen. Ook TNO wil graag bijdragen aan de ontwikkeling van dergelijke technologieën. Het zal voor de bouwers van microsatellieten en micropayloads, net als voor de overige spelers in de Nederlandse ruimtevaartwereld, een uitdaging worden om de benodigde middelen te verkrijgen. Dit zal een goede samenwerking vereisen, zowel binnen Nederland als daarbuiten. Ook zal het meer dan ooit belangrijk zijn om een bijdrage te leveren aan de oplossingen en beantwoording van de problemen en vragen van de eindgebruikers. Ik ben ervan overtuigd dat er kansen zijn, het is aan ons allen ze te zien en te benutten. Het verheugt mij dan ook te zien dat de Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart ‘Microtechnologie in de Ruimtevaart’ heeft gekozen als onderwerp voor het themanummer van 2006. In dit nummer komen de verschillende aspecten van microtechnologie en microsatellieten aan de orde en het geeft een goed overzicht van de technologische- en de gebruikersmogelijkheden die nu en in de toekomst beschikbaar zijn voor kleine satellieten. Ik hoop dan ook dat dit nummer er toe zal bijdragen om microsatellieten duidelijker op de agenda van de Nederlandse ruimtevaart te zetten.


Microfluidica en geïntegreerde optica voor toepassingen in de ruimtevaart Henk Leeuwis LioniX

Microsysteemtechnologie kent zijn oorsprong in het begin van de jaren tachtig van de vorige eeuw. In al die jaren heeft het als technologie – aanvankelijk afgeleid van de halfgeleider fabricagetechnieken – een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Tegenwoordig is het te beschouwen als een zelfstandig technologieveld naast de micro-elektronica met allerlei technieken en specialisaties. De komst van nanotechnologie heeft het beeld hiervan wat vertroebeld omdat vaak over nanotechnologie wordt gesproken terwijl het microsysteemtechnologie betreft. Speciale gebieden met enorm veel potentie zijn microfluidica en geïntegreerde optica. Bij LioniX zijn dit de gebieden waarop wordt gefocusseerd. Enerzijds omdat er voor applicaties interessante combinaties mogelijk zijn, anderzijds omdat de fabricage gebaseerd is op de dezelfde apparatuur en vaardigheden van de medewerkers. De belangrijkste applicaties zijn (bio)chemische sensoren Labon-a-Chip systemen in markten als Life Sciences en Process Technology en optische chips voor dataprocessing in de telecommunicatie. Omdat het voor de ruimtevaarttoepassing van zeer groot belang is om volume, gewicht en energie te besparen, heeft LioniX een actieve strategie, om ontwikkelingen op dit gebied via spin-in en spin-off te versnellen. Hieronder volgen enige voorbeelden van ontwikkelingen die momenteel plaatsvinden, vaak in samenwerking met partners die meer ingevoerd zijn in de ruimtevaart zoals Dutch Space, TNO en Bioclear.

meer standaard silicium gebaseerde materialen. Vaak wordt ook de term micro-optica gebruikt hoewel die meer slaat op de geminiaturiseerde optische systemen, waarin natuurlijk bovengenoemde componenten op hybride wijze geïntegreerd zijn. Hier wordt ingegaan op planaire golfgeleiders (platte fibers op een chip) en de potentiële mogelijkheden ermee.

Geïntegreerde optica voor dataprocessing

De gestippelde delen in het schema en de lichtgrijze delen in de foto betreffen een circa 100 nm dunne laag van siliciumnitride (SiN), die ingebed ligt in siliciumoxide (SiO). De geometrie is gerealiseerd met een serie processtappen met patronering van de aangebrachte dunne films. Het bijzondere van deze technologie is het feit dat door de toepassing van SiN ingebed

Geïntegreerde optica is een gebied met verschillende richtingen. Het betreft allerlei componenten zoals LEDs, vaste stof lasers en fotodiodes en optische versterkers, maar ook planaire golfgeleiders, vervaardigd in III-V materialen (galliumarsenide, indiumfosfide) en in


In figuur 1 wordt de basisgeometrie geïllustreerd. Deze kan worden gerealiseerd met een uit de micro-elektronica bekende CMOS compatibele technologie, waardoor het in potentie bij grote aantallen zeer goedkoop geproduceerd kan worden. Het betreft twee verschillende geometrieën. De eerste is een vierkante geometrie, die hierdoor zoveel mogelijk op een standaard optische telecom fiber lijkt (ook qua eigenschappen). De tweede is een platte geometrie die juist geschikt is voor sensoren detectietoepassingen die gebaseerd zijn op de interactie van de interface met een vloeistof of gas.

Figuur 1

in SiO een groot brekingsindexverschil gerealiseerd wordt, waardoor de interfaces tussen deze twee materialen ook bij scherpe bochten spiegelend blijven en aldus de optische energie binnen de structuur geconformeerd blijft. Kortom, deze planaire lichtgeleiders kunnen, in tegenstelling tot standaard fibers en hiervan afgeleide planaire lichtgeleiders, korte bochten maken, nodig voor integratie van grote aantallen functies op een chip. Ter illustratie: een geïntegreerd circuit waarop de elektrische stroom alleen in rechte geleiders getransporteerd zou kunnen worden, zou natuurlijk weinig functies kunnen bevatten. Wat zijn nu die functies? In figuur 2 wordt een schema gegeven van een zogenaamde micro-ringresonator. De ring in deze functie kan optische energie die past bij de resonantiefrequentie van de ring opslaan en afgeven. In de praktijk betekent dit dat

3

Figuur 2

bijvoorbeeld een specifieke frequentie van het inkomende lichtspectrum (Iin) getransporteerd wordt naar Idrop, terwijl de andere frequenties doorgaan (Ithrough). De resonantiefrequentie kan met actieve functie ingesteld worden. Zo kan met behulp van deze ringen een heel systeem opgezet worden, waarin bepaalde frequenties specifiek naar believen naar een bepaalde verbinding gestuurd worden. In figuur 3 is een voorbeeld van een dergelijke chip die in internetverbindingen (fiber-to-the-home) toegepast zou kunnen worden. Hiermee wordt duidelijk dat korte bochten essentieel zijn voor toepassing van dit soort chips. De getoonde ringen hebben een diameter van 50 µm, waarmee een Photonic LSI (Large Scale Integration) system-on-a-chip realiteit wordt. Een tweede interessante eigenschap van deze ring resonatoren is dat door de tijdelijke opslag de optische informatie vertraagd afgegeven kan worden, waarmee zogenaamde in het voor telecommunicatie interessante RF gebied

Figuur 3

4

breedbandige True-Time-Delays (TTD) mogelijk worden. De toepassing hiervan is vooral interessant in Phased Array antennes. De antennes bestaan uit een matrix van kleinere antennes, die door gecontroleerde tijdvertragingen de focusrichting kunnen instellen, zonder mechanische verplaatsing. Denk hierbij aan een vaste satellietantenne die zonder motorsturing toch het signaal van verschillende televisiesatellieten kan opvangen. In figuur 4 wordt de werking hiervan geïllustreerd. Deze ringresonator is te beschouwen als het optische analogon van de elektronische transistor. Toepassing van deze technologie in de ruimtevaart is zeer interessant. Aan boord van telecommunicatiesatellieten worden tot nu toe allerlei schakelfuncties en tijdvertragingen in antennes gerealiseerd met speciale

Figuur 4

micro-elektronica. Met de vraag naar steeds snellere data-rates en hogere bandbreedtes, wordt de toepassing van optische dataprocessing als maar aantrekkelijker.

Figuur 5

Zover is het echter nog niet. Figuur 5 toont een resultaat van een nationaal, door het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR) gesubsidieerd ontwikkelingsproject. Het betreft een geïntegreerd optisch systeem op een chip van 8 bij 5 cm, waarop een 1 x 8 TTD gerealiseerd is. Eén ingangssignaal kan gecontroleerd vertraagd worden over 8 kanalen. Een aantal van deze chips kunnen in principe een hele schoenendoos vol micro-elektronica vervangen.

Geminiaturiseerde bioanalytische systemen (Lab-on-a-Chip) De mogelijkheden om minuscule hoeveelheden vloeistoffen te manipuleren en te bewerken, heeft momenteel een geweldige impact op conventionele analytische- en sensortechnieken. Met behulp van microsysteemtechnologie zijn allerlei geminiaturiseerde structuren en functies te realiseren, zoals capillairen, kanalen, mixers, filters, kleppen, pompen, detectoren en sensoren, waarmee (in de nabije toekomst) complete analytische systemen te realiseren zijn die veel compacter en sneller zijn, en die geheel geauto-


Figuur 6

matiseerd kunnen worden. In figuur 6 wordt het basisidee hiervoor kunstmatig weergegeven. Met deze Lab-on-a-Chip technologie kunnen allerlei instrumenten worden gerealiseerd, waarin tijdrovende en dure laboratoriumprocedures voor analyse in de vorm van software worden geïmplementeerd. Interessante toepassingsgebieden zijn talrijk. Denk aan snelle analyses op een bepaalde ziekte bij de huisarts, snelle detectie van bacteriën in voedsel en water (de labtest voor legionella in water duurt nu nog een week) en allerlei analyses in het kader van milieuvervuiling. De ontwikkeling van dit soort instrumenten wordt sterk gestimuleerd door de vraag vanuit de ruimtevaart. Dit betreft toepassingen die uiteenlopen van analyse bij biologische experimenten onder microzwaartekracht, pathogeendetectie in het International Space Station (stel je voor dat je drie mensen maandenlang opsluit in een kleine geïsoleerde badkamer; dat geeft een enorme beestenboel die zeer goed op pathogene bacteriën gecontroleerd dient te worden) en niet in de laatste plaats instrumenten die uitgestorven en bestaand leven op Mars proberen te detecteren. ESA heeft in 2011 een missie gepland, ExoMars, die in 2013 een rover op Mars zal zetten, met als eerste in de geschiedenis specifieke instrumentatie voor de detectie van biomoleculen. Deze zullen gebaseerd zijn op gekende moderne laboratoriumprocedures en -instrumentatie, toegepast in onderzoek op het gebied van Life Sciences. De enorme uitdaging is deze instru-


Figuur 7

mentatie met behulp van microsysteemtechnologie te miniaturiseren en te automatiseren. Op de Pasteur-payload van ExoMars zijn twee instrumenten gepland die verschillende klassen van biomoleculen kunnen detecteren die verband houden met leven. De eerste betreft een Amerikaans instrument dat gebaseerd is op Capillaire Elektroforese (CE), een conventionele analysetechniek die zich goed laat klein maken met microsysteemtechnologie. Het is een vloeistofscheidingstechniek die functioneert met behulp van (hoge) spanningen over een capillair, waarmee de vloeistof door het capillair gepompt wordt als gevolg van een specifieke interactie met de (glazen) wand. In figuur 7 staat een schema van het basisprincipe van CE. De verschillende analyten in een monster worden in het capillair gescheiden en één voor één gedetecteerd door een detectiecel, vaak optisch gebaseerd, aan het einde van het capillair. Door vergelijken met

vloeistoffen met bekende samenstelling kunnen de specifieke analyten gedetecteerd worden; men moet dus wel weten welke stoffen verwacht worden. De kern van dit instrument kan zeer goed uitgevoerd worden in microsysteemtechnologie. De capillairen worden zeer nauwkeurig geëtst in een glassubstraat en in een zogenaamde kruisconfiguratie kan door schakelen van de spanningen heel elegant een monster geïntroduceerd worden in het scheidingskanaal. Figuur 8 is een foto van een ontwerp van een dergelijke chip. Links in het ontwerp is onder input 1 een kruising te zien van waaruit een monster wordt geïntroduceerd in het lange kanaal dat van input 2 naar output 4 loopt. Rechts, schuin onder output 4, is een geleidbaarheid detector geïntegreerd in MST. De verschillende ionen met uiteenlopende snelheden in een monster worden aan de hand van geleidbaarheid variaties door de micro-elektroden zeer lokaal gedetecteerd, wat

Figuur 8

5

een hoge scheidingresolutie mogelijk maakt. Naast ionen kunnen, meestal gebaseerd op optische detectietechnieken, ook allerlei biomoleculen gedetecteerd worden. Zie hiervoor in figuur 9 het voorbeeld van een CE-scheiding met een fluorescentietechniek in een dergelijke chip van aminozuren.

Figuur 9

Het tweede instrument betreft de Life Marker Chip. Dit is een door ESA te ontwikkelen instrument met een grote en belangrijke Nederlandse input (Dutch Space en LioniX), namelijk het microsysteemhart, gebaseerd op een optische chip ingebed in een microfluidicasysteem voor het automatisch uitvoeren van de analyse. De detectie is gebaseerd op het principe van de zwangerschaptest, waarbij elke analyse in een aparte, eenmalig te gebruiken, sectie van het systeem wordt uitgevoerd. Ook hier geldt dat gezocht moet worden naar bekende stoffen (in de zwangerschaptest een specifiek hormoon). Deze test wordt daarom uitgevoerd in een zogenaamde micro-array met een groot aantal potentiële hits voor herkenning van specifieke moleculen.

In figuur 10 staat een schematische voorstelling van zo’n micro-array, die bestaat uit een optisch substraat met een grote hoeveelheid antilichamen die elk specifiek gevoelig zijn voor een bepaald biomolecuul. Door onderzoek in de ruimte en op aarde in extreme omgevingen, in diepe zeebodems en woestijnen, is er een hele lijst beschikbaar van biomoleculen die mogelijk op Mars gevonden kunnen worden en die kunnen wijzen op leven. Aan de hand van de mogelijkheden om hiervoor antilichamen te maken, en de waarschijnlijkheid van aanwezigheid op Mars, zal van deze lijst een selectie gemaakt moeten worden. Globaal worden dat ongeveer 30 biomoleculen in 40 eenmalige tests. Rechts een bovenaanzicht met de dots (gebiedjes met diameter van 100 µm, die elk 200 µm uit elkaar liggen) en links daarvan de onderliggende lichtgeleiders die ervoor zorgen dat de deze dotjes gaan fluoresceren als specifieke biomoleculen gevangen worden. Uitlezing gebeurt met een chip zoals die ook in videocamera’s toegepast wordt. De uitvoering met planaire lichtgeleiders is van belang om er voor te zorgen dat het systeem zo compact mogelijk uitgevoerd wordt. In verband hiermee is het ook noodzakelijk zo min mogelijk lichtbronnen te gebruiken en de energie uit het licht optimaal te verdelen over de verschillende lijnen met anti-lichaamdots. Ook hiervoor is het noodzakelijk korte bochten te maken. Een onderdeel van het LMC systeem dat hier niet nader wordt toegelicht,

Figuur 11 [Alle figuren Leeuwis/LioniX]

maar wel zeer essentieel is en niet alleen voor de ruimtevaarttoepassing, is de zogenaamde monster voorbereiding. De detectiesystemen (zowel CE als micro-array) vereisen een zuiver en schoon (deeltjes doen de microkanalen snel verstoppen) vloeistofmonster waar in de analyten in een bepaalde concentratie gerepresenteerd zijn. In het geval van Mars wordt op twee meter diepte (aan de oppervlakte is al het leven door de omstandigheden gedood) een bodemmonster genomen en vervolgens vergruisd. Het monster voorbereidingsysteem van de LMC moet uit dit gruis de biomoleculen specifiek extraheren en omzetten in een microvolume dat geschikt is om in het microsysteem verwerkt te worden. In de aardse toepassingen geldt precies dezelfde problematiek; of het monster nu uit bloed, tomaten, drinkwater of bodem genomen moet worden, het kan nooit direct in een micro-analysesysteem verwerkt worden. Feitelijk liggen hier de grootste uitdagingen voor de microsysteemtechnologie. Als laatste figuur 11 waarin een mockup model van het LMC systeem wordt getoond. Het geheel zal nauwelijks groter zijn dan een pakje sigaretten en niet meer dan 800 gram wegen.

Figuur 10

6


Het ruimtevaartonderzoek in MicroNed Chris verhoeven

De mens is altijd erg nieuwsgierig geweest naar nieuwe werelden en er zijn altijd verkenners geweest die met gevaar voor eigen leven naar het onbekende trokken om zoveel mogelijk gegevens te verzamelen. De grenzen werden voortdurend verlegd. Uiteindelijk werd op 4 oktober 1957 door Sergei Koroljev met de Sputnik zelfs begonnen met het verkennen van de wereld buiten de aarde.

Inleiding Sinds Sputnik zijn steeds geavanceerdere systemen naar de uiterst gevaarlijke en vijandige omgeving van de ruimte gestuurd, waar ze het zonder mogelijkheid tot reparatie of verdere hulp zo lang mogelijk moesten zien uit te houden. Er wordt daarom altijd erg veel tijd en geld gestoken in het zo robuust mogelijk maken van deze systemen. Mogelijkheden tot reparatie zijn er nog steeds nauwelijks en in het uitzonderlijke geval dat het gebeurt, kost ook dat erg veel geld. Satellieten zoals Envisat leveren op dit moment prachtige prestaties en missies in de verre ruimte, zoals uitgevoerd door de Voyagers, vragen om meer. Het ligt in de menselijke aard dat dit meer er ook gaat komen, maar de vraag is hoe zal dat dan gaan?

Kolonies in de ruimte De natuur kan heel inspirerend zijn wanneer de mens vastloopt bij het bedenken van innovatieve oplossingen voor technische problemen. Goed je ogen open houden en kijken hoe mensen problemen aanpakken en dat vergelijken met hoe dat in de natuur om ons heen gaat, kan heel verassende resultaten opleveren. Wanneer we kijken hoe de mens systemen bouwt die kunnen overleven in een vijandige omgeving zoals de ruimte, dan zouden we dat meestal het concept olifant kunnen noemen. We bouwen een groot en sterk systeem, te groot om zomaar omver gehaald te kunnen worden. Een


olifant heeft in de natuur immers meer overlevingskansen dan een muis. Maar fantaseren we even verder, dan komen we misschien uit op het concept dinosaurus. Nu is het waar dat dinosaurussen veel langer op aarde geweest zijn dan olifanten en daarmee lijkt de lijn duidelijk, maar helaas zijn ze uiteindelijk toch uitgestorven. En dan beginnen de kleintjes toch op te vallen. Op deze foto is een tijdgenoot van de dinosauriërs te zien. Een mier. Mieren zijn er nog. Tot nu toe hebben ze alles overleefd en het ziet er naar uit dat ze ons ook nog eens zullen overleven. Nu zijn mieren relatief simpele kleine diertjes met erg weinig intelligentie en vergeleken met een olifant is een mier betrekkelijk gemakkelijk uit te schakelen. De kracht zit hem dan ook in de kolonie. Wanneer je een kolonie zou beschouwen als één dier, opgebouwd uit kleine los gekoppelde onderdeeltjes, de mieren, dan zien we ineens een bijna onverwoestbaar dier dat in staat is om geavanceerde taken uit te voeren.

Op 12 augustus 2004 was er bij de VPRO in de serie ‘Dat willen wij ook’ een documentaire te zien over het wonderlijke functioneren van een mierenkolonie. (Deze documentaire is nog steeds on-line te zien) Er is te zien hoe met simpele units en eenvoudige regels een complex en robuust zelforganiserend systeem kan functioneren. ‘Dat willen wij ook’ is dan ook precies de wens die door robotbouwers en daarna ook door satellietbouwers werd uitgesproken. Tot voor kort was dit een onrealistische wens. Een kolonie bestaat uit veel mieren. Een kolonie in de ruimte moet dus uit veel satellieten bestaan.

Microsatelliet Nanosatelliet Picosatelliet Wanneer we met de koloniegedachte verder gaan en op deze manier het meest robuuste verkenningsysteem in de ruimte willen bouwen, dan lijkt het erop dat satellieten niet steeds groter,

7

complexer en duurder moeten worden, maar steeds kleiner, simpeler en goedkoper. Het geavanceerde gedrag komt dan vanuit de kolonie en het leven van een losse satelliet telt minder. Redundantie komt vanuit de kolonie en niet vanuit de satelliet. De vraag is dan hoe klein kan een satelliet worden en welke technologie moet daarvoor worden gebruikt of ontwikkeld. Het antwoord op deze vraag is te vinden binnen de wereld van de micro-elektronica (ME) en de microsysteemtechnologie (MST). Op dit moment worden er vooral door universiteiten al nanosatellieten gelanceerd. De moderne elektronica, waarbij complete systemen op één chip goedkoop beschikbaar zijn, maken het mogelijk om voor relatief weinig geld CubeSats met afmetingen van een tiental centimeters en een gewicht van maar een paar kilo te realiseren. Daarmee is het al mogelijk om met een groter aantal satellieten in een formatie te vliegen. De eerste stap op weg naar een kolonie. Wanneer we naar de ME-industrie van vandaag kijken, dan zien we dat er voor de realisatie van een compleet elektronische systeem steeds minder chips nodig zijn (met meer complexiteit per chip) en dat die chips dan vaak samen in één package geplaatst worden. Dit wordt system-ina-package (SIP) technologie genoemd. Het is daarmee uitermate realistisch om te veronderstellen dat over enige tijd de elektronica die zich nu nog over enkele printplaten in een CubeSat uitstrekt, zich zal kunnen concentreren in slecht één SIP. Daarmee wordt de omvang (en de prijs) van de elektronica ten opzichte van de rest van de nanosatelliet bijna verwaarloosbaar en begint de picosatelliet in zicht te komen. En met picosatellieten wordt het daadwerkelijk mogelijk om een kolonie van een serieus aantal satellieten te lanceren. Belangrijk is dan dat ook de andere systemen, zoals de sensoren en de aandrijving naar picosatelliet schaal kunnen worden teruggebracht. MST lijkt hiervoor de mogelijkheden te bieden. Hiervoor is erg veel onderzoek en ontwikkeling nodig en ook goede

8

samenwerking tussen veel verschillende disciplines. Een groot programma waarin dit soort samenwerking tot stand is gebracht met behulp van de Nederlandse regering is MicroNed. Binnen MicroNed werken vele Nederlandse onderzoekinstellingen met de Nederlandse industrie samen om niet alleen microsystemen te ontwikkelen, maar ook alle gereedschappen om de microsystemen te maken en de computerhulpmiddelen om hun gedrag te kunnen modelleren en te simuleren en ontwerpmethodes te ontwikkelen om de meest geavanceerde microsystemen te kunnen ontwerpen. Binnen MicroNed zijn er vier clusters waarin onderzoek gedaan wordt. De grootste van deze clusters heet MISAT (MIcro SATelliet), waarbinnen alle nieuwe ontwikkelingen uit de ME en de MST toegepast worden bij de bouw van steeds kleinere satellieten met als uiteindelijk doel te komen tot een picosatelliet die klein genoeg is om als bouwsteen voor een grote kolonie te dienen. MISAT is een cluster met daadwerkelijke lanceerplannen. Op 30 juni staat de lancering van de eerste Delfi C3 gepland. Dit is een nanosatelliet waarvan er in de komende jaren meerdere gelanceerd zullen gaan worden. Aan boord zullen zij microsystemen meenemen die later zullen worden gebruikt om de picosatellieten samen te stellen.

MicroNed MicroNed is een onderzoekprogramma uit het thema ‘Microsystemen en Nanotechnologie’ dat in het kader van de investeringen in de kennisinfrastructuur door de Nederlandse regering gesubsidieerd is (Bsik). MicroNed stimuleert onderzoek in geavanceerde microsysteemtechnologie en probeert ook een infrastructuur in Nederland te realiseren waarin kennis tussen onderzoekinstellingen en de industrie kan worden uitgewisseld. MicroNed gaat ook zorgen dat mensen onderwezen

worden in de nieuwste kennis. Bovendien wil MicroNed de onderzoekresultaten voor de maatschappij zichtbaar en beschikbaar maken door daadwerkelijk goed functionerende systemen te bouwen en te demonstreren. MicroNed bestaat uit vier clusters: MISAT, waarbinnen de binnen MicroNed gegenereerde kennis wordt gebruikt om te komen tot nieuwe toepassingen in de ruimtevaart, waaronder in het bijzonder de realisatie van kleine goedkope satellieten. SMACT, (smart micro channel technology) waarbinnen onderzoek gedaan wordt naar complexe systemen van microkanaaltjes die o.a. gebruikt kunnen worden in de biomedische technologie voor het nauwkeurig toedienen van medicijnen, het analyseren van chemische stoffen, microafdruksystemen etc. Een aantal van die ontwikkelingen zullen ook binnen de picosatellieten in sensoren koelsystemen bruikbaar zijn. MUFAC, (micro factory) is een cluster dat zich bezig houdt met de fabricagetechnieken van microsystemen en daar ook de gereedschappen voor ontwikkelt. Verder wordt het bijzondere fysische gedrag van deze hele kleine systemen onderzocht. FUNMOD, is een cluster dat zich bezig houdt met het modelleren van de steeds kleiner wordende mechanische systemen en onderzoekt welke veranderingen er optreden in het gedrag bij een steeds verdere afname van de afmetingen. Er wordt ook veel aandacht besteed aan de betrouwbaarheid van de systemen en de faalmechanismen. Dit alles zal ook leiden tot een goed bruikbare set van ontwerpgereedschappen voor microsystemen. Op zich houdt MicroNed zich met veel meer bezig dan alleen de bouw van satellieten, maar het is duidelijk dat MicroNed als geheel een uitstekende omgeving biedt om veel van de onderdelen en gereedschappen die nodig zijn om tot een picosatelliet te komen, te ontwikkelen.


MISAT MISAT houdt zich bezig met het ontwikkelen van onderdelen met behulp van microsysteemtechnologie die klein genoeg en ook betrouwbaar genoeg zijn om een picosatelliet te bouwen. Omdat het gedrag van een kolonie van deze kleine satellieten flink zal afwijken van het gedrag van één grote, wordt er ook onderzoek gedaan naar dit gedrag. Een voorbeeld hiervan is de dynamiek van het vliegen met een zwerm van satellieten. Hoe bewegen ze in de ruimte en ten opzichte van elkaar? Hoe kun je de onderlinge posities bepalen en hoe kun je de positie beïnvloeden? Om de bewegingen en de onderlinge posities te bepalen zijn er sensoren nodig en vanuit de signalen van die sensoren moeten de positie en bewegingsgegevens afgeleid worden. Zowel aan de hardware als aan de software hiervoor wordt binnen MISAT gewerkt. Testen is ook een belangrijk onderwerp binnen MISAT. Alle onderdelen die ontwikkeld worden en alle software die geschreven wordt, zal getest worden in werkelijke satellietmissies. Bij deze missies zullen onderdelen van picosatellieten worden meegenomen door (iets) grote CubeSats om in een lage baan om de aarde getest te worden. Een belangrijke ontwikkeling hierin is het Delfi C3 project (www.delfic3.nl) waarin CubeSats met een zeer flexibele opzet worden gebouwd. Ladingen met MST experimenten kunnen eenvoudig in deze satellieten worden ingebouwd. De eerste Delfi C3 zal al op 30 juni 2007 worden gelanceerd.

Draadloze communicatie Een bijzondere ontwikkeling is het feit dat de meeste verbindingen binnen de picosatelliet draadloos zullen zijn. Het voordeel hiervan is dat er zo goed als geen bedrading met bijbehorende connectors nodig zijn. Dit scheelt volume, gewicht en betrouwbaarheid.


Bovendien maakt het de configuratie van de satellieten erg flexibel. Wanneer een nieuw systeem in de picosatelliet wordt geplaatst, hoeft er geen nieuwe kabelboom of connectorstructuur gemaakt te worden. Zodra de systemen bij elkaar in de buurt komen, leggen ze contact en vormt zich de complete satelliet. Wanneer onverhoopt een deel van een satelliet defect raakt, kunnen andere satellieten de nog functionerende instrumenten uitlezen. Dit alles maakt de totale elektronica klein.

Werkpakketten in MISAT Al het werk in MISAT gebeurt binnen vier verschillende werkpakketten; Werkpakket A Het satellietbussysteem. De bus van een satelliet is het standaard systeem dat bij elke missie meegaat en o.a. zorgt voor de radioverbindingen, navigatie etc. Het werk concentreert zich op op MST gebaseerde micronavigatiesystemen, sensors en interfaces voor hoogvacuum omstandigheden.

[C. Verhoeven]

Deze illustratie geeft een impressie van de grootte van het elektronische deel van een picosatelliet. In een kleine container van een paar centimeter zitten een aantal siliciumdragers met daarop met flip-chip-techniek geplaatste chips. Deze kunnen zowel analoge als digitale elektronica bevatten en ook in de chip aangebrachte miniatuursensoren. De systeempjes zijn draadloos met elkaar verbonden.

In dit project werken de TU-Delft en ASML samen aan systemen die onder extreme omstandigheden in de ruimte jarenlang betrouwbaar kunnen functioneren. TNO werkt aan een draadloze zonnesensor. Deze sensor heeft een eigen zonnecel voor de energievoorziening en stuurt de metingen, gedaan door een speciaal digitaal sensorelement, draadloos door naar de satelliet. TU-Delft werkt samen met het bedrijf SystematIC aan een opnieuw configureerbaar radiosysteem. Dit systeem kan zich optimaal aan wisselende omstandigheden aanpassen. Het kan

9

van frequentie en modulatietechniek veranderen en zelfs de hele radioarchitectuur aanpassen aan de behoefte van dat moment. Normaal zou dit gebeuren door verschillende radiosystemen mee te nemen. Er wordt door de TU Delft ook gewerkt aan precision docking met behulp van MST gebaseerde sensoren actuator-arrays. En er worden besturingsalgoritmen ontwikkeld waarmee de onderlinge posities van de satellieten kunnen worden bepaald en beïnvloed, waarbij zelfs de mogelijkheid van het aan elkaar koppelen van satellieten wordt onderzocht. Werkpakket B Het payloadsysteem. Binnen dit werkpakket worden systemen onderzocht die de nuttige lading van de satelliet vormen (experimenten voor wetenschappelijk onderzoek). Hier wordt door de TU Delft gewerkt aan door MST sensoren ondersteunde GPS en Galileo navigatieontvangers. Dit soort ontvangers zullen goed kunnen omgaan met grote versnellingen en plotselinge bewegingen en tijdelijk signaalverlies. Er wordt ook gewerkt aan de complete navigatiesoftware die de gegevens uit de nieuwe ontvangers kan verwerken en gebruiken om de kolonie te besturen. Op de TU Twente wordt gewerkt aan micro coolers en elektrostatische versnellingmeters en gradiometers (voor zwaartekrachtmetingen). Micro coolers zijn sterk geminiaturiseerde koelsystemen die prima in een picosatelliet passen en tot extreem lage temperaturen kunnen koelen (een paar graden Kelvin). Hiermee kunnen geminiaturi-

10

seerde sensoren, zoals infraroodsensoren, voldoende koud gemaakt worden om metingen van hoge kwaliteit te doen. Zo kan een picosatelliet ondanks de kleine afmetingen toch grote meetprestaties leveren. Werkpakket C In dit werkpakket houden onderzoekgroepen van de TU Delft samen met het bedrijf SystematIC zich bezig met de architectuur van de satelliet. Dat gaat o.a. over de mechanische opbouw van de picosatellieten. Er wordt gekeken welke materialen het best gebruikt kunnen worden om de picosatellieten te bouwen. (Ultra damage-tolerant aluminium alloys). Er wordt hier ook gekeken naar de manier waarop energie gedistribueerd kan worden in de satelliet. Hierbij moet de hoeveelheid bedrading tot een minimum worden beperkt en moet zeer efficiënt met de weinige energie (kleine batterijen of zonnepanelen) die beschikbaar is, om worden gegaan. Als laatste wordt in dit werkpakket ook de computerarchitectuur van de satellieten ontwikkeld. In een picosatelliet zullen diverse, wellicht speciaal ontwikkelde, processoren met elkaar samen werken. Verder zullen de processorsystemen van alle satellieten samen één grote virtuele processor moeten kunnen vormen die zware taken aan kan. Werkpakket D Dit werkpakket houdt zich met het echte koloniewerk bezig. De kolonie moet zelfstandig beslissingen kunnen nemen om zich te handhaven, zeker

wanneer het een deep-space missie betreft. Om veilig autonoom te kunnen formatievliegen, wordt een speciaal geleidingsysteem ontwikkeld en wordt veel aandacht besteed aan het modelleren van gedistribueerde regelsystemen. Onderzoek hieraan gebeurt op de TU Delft en de Universiteit van Groningen. Bij het formatievliegen hoort ook de mogelijkheid tot het maken van (kleine) bewegingen. Door de TU Twente wordt samen met TNO en de TU Delft gewerkt aan microvoortstuwingsystemen. Met MST gemaakte geminiaturiseerde motoren kunnen enkele micro-Newtons aan stuwkracht leveren. Dit is voldoende voor picosatellieten om zich veilig in de kolonie te kunnen verplaatsen.

Conclusie Binnen MicroNed wordt er gewerkt aan technologie die het mogelijk maakt een nieuwe manier van de verkenning van de ruimte in gebruik te nemen. Met een systeem waarvan in de natuur is bewezen dat het een van de beste overlevingskansen heeft. Kolonies van picosatellieten zullen verder komen dan ooit, langer overleven dan ooit en een schat aan nieuwe informatie leveren over een wereld waar het leven zwaar is. Het zal nog lang duren voor de eerste kolonie zal vertrekken en er moet nog erg veel onderzoek gedaan worden. Maar de eerste stap in de ruimte zal met de Delfi C3 al heel snel gezet worden. En dat is een goed begin.


Microsysteemtechnologie verpakt in een buisje Marcus Louwerse1, Berry Sanders2, Henry Jansen3

Microfabricage is de onderliggende techniek voor het fabriceren van microsystemen; het gereedschap voor het maken van high performance microsystemen. De technieken kunnen gebruikt worden voor het maken van druksensoren, versnellingmeters, gyroscopen, stromingsensoren, optische en RF schakelaars en bio/chemische systemen. Een ronde plak silicium of glas wordt gebruikt als basismateriaal. Deze plakken zijn een halve millimeter dik, hebben een diameter van 10 centimeter en worden wafers genoemd. De kristalstructuur van de silicium wafers is mono kristallijn en dat wil zeggen dat de atomen ordelijk gerangschikt zijn. Materiaaleigenschappen van deze wafers, als ook van aangebrachte lagen op dit substraat, spelen een cruciale rol in het succesvol fabriceren van microsystemen. ken in verschillende materialen waarbij een gestructureerde silicium wafer als stempel dient. Deze techniek zal hier niet uitgebreid besproken worden, de andere drie technieken wel.

Microsysteemtechnologie De microsysteemtechnologie (MST) maakt gebruik van de fabricagetechnieken uit de integrated circuit industrie, te weten film formatie, lithografie en film etsen. Door deze stappen herhaaldelijk uit te voeren worden er functionele structuren gemaakt. Figuur 1 geeft deze stappen weer. Bij film formatie wordt een laag op het substraat aangebracht of wordt er een laag gegroeid door middel van bijvoorbeeld oxidatie. Een film kan aangebracht worden, fysisch of chemisch, vanuit een gas-, vloeistof- of vaste stof fase. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen drie groepen films; geleiders, halfgeleiders en isolatoren. Na het aanbrengen van een film kan er een lithografie stap gedaan worden. Er wordt een lichtgevoelige laag (photoresist) op het substraat aangebracht waarna deze door een masker wordt belicht. Na het belichten wordt de fotogevoelige laag ontwikkeld en kan de onderliggende film geëtst worden. Het etsen kan gedaan worden in verschillende omgevingen; vloeistof fase (nat etsen) of plasma- of gas fase (droog etsen). Nat etsen is vaak een puur chemisch proces. Het substraat met daarop de film wordt ondergedompeld in, of besproeit met, een etsvloeistof waarin de film oplost. Plasma etsen is vaak een combinatie van chemische en fysische processen. Het substraat wordt gebombardeerd met ionen waardoor


Figuur 1. Basisstappen van boven naar onder: Film aanbrengen, Photoresist aanbrengen, Belichten door een masker, Ontwikkelen van photoresist, Etsen van de film. [M. Louwerse]

er materiaal wordt verwijderd door de overdracht van momentum. Aan deze basisstappen zijn gespecialiseerde technieken toegevoegd die het mogelijk maken om drie dimensionale en vrij opgehangen structuren te maken. Deze gespecialiseerde fabricagetechnieken kunnen worden opgedeeld in vier hoofdcategorieën: bulk, surface, bond en mould microfabricage. Mould microfabricage is een techniek voor het maken van afdruk-

Bulk microfabricage Bulk microfabricage is één van de eerste processen die in de microtechnologie werd toegepast. De techniek richt zich op het bewerken van het substraatmateriaal om zo een functionele structuur te verkrijgen. Dit wordt gedaan door delen van het substraat weg te etsen door middel van een reeks depositie, lithografie en ets stappen gevolgd door het nat- of droog etsen van het substraat. Figuur 2 laat twee processen zien voor het maken van een stromingsensor door gebruik te maken van nat etsen. De stromingsensor bestaat uit een platina weerstand op een silicium nitride membraan. De verwarmde weerstand verliest zijn warmte aan de vloeistof die erlangs stroomt waardoor de weerstandswaarde verandert. De hoeveelheid stroming wordt verkregen door de verandering in weerstand te meten. De platina weerstand is op een silicium nitride membraan geplaatst

Figuur 2. Stromingsensor fabricagetechnologie. [M. Louwerse]

11

zodat deze thermisch is geïsoleerd van het siliciumsubstraat wat de prestatie van de sensor ten goede komt. In de eerste fabricage stap (Figuur 2 links) wordt aan beide kanten van het substraat een silicium nitride film aangebracht en aan de achterzijde gepatroneerd. Om de weerstand te maken wordt vervolgens aan de bovenzijde platina aangebracht en gepatroneerd. Uiteindelijk wordt het substraat geëtst zodat het silicium nitride membraan over blijft. Bij dit proces wordt het substraat van twee kanten bewerkt. Dit kan een nadeel zijn omdat de maskers voor de voor- en achterzijde op elkaar uitgelijnd moeten worden en hiervoor is gecompliceerdere lithografie apparatuur nodig. Een alternatief is om van één kant bewerkingen te doen zoals Figuur 2 (rechts) laat zien. Het ontwerp van het masker voor deze methode is echter iets gecompliceerder. Figuur 4.a laat een stromingsensor zien die op deze manier gemaakt is. Voor het etsen van het substraat wordt een etsmiddel gebruikt dat, afhankelijk van de kristal oriëntatie van silicium, in de ene richting wel etst en in de andere niet. Het etsen stopt op bepaalde kristalvlakken wat zorgt voor goed gedefinieerde gladde vlakken. Hierdoor krijgt het geëtste siliciumsubstraat de hoekige vorm. Van deze eigenschap kan gebruik gemaakt worden maar het beperkt ook meteen de mogelijke vormen die gemaakt kunnen worden. Deze manier van nat etsen wordt orientation dependent etching (ODE) genoemd. Het is een goedkoop

proces en kan goed gebruikt worden voor massaproductie. Niet alleen de beperking in vorm is een nadeel van ODE. De vlakken waarop het etsen stopt zijn schuin ten opzichte van het substraatoppervlak en daardoor is het membraan op de bovenzijde van het substraat een stuk kleiner dan de maskeropening aan de onderzijde. Dit resulteert in relatief grote chips. Verder komt de uitlijning van het masker op de kristaloriëntatie van het silicium erg precies. Een voorbehandeling is nodig om de exacte kristaloriëntatie te bepalen. Om vrijer te kunnen zijn in de vorm en om gecompliceerdere structuren te kunnen maken, zijn er plasma-ets technieken ontwikkeld. Deze techniek is over het algemeen niet afhankelijk van de kristaloriëntatie. Figuur 3 (links) laat een vrij opgehangen siliciumstructuur zien, gemaakt door een combinatie van anisotroop en isotroop etsen. Eerst worden er groeven geëtst door middel van verticaal plasma etsen (anisotroop). Vervolgens wordt er een beschermlaag aangebracht in de groef. De beschermlaag wordt van de bodem van de groef weggeëtst gevolgd door een tweede plasma-ets stap (isotroop). Uiteindelijk wordt een metaallaag aangebracht die dient als elektrisch contact met de vrij hangende structuur. Op deze manier kan een comb-drive actuator gemaakt worden (Figuur 4.b). Deze comb-drive bestaat uit een groot aantal vingers die elkaar elektrostatisch aan kunnen trekken. Door de groeven, die in de eerste ets

Figuur 3. Vrij opgehangen siliciumstructuur. [M. Louwerse]

12

a

b

c Figuur 4. Stromingsensor. [M. Louwerse]

stap worden gemaakt, minder breed te maken is het mogelijk om deze weer op te vullen zoals te zien is in Figuur 3 (rechts). Hierdoor ontstaan er kanalen onder het oppervlak (Figuur 4.c), de zogenaamde buried channels. Het is mogelijk om gecompliceerdere structuren met ODE te maken door gebruik te maken van specifieke maskers of door ODE te combineren met plasma etsen. Figuur 5 laat drie van vele mogelijkheden zien: a. Silicium fan; b. Serie micro naalden die gemaakt zijn door een combinatie van ODE en plasma etsen; c. Micro pipetje voor vloeistof injectie. Surface microfabricage Surface microfabricage is een techniek die wordt gebruikt voor het maken van vrij opgehangen structuren op het oppervlak van een wafer. Figuur 6 laat


a

b

c

Figuur 5. Gecompliceerde structuren die met ODE gefabriceerd kunnen worden. [M. Louwerse]

een standaard proces flow zien. Eerst wordt er een laag aangebracht op het oppervlak van het substraat die uiteindelijk weer wordt opgeofferd. Deze laag wordt dan ook een sacrificial layer genoemd. Deze laag wordt gepatroneerd om ankerpunten te maken. Op deze punten komt de vrij opgehangen structuur op het substraat vast te zitten. Door de dikte van de sacrificial layer te controleren wordt de afstand tussen de uiteindelijke structuurlaag en het substraat bepaald. Vervolgens wordt er een tweede laag aangebracht; deze laag wordt de structural layer genoemd. Deze laag wordt gepatroneerd met toegangsgaten tot de sacrificial layer zodat deze uiteindelijk weggeëtst kan worden en er een vrij opgehangen structuur overblijft. Polykristallijn silicium (polysilicium) wordt vaak gebruikt


als structural layer, en silicium dioxide wordt vaak gebruikt als sacrificial layer. De laatste etsstap in het proces wordt gedaan met waterstoffluoride wat het siliciumdioxide verwijdert en het polysilicium en het silicium substraat onaangetast achterlaat. Een welbekend probleem bij het wegetsen van de sacrificial layer komt naar voren wanneer de structural layer vrij komt te hangen. Deze structural layer kan onder stress staan waardoor de laag kan vervormen. Om dit te voorkomen is een gecontroleerde depositietechniek nodig zodat de stress in de laag bekend is en er in het ontwerp rekening mee gehouden kan worden. Een ander probleem bij dit proces zijn beschadigingen aan de structural layer veroorzaakt door bubbels of door het schoonspoelen van de wafers. Als laatste is er het fenomeen stictie; het blijvend vastplakken van delen van de structural layer aan het substraat na het drogen van de wafers. Deze problemen zijn op te lossen door de natte etsstap van de sacrificial layer te vervangen door een droge etsstap. Dit is mogelijk wanneer er andere materialen gebruikt worden. Er kan een metaallaag gebruikt worden waaronder zich een photoresist laag bevindt die verwijderd kan worden met een dry oxygen plasma. Figuur 7 laat drie voorbeelden zien die door middel van surface microfabricage gemaakt zijn: a. Kanalen waarvan de kleinste ongeveer 1µm breed en 3µm

Figuur 6. Standaard processchema surface microfabricage. [M. Louwerse]

a

b

c

Figuur 7. Voorbeelden van surface microfabricage. [M. Louwerse]

hoog is. Deze kanalen kunnen gebruikt worden voor o.a. microcooling; b. Een spiegeltje dat gebruikt kan worden als laser beam deflector of voor het meten van RF vermogen door een transmissielijn door de doorbuiging van de spiegel te meten; c. Wobbel motor; het tandwiel wordt één voor één door de onderliggende elektrodes naar het substraat oppervlak getrokken waardoor het tandwiel een ronddraaiende beweging maakt. Als ware het een punaise die, met de scherpe naald op een tafel rustend, om zijn as tordeert. Bond microfabricage Bond microfabricage is een proces waarbij twee wafers een binding aangaan en er een structuur ontstaat aan het raakoppervlak tussen de wafers. Figuur 8 laat het standaard proces schema zien; er worden groeven geëtst in één van de wafers en vervolgen

13

Figuur 8. Standaard processchema bond microfabricage. [M. Louwerse]

aan een andere wafer gebond en vervolgens wordt de capping wafer opgelost. Er blijft een kanaal staan met de vorm van een halve buis (Figuur 10.b). Op dit kanaal kunnen lagen aangebracht worden voor sensor (stromingsensor) of actuatie (schakelaar) doeleinden. Ook kunnen ze gebruikt worden voor het lokaal koelen van gevoelige structuren.

Packaging

Figuur 9. Bond microfabricage (etsen substraat). [M. Louwerse]

worden de wafers met elkaar verbonden. Er zijn twee variaties mogelijk. Bij de eerste methode wordt het substraat zelf geëtst zoals in figuur 9 te zien is. Bij de tweede methode wordt er gebruik gemaakt van een extra gepatroneerde tussenlaag waarvan de dikte goed gedefinieerd is. Toegangsgaten kunnen door de wafers heen worden geëtst om de holtes toegankelijk te maken. Figuur 10a laat een voorbeeld zien van de eerste methode. Eerst wordt het silicium substraat 50 nm ingeëtst. Dan volgt er een procedure om de wafer oppervlaktes zo schoon mogelijk te maken zodat deze een goede binding met elkaar aan kunnen gaan. In de laatste stap worden de wafers aan elkaar gesmolten op een temperatuur van 1100° C gedurende twee uren. Deze hoge temperatuur stap kan vervangen worden door andere bond methodes. De geëtste silicium wafer kan bijvoorbeeld aan een borofloat glas wafer verbonden worden op een temperatuur van 400° C. Deze temperatuur is laag genoeg om plastische deformatie van het glas, en daardoor het mogelijk sluiten van de nanokanalen, te voorkomen. Andere bond kandidaten zijn

14

glas op glas, twee geoxideerde silicium wafers of wafers gecoat met bijvoorbeeld een polymeer. De mogelijkheden van bond microfabricage worden enorm uitgebreid wanneer één van de wafers, de capping wafer, wordt opgelost gedurende het proces. Figuur 9 laat zo een uitgebreid processchema zien. In de eerste stap worden er groeven geëtst in de capping wafer en hierop wordt een capping laag aangebracht. De capping wafer wordt

a

Na de fabricage van een microsysteem is deze over het algemeen nog niet operationeel. Het systeem moet ingepakt worden en heeft interfaces met de buitenwereld nodig. De packaging, zoals dit genoemd wordt, van microsystemen is over het algemeen niet eenvoudig. Tot wel de helft, en soms zelfs meer, van de productiekosten voor een werkend microsysteem gaat zitten in packaging. Dit komt voornamelijk doordat de packaging voor ieder microsysteem anders is. Voor een succesvolle packaging moet rekening gehouden worden met de soms vijandige omgevingsomstandigheden waarin het microsysteem moet werken. Ook mechanische, elektrische- en vloeistof aansluitingen spelen een belangrijke rol. Vaak wordt de packaging los van het microsysteem ontwikkeld. Er is echter een andere benadering mogelijk. Door van een bepaalde packagingtechniek uit te gaan en het microsysteem daar in te passen, wordt packaging een onderdeel van microfabricage.

Microvoortstuwing

b

Figuur 10. Voorbeelden van bond microfabricage. [M. Louwerse]

Momenteel wordt er een microvoortstuwingsysteem ontwikkeld aan de Universiteit Twente in samenwerking met TNO Defensie en Veiligheid en de Universiteit Delft, waarbij de packaging het uitgangspunt voor het ontwerp is. Dit microvoortstuwingsysteem is ontworpen voor cubesats die in formatie moeten kunnen vliegen en daarvoor enkele milliNewtons voortstuwing


Figuur 11. Impressie van een micro voortstuwingsysteem voor cubesats. [Cubesat XI-V ESA/SSETI Team]

nodig hebben. Het is een koudgas voortstuwingsysteem en bestaat uit een deeltjesfilter, een druksensor, een klepje en een nozzle. Door het klepje te openen wordt er een kleine hoeveelheid gas onder druk door de nozzle geperst en tot supersonische snelheden versneld. In het ontwerp ligt de nadruk op de integratie van al deze onderdelen in een microsysteem. Figuren 11 en 12 laten een impressie van het microsysteem zien. Het uitgangspunt voor de packaging is een glazen buisje waarin de verschillende componenten zijn geïntegreerd. Dit glazen buisje is op een silicium wafer gesmolten (nog een toepassing van bond microfabricage) waarin zich de klepzitting en de

nozzle bevinden. De klepzitting en de nozzle zijn gemaakt door middel van directioneel plasma etsen. Het is van belang dat de klepzitting een vlak en glad oppervlak heeft zodat de klep goed kan sluiten. Op de klepzitting wordt een piezo-disc gelegd die de klep afsluit. De piezo-disc wordt ingeklemd met nog een silicium wafer. In deze wafer is een filter gemaakt zodat er geen grote deeltjes in de klep vast kunnen komen te zitten waardoor de klep gaat lekken. De piezo-disc moet net als de klepzitting, vlak en glad zijn. Door een spanning over de piezo-disc te zetten bolt de disc op en kan er gas omheen stromen zodat de klep geopend is. Als laatste wordt er een silicium ring in het

buisje gestapeld waar een druksensor in zit. Deze sensor bestaat uit een silicium nitride membraan met daarop rekstrookjes die van weerstand veranderen als ze opgerekt worden. De druk wordt verkregen door de verandering in weerstand te meten wanneer het membraan opbolt door een drukverschil. Een schroefdraad aan het glasbuisje maakt het eenvoudig om het microsysteem te bevestigen aan een druktank of een ander macrosysteem. De afmetingen van dit systeem worden grotendeels bepaald door de actuator van de klep. De diameter van de piezodisc is namelijk 12,7mm en heeft een uitwijking van 19µm onder een spanning van 360 volt. De hoge spanning die de actuator nodig heeft kan een nadeel zijn vanwege de extra elektronica die hiervoor nodig is. Uiteindelijk weegt dit microsysteem, zonder elektronica, niet meer dan 5 gram, wat voor microsatellieten zeer acceptabel is. De toepassingen voor het glasbuisje als package zijn legio. Denk bijvoorbeeld aan filtersystemen, klepjes en geïntegreerde sensoren in buissystemen. Het concept biedt een eenvoudige manier om microsystemen met de macrowereld te verbinden.

Figuur 12. Schematische werking van een micro voortstuwingsysteem voor cubesats. [M. Louwerse]

1

Afdeling Transducer Science & Technology, Universiteit Twente ([email protected]) TNO Defensie en veiligheid 3 Afdeling Transducer Science & Technology, Universiteit Twente 2


15

CubeSats Ir. E. van Breukelen ISIS

CubeSats zijn de meest recente stap in een trend die steeds kleinere satellieten mogelijk maakt en razend populair, vooral bij universiteiten. Wereldomvattend ontwerpen en bouwen momenteel ruim tachtig universiteitsgroepen CubeSats en dit aantal blijft maar groeien. Ook enkele bedrijven wagen zich al in deze opkomende markt met subsystemen, complete satellieten en lanceermogelijkheden. [www.isispace.nl]

Na een spectaculaire start in 2003, met de lancering van de eerste zes CubeSats die waren gebouwd aan universiteiten in Japan, Canada, de VS en Denemarken, bleef het een tijdje stil op lanceergebied. In 2005 en 2006 is het tempo van lanceringen echter al flink opgelopen. Drie CubeSats werden gelanceerd met de SSETI Express studentensatelliet van ESA en in februari 2006 ging een Japanse CubeSat omhoog. Een zware slag was de mislukte lancering van 14 CubeSats op 26 juli 2006. Voor de rest van 2006 en voor 2007 staan al meerdere lanceringen gepland, waaronder op 30 juni 2007 de lancering van de eerste Nederlandse CubeSat, de Delfi C3 satelliet van de TU Delft. CubeSats zijn zo populair, omdat het concept de lancering van een satelliet veel gemakkelijker maakt. Voor een satelliet die voldoet aan de CubeSat specificaties

16

kan relatief gemakkelijk een volledig verzorgde lancering ingekocht worden. Door de lage massa blijven de kosten beperkt.

Het CubeSat programma Het CubeSat programma, opgezet op California Polytechnic State University (CalPoly) in samenwerking met Stanford University, biedt een compleet kader met specificaties en richtlijnen voor het ontwerp, de ontwikkeling en de lancering van pico- en nanosatellieten tot drie kilogram. Een standaard CubeSat, of 1-Unit, is een kubus met zijden van tien centimeter en heeft een maximale massa van een kilogram. Door kubussen samen te voegen kunnen ook 2-Unit en 3-Unit CubeSats ontwikkeld worden, met massa’s van maximaal twee en drie kilogram.

Een CubeSat wordt gelanceerd in een kokervormige lanceeradapter, een zogenoemde Pico satellite Orbital Deployer (POD), waarin drie 1-Unit CubeSats worden geplaatst. Dit kan uiteraard ook een 1-Unit met een 2Unit of één 3-Unit CubeSat zijn. De satellieten worden vervolgens na lancering op het juiste moment met behulp van een veersysteem uit de POD geschoven. Doordat de CubeSats gedurende de lancering opgesloten zitten in de lanceeradapter, worden de onderhandelingen om als secundaire lading op een draagraket mee te gaan eenvoudiger. De POD zorgt er namelijk voor dat de CubeSats nooit schade kunnen aanrichten aan de primaire lading. Binnen het CubeSat programma fungeren verschillende partijen als lanceermakelaars, die deze als pakket aan-


bieden, compleet met lanceeradapter, acceptatietest en integratie met het lanceervoertuig. De twee belangrijkste partijen hierin zijn CalPoly, met hun PPOD als adapter, en Toronto University, die een gelijksoortige lanceeradapter hebben ontwikkeld, T-POD genaamd. In prijs verschillen de twee overigens weinig. Het complete pakket kost 40.000 tot 50.000 dollar per 1-Unit CubeSat, ofwel per kilogram. Groei De eerste CubeSats openden de ogen bij universiteitsgroepen over de hele wereld, ook aan de TU Delft. Eind 2004 waren alle ingrediënten aanwezig om in Nederland aan een missie te beginnen. Het bestaande Delfi-1 satellietproject was te ambitieus gebleken om een complete satelliet te kunnen bouwen en te lanceren en nu deed een veel laagdrempeliger alternatief zich aan. Bovendien was er vanuit Dutch Space en TNO de wens om nieuwe ruimtevaarttechnologieën te demonstreren op een werkende satelliet. Het Delfi C3 project, waarover Ruimtevaart in de 2006|2 uitgave al heeft bericht, was gestart. Intussen is de CubeSat community gegroeid tot de ruim tachtig ontwikkelaars wereldwijd, maar de onderlinge verschillen zijn groot. Waar sommige projecten bedrijfsleven en universiteit volledig achter zich hebben staan, zijn andere projecten opgezet als studenteninitiatief en hebben te maken met veel scepsis en problemen met financiering en beschikbare expertise. Een voorbeeld van een project waar het erg goed ging is het CUTE 1.7 project. Een eigen lancering, de ervaring van een eerdere missie en een groot team leidden tot een succesvolle missie begin 2006. Alle puzzelstukken waaruit een capabele systeembus bestaat, worden wel ergens ontwikkeld. Op het gebied van actuatoren zijn dat onder andere momentum wheels, ionenmotoren, koud gas voortstuwingsystemen en arc thrusters. Sensoren zoals star trackers,


CMOS camera’s, gyro sensors, complete inertial measurement units, en sun sensors worden ontwikkeld en missiedoelen variëren van technologiedemonstraties voor betrokken bedrijven, proof of concept demonstraties van technieken en principes, ontwikkeling van microsysteemtechnologie voor andere platformen, tracing van routes van trekvogels, detectie van illegale lozingen op zee en detectie van gamma ray bursts, tot pure public relations, met als toppunt het maken van kleurenfoto’s en het uitzenden van het volkslied van Columbia.

Commercialisering en de rol van Nederland Niet alleen Boeing en de andere grote satellietbouwers zijn geïnteresseerd in CubeSats. De CubeSat workshops en conferenties over kleine satellieten worden goed bezocht door de grote partijen, ook al lijkt de interesse nog vooral op het gebied van personeelswerving te liggen. Begrijpelijk, aangezien een voor de ruimtevaart ongekende situatie is ontstaan. Er komen studenten van de universiteit die niet alleen de juiste boeken hebben doorgewerkt, maar die al aan een eerste echte missie hebben meegewerkt. Niet in de rol van jongste bediende, maar vaak met grote verantwoordelijkheden voor technisch management, een eigen subsysteem, of het organiseren van de lanceercampagne. Momenteel zijn het juist de kleine bedrijven die echt op de CubeSat trein springen. Vaak zijn de bedrijven betrokken bij een van de CubeSat projecten. In de VS lopen Pumpkin Inc. met bouwpakketten, Tethers Unlimited Inc. met, hoe kan het ook anders, een CubeSat tether en Ecliptic Enterprises met de RocketPod lanceeradapter. Ook op het gebied van het aanbieden van CubeSat lanceringen zijn een aantal nieuwe initiatieven aan het ontstaan. Een groot probleem blijft de International Trade In Arms Regulations

wetgeving van de VS, die een grote barrière opwerpt bij het zaken doen tussen ruimtevaartbedrijven in de VS en de rest van de wereld. Dichterbij huis zit men ook niet stil. In Nederland en Europa zijn de volgende bedrijven nu actief op het gebied van CubeSats. ISIS – Innovative Solutions In Space, waarvan de auteur medeoprichter is. ISIS levert subsystemen voor CubeSats en heeft de ambitie om uit te groeien tot system integrator voor kleine missies met CubeSats en andere kleine satellieten. ISIS is een spin-off van het Delfi-C3 project aan de TU Delft. GOMSpace levert CubeSat subsystemen in samenwerking met ISIS. GOMSpace wordt momenteel opgericht door alumni van het AAUSAT team. Clyde Space. Een oud-medewerker van SSTL in Surrey, richt zich met zijn nieuwe Ierse bedrijf op het leveren van betrouwbare electrical power systems voor kleine satellieten, waaronder CubeSats. Verder zijn zoals gezegd in Nederland zowel TNO als de bedrijven Dutch Space en SystematIC betrokken bij het Delfi C3 project. Bovendien loopt bij TNO en de TU Delft onderzoek naar microvoortstuwingsystemen voor CubeSats en andere kleine satellieten. Universiteiten en instituten over heel Europa zijn betrokken bij CubeSat projecten. Nu in de zomer van 2007 de eerste Nederlandse CubeSat zal worden gelanceerd, liggen er grote kansen voor Nederland. Er zijn obstakels en de lanceermarkt loopt nog achter op de grote vraag naar CubeSat lanceringen. Bovendien moet er nog veel gebeuren om CubeSats betrouwbaarder te maken, maar daar wordt over de hele wereld aan gewerkt. Ook in Nederland wordt, binnen het MicroNed MISAT programma, hard gewerkt aan enabling technologies voor zwermen en constellaties van kleine satellieten en ook op commerciële basis wordt technologie ontwikkeld voor kleine satellieten door bedrijven zoals ISIS.

17

Bronnen en links Helaas, of gelukkig, zijn er zoveel CubeSat projecten, dat het niet mogelijk is om in dit artikel alle losse missies te beschrijven. Bent u nieuwsgierig geraakt, dan vindt u op www.isispace.nl een collectie goede weblinks naar de meest recente webpagina’s over CubeSats. De meest veelbelovende projecten om in de gaten te houden zijn waarschijnlijk GeneSat, een CubeSat met een biologisch experiment, in een samenwerking van NASA en drie universiteiten. Ook is er een hele serie satellietprojecten die momenteel lopen aan de University of Toronto. Hier wordt een tweede ‘CubeSat’ standaard van 20 bij 20 cm ontwikkeld die nog ambitieuzere missies mogelijk moet maken. Ook Boeing schijnt binnenshuis een CubeSat gebouwd te hebben, maar details zijn hierover praktisch niet bekend. Delfi C3 artikel Ruimtevaart 2006|2 CubeSat website: www.cubesat.org Beste overzicht van alle CubeSat missies: mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php De Delfi C3 missie van de TU Delft: www.delfic3.nl Website van ISIS, met meer informatie en links: www.isispace.nl

De eerste CubeSats De eerste CubeSats geven een goed idee van de huidige mogelijkheden van het platform. Hieronder zijn twee van de originele zes missies uitgelicht. De eerste satellieten waren lang niet allemaal een technisch succes. Belangrijk om te bedenken is dat het bouwen van een functionele satelliet, hoe klein ook, met de beperkte middelen en ervaring van een universiteitsgroep geen kleine prestatie is. Naam

Ontwikkelaar

Land

Technisch resultaat

AAUsat CanX-1 CUTE-I DTUsat QuakeSat XI-IV

Aalborg University University of Toronto Tokyo Institute of Technology Technical University of Denmark Stanford University& Quakesat LLC University of Tokyo

Denemarken Canada Japan Denemarken USA Japan

Gedeeltelijk succes Geen contact Gedeeltelijk succesvol Geen radiocontact Succesvol experiment Succes, zelfs camera werkte

Quakesat Dit project is ronduit de meest ambitieuze missie van de eerste lichting CubeSats. QuakeSat is gebouwd aan Stanford University in samenwerking met het bedrijf Quakefinder. Een uiterst professioneel team, onder lei-

Quakesat tentoongesteld. [www.quakefinder.com]

18

ding van Bob Twiggs (de bedenker van het CubeSat concept) stond aan de basis van deze satelliet. De satelliet demonstreerde dat het mogelijk is om vanuit de ruimte ELF (extremely low frequency) elektromagnetische signalen op te vangen. Deze signalen gaan

vooraf aan het optreden van aardbevingen en kunnen dus gebruikt worden in een waarschuwingsysteem. AAUSAT In contrast met het team achter QuakeSat is AAUSAT gebouwd door een klein team van voornamelijk studenten van Aalborg University in Denemarken. De belangrijkste lading was een kleine camera, maar de missie had maar gedeeltelijk succes. Door een kortsluiting van de antennes werd enkel een zwak bakensignaal ontvangen. Ook bleek kort voor lancering dat de accu niet erg geschikt was voor toepassing in vacuüm. Een geïmproviseerde oplossing heeft het uiteindelijk enkele maanden uitgehouden. Wat dit kleine team heeft bewezen is dat een universiteitsteam met beperkte ervaring


AAUSAT final integrated flight model [www.cubesat.auc.dk]

een satelliet kan bouwen en lanceren, met ongekend succes. Ondanks de technische problemen was dit een enorme prestatie en de leden van het oorspronkelijke team zijn tegenwoordig in Europa veelgevraagde experts bij andere kleine satellietprojecten. CUTE 1.7 De studenten van Tokyo Institute of Technology kozen de aanduiding 1.7 voor hun satelliet die de CUTE-1 satelliet opvolgt waarschijnlijk vanwege het feit dat een langer lopend project nummer 2 niet wilde afstaan. CUTE 1.7 test een zogenaamde Avalanche Photo Diode sensormodule en een methode om baanveranderingen uit te voeren met behulp van een 10 meter lange stroomvoerende draad en elektronenemitter die in wisselwerking met het magnetisch veld van de aarde een lorentzkracht opwekt. Op de foto


wordt de satelliet geïntegreerd, let op de afwijkende vorm (2-unit CubeSat die in een 20 cm brede POD gelanceerd

wordt) en het losse paneel dat ook in de ruimte los zal laten om de 10 meter lange draad uit te rollen.

CUTE 1.7 integration [www.jarl.or.jp]

19

Smallsats, CubeSats en andere terminologie Constellatie

Een groep samenwerkende satellieten. Constellaties worden nu al ingezet voor aardobservatie, communicatie en plaatsbepaling.

Cubesat

Een satelliet die zich houdt aan de CubeSat ontwerpstandaard. Deze standaard maakt het onder andere mogelijk om gebruik te maken van een bestaande infrastructuur voor lanceringen. De standaard 1-Unit CubeSat is een kubus van 10 bij 10 bij 10 cm groot met een maximum massa van 1 kg. Er zijn ook 2-Unit en 3-Unit CubeSats mogelijk. Een 3-Unit CubeSat zoals Delfi C3 is 10 bij 10 bij 33 cm met een massa van maximaal 3 kg. In 2003 werden de eerste CubeSats gelanceerd.

Delfi C3 satelliet

De 3-Unit CubeSat van de TU Delft die in 2007 wordt gelanceerd. Dit wordt dan de vierde Nederlandse satelliet. Alle oprichters van ISIS zijn betrokken bij dit project.

Smallsat

Korte spreekterm voor kleine satelliet. De opvatting van het begrip klein hangt nogal af van de spreker. Het Amerikaanse ministerie van defensie vindt alle satellieten onder de 1000 kilo al gauw klein. Een praktische interpretatie door veel satellietbouwers is dat een smallsat nog met de hand verplaatst kan worden.

Microsatelliet

Type satelliet met massa tussen 10 en 100 kg. Kleine klasse van satellieten die opkwam eind jaren ’80 en begin jaren ’90. Tegenwoordig een gevestigd marktsegment.

Nanosatelliet

Nieuwe, nóg verder geminiaturiseerde klasse satellieten, lichter dan 10 kg. Dat zelfs met een satelliet van 1 kg een nuttige missie kon worden uitgevoerd, werd bewezen in 2003 met de lancering van de eerste 1-Unit CubeSats.

Picosatelliet

Voor satellieten van 1 kg en lichter wordt soms de term picosatelliet gebruikt. De eerste promovendi werken tegenwoordig al aan concepten voor zogenaamde chipsats, dus misschien dat binnenkort de term femtosat ook nog geopperd wordt. Aan schaalaanduidingen is in ieder geval geen gebrek.

Overzicht satelliet categorieën [G.D. Hazebroek]

20


Draagraketten voor microsatellieten Gerben Hazebroek en Berry Sanders

Microsatellieten worden steeds krachtiger. Deze trend zal zich door het inzetten van microtechnologie alleen maar verder blijven voortzetten. Hierdoor zullen ook steeds hogere eisen worden gesteld aan de baan waarin microsatellieten vliegen. Gebruikers van microsatellieten zullen, om hun hoogwaardige missies goed uit te kunnen voeren, een specifieke baanhoogte en inclinatie willen. Om dit te bewerkstelligen is eigenlijk een aparte lanceerraket voor elke kleine microsatelliet nodig. Dit artikel geeft een overzicht van de huidige mogelijkheden voor het lanceren van kleine microsatellieten met een massa van kleiner dan 50 kg, de ontwikkelingen in de nabije toekomst en mogelijke ontwikkelingen op de langere termijn.

Inleiding Op dit moment worden vrijwel alle kleine microsatellieten samen met een hoofdlading gelanceerd. Hierdoor kunnen zij niet de optimale baan kiezen; deze wordt immers bepaald door de hoofdlanding. Voordeel is wel dat de lancering relatief goedkoop is. Ondanks de ruime keuze aan lanceermiddelen, zijn er voor een specifieke lancering van een kleine satelliet, met uitzondering van enkele geconverteerde Russische ballistische raketten en gezamenlijke lanceringen met grote draagraketten, nog altijd geen speciale draagraketten voor microsatellieten. Dit is opvallend, aangezien de opkomst van microsatellieten voor een belangrijk deel voortkomt uit de toenemende vraag naar een kostenefficiënt gebruik van de ruimte. Daarnaast claimen fabrikanten van microsatellieten ook dat de tijdsduur van een lanceercampagne wordt gereduceerd. Deze voordelen kunnen alleen goed tot hun recht komen indien er speciale draagraketten beschikbaar zijn, die relatief goedkoop en binnen kort tijdsbestek microsatellieten kunnen lanceren.

ballistische draagraketten. NPO Mashinostroyenia FSUE bouwt de op de SS-19 Stiletto gebaseerde Strela. Dit is een relatief eenvoudige tweetraps draagraket die een lading tussen 600 en 1700 kg in een lage omloopbaan kan brengen. De drietrapsvariant van de SS-19 is Rockot, een project van Khrunichev, die is ontworpen om satellieten met tot maximumgewicht van 2000 kg in een lage omloopbaan te brengen. Samen met het Europese EADS Astrium is de EuRockot joint venture opgericht, die sinds 2000 commerciële lanceringen aanbiedt vanaf de Russische lanceerbases Plesetsk en

Svobodny. Sinds de eerste lancering in 1994 zijn er acht Rockots gelanceerd, de laatste op 28 juli 2006. JSC Puskovie Uslugi is een andere speler in dit segment van de lanceerindustrie. De aangeboden Start-1 is een gemodificeerde viertrapsvariant van de SS-25 Sickle mobiele ICBM. Deze raketten zijn ontworpen voor nuttige ladingen van vele honderden kilo’s tot enkele tonnen en daarom eigenlijk ongeschikt. Alleen de vanuit een duikboot gelanceerde Shtil en Volna raketten hebben een lading die in de buurt komt van die van een kleine satelliet. Deze raketten zijn echter niet erg betrouwbaar gebleken.

Huidige mogelijkheden Lancering vanaf land Rusland is de voornaamste aanbieder van lanceercapaciteit voor microsatellieten. Hierbij wordt uitsluitend gebruik gemaakt van gemodificeerde


Het Oekraïense ruimtevaartbedrijf Yuzhnoye presenteerde op de ILA lucht- en ruimtevaartbeurs van Berlijn het Microspace Air Launch concept. [G.D. Hazebroek]

21

Belangrijker is de grote flexibiliteit om satellieten direct in een omloopbaan met optimale inclinatie te brengen. Bij een lancering vallen rakettrappen terug naar aarde en leveren zo een risico op voor gebieden die direct onder de lanceerbaan liggen. Hierdoor worden geopolitieke- en veiligheidsbeperkingen gesteld aan de richtingen waarin gelanceerd wordt. Om een satelliet alsnog in de juiste baan te krijgen zijn energieverslindende manoeuvres in de ruimte nodig, die de levensduur bekorten en de mee te nemen lading reduceren. Deze eisen gelden echter niet voor lanceringen vanuit vliegtuigen, mits de inslaggebieden voor de rakettrappen boven zee liggen. Ten slotte zijn de prestaties van de draagraket gunstiger doordat deze bij lancering profiteert van de snelheid van het draagvliegtuig.

An-124-100VS van het Russische Air Launch. [G.D. Hazebroek]

Ook in de westerse wereld wordt meer aandacht gegeven aan het specifiek lanceren van kleine satellieten. Naast de al jaren operationeel zijnde Pegasus, die vanaf een vliegtuig wordt gelanceerd, is dit jaar voor het eerst een poging gedaan de Falcon 1 van het bedrijf SpaceX te lanceren. De lancering mislukte, maar voor het einde van 2006 gaat men het opnieuw proberen. In Europa wordt er gewerkt aan de Vega raket waarmee kleine satellieten gelanceerd kunnen worden. Echter, al deze raketten hebben nuttige ladingen die reiken van 200 kg (Pegasus) tot 1500 kg (Vega) en zijn daarom niet erg geschikt voor een enkele lancering van een satelliet van 50 kg of minder. Daarbij lopen de kosten per lancering op tot vele miljoenen Euro’s, wat te duur is voor de meeste kleine satellieten.

Nabije toekomst Lancering vanaf draagvliegtuigen Een mogelijkheid om kleine satellieten goedkoop en efficiënt te lanceren, is gebruik te maken van een draagvliegtuig. Met de Pegasus raket wordt dit principe al vele jaren toegepast en op dit moment onderzoekt men deze mogelijkheid serieus voor het lanceren van kleine satellieten. De lancering van microsatellieten met behulp van door vliegtuigen afgevuurde draagraketten, ook wel aangeduid als Air-based Space Launch Systems (ABSL), biedt een aantal voordelen boven lanceringen vanaf land. Zo zijn er geen uitgebreide grondgebonden lanceerfaciliteiten nodig. Ook kan in principe vanaf ieder vliegveld worden geopereerd, zodat de afhankelijkheid van het beperkte aantal lanceerbases verder afneemt.

Al sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw worden studies uitgevoerd om vliegtuigen als lanceerplatform voor draagraketten te gebruiken. Gemodificeerde verkeersvliegtuigen en strategische bommenwerpers kunnen ladingen tot ruim een ton lanceren, gevechtsvliegtuigen lichtere ladingen tot 100 kg. EADS publiceerde in 2004 plannen om met een viermotorig A340-600 verkeersvliegtuig een drietrapsraket van 21 ton te lanceren, waarmee ladingen tot 1200 kg in een 300 km hoge omloopbaan kunnen worden gebracht. Andere Westerse initiatieven stellen voor om bijvoorbeeld de Eurofighter Typhoon en de CF-18 Hornet jachtvliegtuigen als lanceerplatform te gebruiken. Ook wordt het gebruik van een onbemand vliegtuig

Tabel 1: Eenvoudig Micro Ground Launched System Trap

1 2 3 Satelliet

22

Specifieke Impuls (s)

Stuwstof massa (kg)

Massa lege motor (kg)

Massa tussentrappen en systemen (kg)

260 290 295

850 400 90

120 50 10

30 50 10 10

Vergelijkbare bestaande motor STAR 31 STAR 30 STAR 17a


Tabel 2: Eenvoudig Micro Air Launched System Trap

1 2 3 Satelliet

Specifieke Impuls (s)

Stuwstof massa (kg)

Massa lege motor (kg)

Massa tussentrappen en systemen (kg)

Vergelijkbare bestaande motor

270 290 295

400 400 40

50 50 6

40 50 4 10

STAR 30 STAR 30 STAR 13b

(Unmanned Aerial Vehicle – UAV) voorzien. Op het onlangs gehouden International Astronautical Congress (IAC) 2006 presenteerde het Franse luchtvaart- en ruimtevaartlaboratorium ONERA een concept voor een UAV van ruim 22 ton, waarmee een 13 ton zware draagraket ladingen tot 150 kg in lage omloopbanen kan lanceren. Uit economisch oogpunt zou dit vliegtuig tevens kunnen worden gebruikt voor normaal vervoer van zware ladingen. Ook Russische vliegtuigen zijn diverse keren het onderwerp van studie geweest. Al in 1994 presenteerde een consortium van Russische en Duitse bedrijven een concept om een tweetrapsraket met een Tu-160SK bommenwerper te lanceren. In 2005 werden plannen gepresenteerd om vanuit Australië lanceringen met een M-55 Geofizika te verzorgen. Het Russische bedrijf Air Launch heeft een voorlopige overeenkomst gesloten met de Indonesische overheid om vanaf het eiland Biak met een An-124-100VS satellieten tot vier ton te lanceren. De RussischKazachstaanse Ishim is een draagraket met een nuttige lading van maximaal 160 kg. Het ontwerp van Ishim is gebaseerd op een antisatellietraket uit de Sovjet-Unie die vanaf een MiG-31D gevechtsvliegtuig kon worden afgevuurd. Het Oekraïense ruimtevaartbedrijf Yuzhnoye presenteerde eerder dit jaar op de lucht- en ruimtevaartbeurs van Berlijn het Microspace Air Launch concept. Het MiG-25 jachtvliegtuig wordt gebruikt als platform om een draagraket met een microsatelliet te lanceren. Relatief nieuw is ook het concept van het Israëlische bedrijf


Rafael om met verkeers- of gevechtsvliegtuigen microsatellieten te lanceren. Basis voor deze draagraket is de bestaande Black Sparrow raket, die door Israël wordt gebruikt om aanvallen met Scud-raketten te simuleren. Het meest recente ABSL-project komt uit China. Op de China Air Show 2006 presenteerde de China Academy of Launch Vehicle Technology (CALT) een ontwerp voor een draagraket die microsatellieten in lage omloopbanen kan brengen. Deze overigens sterk op een Pegasus lijkende draagraket zal worden gelanceerd vanaf een Xian H-6, een Chinese kopie van de uit het Sovjet-tijdperk stammende Tu-16 Badger straalbommenwerper. Op dit moment is echter, met uitzondering van de Amerikaanse Pegasus, geen van deze plannen daadwerkelijk gerealiseerd, mede doordat de hoge ontwikkelingskosten haaks

staan op de doelstelling van goedkopere lanceringen.

Analyse Eveneens op het IAC2006 werd een Europees-Russische studie gepresenteerd naar de concurrentiekracht van draagraketten die vanaf vliegtuigen werden gelanceerd. De studie was gezamenlijk uitgevoerd door EADS Space Transportation en TsNIIMash. In het onderzoek werden de ABSL en traditionele landgebonden draagraketten onderling vergeleken. Gekeken werd naar criteria zoals de verhouding tussen nuttige lading en gewicht van de gehele draagraket, de lanceerkosten per kilogram lading, de benodigde tijd om een draagraket lanceerklaar te maken en de mogelijkheid om meer-

Ook het Israëlische Rafael heeft plannen om met vliegtuigen microsatellieten te lanceren. [G.D. Hazebroek]

23

stuwingsystemen op waterstofperoxide of zelfs elektrische microvoortstuwing. Met een dergelijke module zou men wel de baan aanzienlijk kunnen verhogen of verlagen, maar de verandering van inclinatie blijft toch beperkt. Omdat een dergelijk module relatief eenvoudig te ontwikkelen is, zou het wel een manier zijn om op korte termijn vanuit een massalancering met een grote raket een eigen baan te bereiken.

Model van het lanceervoertuig voor de Start-1, een gemodificeerde viertrapsvariant van de SS-25 Sickle (RS-12M Topol) mobiele ICBM. [G.D. Hazebroek]

dere satellieten tegelijk te lanceren. Uit het onderzoek kwamen een aantal conclusies naar boven. Zo worden traditionele draagraketten zoals de Lange Mars 2C, Dnepr, Cycloon-2K en de Japanse M-5 over het algemeen als net zo duur bestempeld als de Russische Air Launch, en de Amerikaanse Pegasus. Opvallend is dat de vanaf de Typhoon en MiG-31 gelanceerde draagraketten relatief aanzienlijk duurder zijn dan de concurrenten. De geclaimde kortere voorbereidingstijd van ABSL wordt in het algemeen echter wel door het onderzoek onderschreven. De eindconclusie van het onderzoek is echter dat traditionele draagraketten zoals Dnepr, Falcon-1, Cyclon-2K en Vega toch als gelijkwaardig worden beschouwd aan ABSL systemen zoals Air Launch. De verwachting is ook dat, hoewel ABSL een nieuwe serie draagraketten zal opleveren, de rol van de traditionele landgebonden draagraketten nog lang niet is uitgespeeld.

Mogelijkheden voor een goedkope specifieke lancering van een kleine satelliet Betekent dit dat de mogelijkheden voor een goedkope lancering in een speci-

24

fieke baan voor microsatellieten voorlopig een utopie blijft? Waarschijnlijk wel als de oplossing wordt gezocht in het gebruik van conventionele raketten. Echter, door de auteurs van dit artikel zijn twee mogelijke oplossingsrichtingen geïdentificeerd. De eerste maakt gebruik van onconventionele lanceersystemen, zoals laservoortstuwing (zie Ruimtevaart van april 2005). Hiermee kan een kleine satelliet van ongeveer 10 kg zeer goedkoop worden gelanceerd, mits de laserinfrastructuur beschikbaar is. Voordat de krachtige lasers beschikbaar komen die voor dit soort voorstuwing nodig zijn, zijn vele jaren van intensief onderzoek nodig die niet in de beperkte ruimtevaartbudgetten te vinden zijn. Het is dan ook wachten op de ontwikkeling van dergelijke lasers voor andere toepassingen zoals defensie, waarna deze voor ruimtelanceringen gebruikt kunnen worden. Dit zal zeker 20 tot 30 jaren kosten. Dit is dus geen optie voor de korte termijn. Men zou ook een baanveranderingmodule kunnen ontwikkelen voor microsatellieten waarmee deze een aanzienlijke baanverandering zouden kunnen bereiken (zie ook het artikel over Argo in de Ruimtevaart van december 2005). Hierbij zou men kunnen gebruik maken van in ontwikkeling zijnde microvoort-

Een derde oplossing gaat uit van een verregaande vereenvoudiging van de lanceerraket. Een lanceerraket is duur vanwege een aantal redenen: • Een raket is groot en de kosten gaan omhoog met de massa van de raket; • Er worden weinig raketten gebouwd, waardoor men geen goedkope productiemethoden kan gebruiken; • Om de vereiste nauwkeurigheid te bereiken, zijn complexe controleen besturingssystemen nodig die de raket complex en dus duur maken. In de begintijd van de ruimtevaart zijn een aantal kleine raketten ontwikkeld die eenvoudig van opzet waren, vooral omdat de beschikbare technologie nog niet zo ver ontwikkeld was. Voorbeelden hiervan zijn de Britse Black Arrow, de Amerikaanse Vanguard en Scout en de Franse Diamant die met een grotendeels mechanisch besturingssysteem vlogen en minder dan 20 ton wogen. Het meest extreme voorbeeld is de Japanse Lamda 4S, die 9 ton woog en voor het grootste deel van de vlucht niet werd geleid. De eerste drie trappen werden passief gestabiliseerd door vinnen of door ze met grote snelheid te laten rondtollen. Na het uitbranden van de eerste drie trappen volgde er een vrije vlucht en zorgde een eenvoudig systeem, bestaande uit een horizonsensor en een koudgas systeem ervoor dat de vierde trap in de juiste richting werd gericht, middels een tolbeweging werd gestabiliseerd en op het juiste moment werd afgevuurd. De nauwkeurigheid van deze raketten was beperkt, maar het werkte wel.


Als we dit concept van een grotendeels ongeleide raket toepassen op het lanceren van een satelliet van bijvoorbeeld 10 kg, waarbij we het lanceergewicht proberen te minimaliseren wordt de raket met de huidige stand van de technologie erg klein en weegt niet meer dan 1500 kg. Als we hem vanuit de lucht lanceren komt het lanceergewicht zelfs onder een ton, klein genoeg om door de jachtvliegtuig gedragen te worden. Met een lading van 10 kg zouden bijvoorbeeld zes cubesats (inclusief twee uitzetstructuren of P-Pods) gelanceerd kunnen worden. Met een aanbod van 50 of meer cubesats per jaar lijken vijf lanceringen per jaar dus realistisch. Ten behoeve van dit artikel hebben de auteurs het concept verder uitgewerkt. De resultaten zijn in de tabellen te vinden voor een lancering vanaf de grond en vanuit de lucht. De grondgelanceerde versie heeft een startgewicht van 1620 kg en heeft drie trappen. De luchtgelanceerde versie heeft ook drie trappen waarvan de eerste en tweede identiek zijn. De luchtgelanceerde versie weegt 1030 kg. Voor de vlucht is uitgegaan van een lancering in een lage omloopbaan met een lage inclinatie. De luchtgelanceerde versie wordt bij hoogsubsone snelheid door het draagvliegtuig losgelaten na een optrekmanoeuvre, waarna de neus van het vliegtuig een grote hoek met de horizon bereikt. Naast het gewicht van

de motoren is er ook ruimte voor tussentrappen en bijvoorbeeld een eenvoudig systeem in de tweede trap dat de derde trap moet richten, tolstabiliseren en op het juiste moment afvuren. In de tabel zijn bestaande vaste stuwstof motoren van de STAR serie van de Amerikaanse fabrikant ATK opgenomen, die wat betreft afmetingen op de benodigde motoren lijken. Het lijkt dus technisch mogelijk een eenvoudige kleine lichte raket te bouwen die een kleine lading in een baan kan brengen, maar is het ook kosteneffectief? Hiervoor is het Transcost-model op de twee configuraties losgelaten, waarbij in eerste instantie uitgegaan is van vijf lanceringen per jaar over een periode van 10 jaren. Hierbij bleek dat de grond gelanceerde raket ongeveer 2,5 miljoen Euro per lancering gaat kosten en de luchtgelanceerde versie ongeveer de helft hiervan. Hierbij is aangenomen dat bijvoorbeeld ESA of nationale agentschappen de ontwikkeling betalen. Om de kosten verder naar beneden te brengen moet men meer gaan lanceren of gebruik maken van motoren die ook elders gebruikt worden, zoals de eerder genoemde STAR motoren. Hiermee worden de productieaantallen vergroot en de productiekosten per motor lager. Hiermee zouden de kosten van de grondgelanceerde versie kunnen worden terugge-

Op de China Air Show 2006 presenteerde CALT een nieuw ontwerp voor een draagraket die microsatellieten in lage omloopbanen kan brengen. [G.D. Hazebroek]


Een motor uit de Starserie van ATK die als basis zou kunnen dienen voor een micro air launched system. [http://www.spaceaholic.com/us_ artifacts.htm]

bracht tot 2 miljoen Euro of zelfs iets minder en de luchtgelanceerde versie tot zo’n 800.000 Euro per lancering. Dit is 130.000 Euro per cubesat en in dezelfde orde grootte als het bedrag dat men nu ook betaald voor een lancering met andere satellieten. Als men gebruik maakt van bestaande motoren zou de ontwikkeling van een dergelijke raket niet meer dan een vijftal jaren hoeven te duren.

Conclusie Op dit moment is de enige effectieve lanceermogelijkheid voor microsatellieten het gebruik maken van grote lanceerraketten en te accepteren dat men een zeer beperkte invloed heeft op de uiteindelijke baan. Binnen enkele jaren zou een baanveranderingsmodule kunnen worden ontwikkeld en zouden de nu in ontwikkeling zijnde kleine lanceerraketten enige verbetering brengen. Op de lange termijn zal men toch toe moeten naar een specifieke microlanceerraket waarbij een grotendeels ongeleide, vanuit een vliegtuig gelanceerde raket, uitzicht biedt op een goedkope specifieke lancering voor een microsatelliet.

25

Miniaturisatie in het ruimteonderzoek G. Cornet, SRON A. Maas, TNO

Denkend aan grote operationele satellieten als Chandra, XMM-Newton en ENVISAT, alsook aan het binnenkort te lanceren ruimteobservatorium Herschel (waarin grote Nederlandse instrumentatie zich aan boord bevindt), zullen weinigen zich in eerste instantie realiseren dat miniaturisatie binnen het wetenschappelijk ruimteonderzoek steeds belangrijker wordt.

Dit artikel is ondermeer gebaseerd op de inhoud van SRON-spectrum nr. 7 (januari 2006). Verdere bijdragen werden ontvangen van Radboud Koop, Jasper Wamsteker, Ruud Hoogeveen (SRON), evenals van Jaap Flokstra en Reinder Cuperus (TU Twente). Op satellietniveau heeft het verkleinen van structuren inderdaad zijn beperkingen. Immers, als we met astrofysische telescopen diep het heelal in willen kijken, of naar zeer zwakke bronnen, hebben we grote oppervlakken nodig om zoveel mogelijk straling te kunnen verzamelen. Weliswaar wordt hard gewerkt om interferometers in de ruimte te realiseren, voor optische en infrarode golflengtes (Darwin, ESPRIT), maar het gaat er daarbij vooral om grote ruimtelijke resolutie te realiseren, voor het in detail kunnen bestuderen van het ontstaan en de evolutie van sterren, planeten en melkwegstelsels. In meer algemene zin wordt in het huidige tijdsbestek de basis gelegd voor nieuwe missies met als karakteristiek dat zeer nauwkeurige bepaling van afstanden nodig is, in het bijzonder tussen ruimtevaartuigen die in formatie vliegen. Een spectaculair voorbeeld is de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die omstreeks 2015 moet worden gelanceerd. Met deze missie zal een nieuw venster op het heelal worden geopend, namelijk dat van de gravitatiestraling, die, zoals Einstein heeft voorspeld, wordt opgewekt als

26

zware sterren (veel zwaarder dan onze zon) om elkaar heen draaien, of wanneer zwarte gaten in het zeer vroege heelal worden gevormd. Gravitatiegolven vervormen de ruimte. Dat kan gedetecteerd worden door de uiterst minieme verandering van de afstand tussen twee vrije testmassa’s in ruimtevaartuigen te meten. In het geval van LISA gaat het om een fractie van een nanometer (vergelijkbaar met de diameter van een waterstofatoom) over een afstand van vijf miljoen kilometer. Dit vereist instrumentarium met innovatieve technologie die in staat is om deze afstandsvariaties op een uiterst slimme manier te meten. Aan de ontwikkeling van deze tech-

nologie wordt op dit moment hard gewerkt. De demonstratie ervan zal o.m. moeten plaatsvinden met de LISA Pathfinder missie die ESA in 2009 wil lanceren. Uit de nieuwe wereldwijde ambities op het gebied van planeetexploratie komt in ieder geval een duidelijke noodzaak naar voren om ruimtevaartuigen kleiner, compacter en lichter te ontwerpen. Bovendien is er de belangrijke eis dat zuinig moet worden omgesprongen met energie. Dit is in hoge mate bepalend voor de ontwikkeling van detectoren en bijbehorende (uitlees)elektronica, als onderdeel van nieuwe innovatieve ruimte-instrumenten,

LISA Pathfinder [EADS SPACE]


loge als digitale circuits in één enkele chip. Een dergelijke miniaturisatieslag levert voordelen op die zich manifesteren in uiteenlopende projecten van SRON. Een drietal voorbeelden waarin ASIC’s worden geïntegreerd zijn: • een microcalorimeter-array voor een volgende grote röntgenmissie; • een geminiaturiseerde microgradiometer voor planetaire gravitatiemetingen, • een seismometer, aan boord van de ExoMars lander. Voorbeeld van een bij SRON ontwikkelde ASIC. [SRON/via G. Cornet]

waarmee grenzen in de wetenschap verder kunnen worden verlegd. Het onderzoek dichter bij huis, aan onze eigen planeet, profiteert natuurlijk ook van deze ontwikkelingen. In het bijzonder aardobservatiemissies kunnen goedkoper worden uitgevoerd als platformen en instrumenten kleiner en lichter kunnen worden gebouwd. En dan is er ten slotte nog de spin-off naar toepassingen buiten de ruimtevaart. Hieronder volgt een overzicht van een aantal relevante technologische ontwikkelingen.

Mixed-Signal Application Specific IC’s (ASIC’s) In toenemende mate zal geminiaturiseerde en geavanceerde elektronica onderdeel zijn van de nieuwe wereldklasse detectoren die in Nederland ten behoeve van toekomstige ruimtevaartprogramma’s worden ontwikkeld. Die ontwikkeling komt voort uit de eis van steeds gevoeligere detectoren, die veelal op basis van kwantumfysische principes werken, dus klein zijn, en veelal extreem gekoeld moeten worden. Bovendien zullen toekomstige ruimtevaartuigen steeds kleiner en compacter worden ontworpen. Dat geldt in het bijzonder voor aardobservatiesatellieten en planetaire missies zoals ExoMars.


Het ruimteonderzoek bij SRON richt zich onder meer op de ontwikkeling van front-end elektronica; elektronica die direct het signaal van de detector overneemt. Over het algemeen produceren detectoren een analoog signaal in de vorm van een stroom- of spanningverandering. Hoe eerder in de keten dat signaal gedigitaliseerd wordt, des te minder informatie gaat er verloren. Voor de ultragevoelige detectoren die SRON op dit moment kan maken, is dit een absolute must. Bij gravitatie- en interferometrie-missies is er daarnaast sprake van zeer langzaam veranderende signalen die nauwkeurig moeten worden gemeten. Met de ontwikkeling van mixed-signal integrated circuit-systemen is men er nu in geslaagd een geminiaturiseerde oplossing te realiseren met zowel ana-

Microcalorimeter detectorelement. De absorber ontvangt de energie van binnenkomende fotonen, die door de Transition Edge Sensor (TES) wordt omgezet in een weerstandverandering [SRON/via G. Cornet]

Microcalorimeter-arrays Het detectieprincipe is bij microcalorimeters heel eenvoudig: door absorptie van straling wordt een voorwerp warm en een thermometer meet dit. Bij een microcalorimeter is de absorber uiterst klein (200 x 200 x 2 micrometer) en warmt dus snel op met minimale energie. De supergeleidende thermometer is ingesteld juist op de overgang tussen supergeleiding en normale geleiding waardoor een kleine opwarming zorgt voor een grote weerstandsverandering die vervolgens uitgelezen wordt door een zeer gevoelige stroommeter, gebaseerd op supergeleidende SQUIDelektronica. Met microcalorimeters kunnen enkele infraroodfotonen al gedetecteerd worden. Van röntgenfotonen kan de energie nauwkeurig bepaald worden, waarmee spectroscopie mogelijk wordt op single photon niveau. SRON heeft zich ten doel gesteld om een array te ontwikkelen van 32 x 32 elementen voor het volgende grote Europese röntgenobservatorium XEUS. Daarmee wordt een camera met afbeeldend vermogen verkregen. De grote uitdaging in dit project is om elektronica te ontwikkelen waarmee alle 1024 detectoren tegelijk uitgelezen kunnen worden. Hierbij speelt miniaturisatie een onmisbare rol. Microcalorimeters worden gekoeld tot 100mK (0,1 graad boven het absolute nulpunt). Het is dus belangrijk om het aantal kabels (en daarmee de thermische koppeling) te beperken. Meer-

27

dere signalen worden daarom op een enkel kanaal gemoduleerd. Nog steeds moet echter een groot aantal kanalen uitgelezen worden en de gemoduleerde signalen nauwkeurig uit elkaar gehaald. Door een uitleessysteem in ASIC-technologie te ontwerpen, blijft de hoeveelheid elektronische componenten beperkt en kan een efficiënte manier van demodulatie uitgewerkt worden (frequency division multiplexing).

Conceptueel ontwerp van een uit één wafer vervaardigde gradiometer. [SRON/via G. Cornet]

Microgradiometer Aan de Universiteit van Twente (Low Temperature Division) is in opdracht van ESA een studie verricht naar de mogelijkheden om gradiometers in te zetten voor de nauwkeurige bepaling van het zwaartekrachtveld met behulp toekomstige planetaire missies. Daarbij worden strenge eisen gesteld. De sensor mag niet meer dan een paar kilogram wegen, moet qua afmeting in een (kleine) schoenendoos passen en mag niet meer dan een paar Watt aan vermogen consumeren. De eerste ontwikkelingen van sensoren die de gradiënten in het zwaartekrachtveld kunnen meten waren gebaseerd op massa-veer systemen gekoppeld aan supergeleidende inductieve uitlezing. Dit vereist echter koelers die voor planetaire missies te zwaar zijn. Een veelbelovende benadering die in Twente wordt gevolgd bestaat uit het aanbrengen op een wafer van testmassa’s, verbindende veren en capacitieve uitlezing, waarbij gebruik wordt gemaakt van MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technologie. De uitlees-electronica wordt ondergebracht in ASIC’s, die bij SRON worden ontwikkeld. Met

28

een microgradiometer, gebaseerd op deze technologie, en geplaatst aan boord van een satelliet rondom Mars, kan het zwaartekrachtveld van deze planeet aanzienlijk nauwkeuriger in kaart worden gebracht, vergeleken met zogenaamde line of sight metingen (Doppler verschuivingen in het radiocommunicatiesignaal afkomstig van de satelliet). Overigens zal de eerste gradiometer voor gebruik vanuit de ruimte naar verwachting in september 2007 worden gelanceerd aan boord van de ESA-missie GOCE, waarin SRON ook al betrokken is. ExoMars seismometer Er is nog veel onbekend over de interne structuur en evolutie van onze naburige planeet Mars. Vanuit satellieten rondom de planeet is het oppervlak gefotografeerd en afgetast met radar, waardoor we een hoop hebben geleerd over topografie en grootschalige structuren als kraters, ravijnen en vulkanen. Echter, seismische metingen die ons een beeld van het inwendige opleveren, ontbreken. Een seismometer, voorgesteld als onderdeel van het Geophysical and Environmental Package op de lander van de door ESA goedgekeurde

Array van 5x5 microcalorimeters, als voorloper van een beeldvormende 32x32 arraydetector. [SRON/via G. Cornet]

ExoMars missie (lancering 2013) kan daarin verandering brengen. SRON is samen met een aantal Nederlandse collega-instituten, en in samenwerking met ETH Zurich, verantwoordelijk voor de prestatie-kritische onderdelen van de seismometerelektronica. Het gaat hierbij om zeer nauwkeurige (22-24 bit resolutie), lage bandbreedte (~ 1 mHz tot ~10 Hz) dataconversie, die wordt gerealiseerd met een ASIC. Typerend voor deze laatste voorbeelden is dat de technologie zich richt op het nauwkeurig meten van zeer laagfrequente signalen die voorkomen bij in formatie vliegende satellieten, de meting van zwaartekrachtvelden (GOCE/GRACE) en gravitatiegolven (LISA).

Lander van ExoMars aan het werk [ESA]


Spin-off van ruimtetechnologie Veel van de hier belichte technologieën vinden hun weg naar toepassing buiten de ruimtevaart. Zonder op de details in te gaan zijn al enkele applicatiedomeinen geïdentificeerd: • röntgenmicrocalorimeters kunnen o.m. worden ingezet voor microanalyse van materialen (o.m. wafers in de halfgeleiderindustrie), • geminiaturiseerde microgradiometers en versnellingmeters zijn interessant voor toepassingen in de olie-exploratie en de automobielsector, evenals in het productieproces van wafers, • kleinere handzame detectoren kunnen wellicht worden gebruikt voor nauwkeurige spectroscopische detectie van gassen.

Overige ontwikkelingen in detectortechnologie

relatief eenvoudig veel detectoren tegelijk uitgelezen worden.

Recent is SRON, in samenwerking met de TU Delft (Nanophysics), gestart met de ontwikkeling van Kinetic Inductance Detectors (KID’s) die voor dezelfde toepassingen als de microcalorimeters kunnen worden ingezet. Het meetprincipe is echter geheel anders: binnenkomend licht breekt de koppeling tussen elektronen van het supergeleidende materiaal. Hierdoor verandert de complexe weerstand van het materiaal en dat wordt gemeten door de detector deel te laten zijn van een hoogfrequente LC-resonantiekring van hoge kwaliteit. Een kleine verandering van de inductie (L) resulteert in een veranderde resonantiefrequentie en dus in een relatief grote verandering in de amplitude van een vast ingestelde uitleesfrequentie. KID’s zijn in potentie 100 keer gevoeliger dan huidige detectoren en gevoelig genoeg om zelfs het donkerste stukje aan de hemel in submm-straling te onderscheiden van de ruis in de detector (achtergrond gelimiteerde detectie). Andere detectortypes, w.o. bolometers, kunnen deze gevoeligheid ook halen, maar het bijzondere van KID’s is dat zij relatief gemakkelijk en goedkoop in arrays van 100.000 pixels of meer zijn onder te brengen en via frequency division multiplexing kunnen worden uitgelezen. Daarbij wordt aan iedere detector een iets andere uitleesfrequentie gegeven, en kunnen

Bij een mixer detector wordt een spectrum gemeten met heel hoge resolutie. Het principe is als volgt: aan de binnenkomende infrarode straling wordt een sterk locaal referentiesignaal toegevoegd van vaste frequentie en amplitude. Beide frequenties liggen in het THz (1000 GHz) gebied. De straling gaat naar een mixer detector die signalen genereert, waaronder de verschilfrequentie. Deze frequentie ligt typisch in de orde van enkele GHz en bevat alle spectrale informatie van het oorspronkelijke hoogfrequente signaal. Het laagfrequente signaal kan relatief eenvoudig worden versterkt met standaard radiotechnieken, waarna het spectrum wordt geanalyseerd. Bij Hot Electron Bolometer Mixers (HEBM’s) worden door de inkomende infraroodstraling in een heel klein volume de elektronen opgewarmd, wat resulteert in een weerstandverandering. Het opwarmen en weer afkoelen gebeurt zo snel dat de verschilfrequen-


tie van enkele GHz goed gevolgd kan worden. Al enkele jaren werkt SRON aan de ontwikkeling van HEBM’s en heeft SRON het wereldrecord voor de beste gevoeligheid. HEBM’s werken typisch bij 4°K. Intussen doen de detectorontwikkelaars bij SRON en de TU Delft belangrijk pionierend werk dat in de toekomst zal leiden tot nog gevoeligere, maar ook meer geminiaturiseerde instrumenten. Zo slaagden men er onlangs in om een Quantum Cascade Laser te gebruiken als referentiebron voor detectie van submillimeterstraling. De doorbraak leidde tot een wetenschappelijke publicatie in het vakblad Applied Physics Letters. Het doorontwikkelen van dit systeem betekent op den duur dat de conventionele referentiebronnen ter grootte van een melkpak vervangen kunnen worden door bronnen op chipniveau. Het koppelen van deze technologie aan speciaal ervoor ontwikkelde geminiaturiseerde elektronica lijkt een logisch vervolg, met in het verschiet wellicht een toepassing in een mogelijk vervolg op het HIFI-instrument in Herschel. De eerste plannen daarvoor liggen al op de tekentafels. Ultieme integratie treedt op als mixer en referentiebron op één chip kunnen worden geplaatst, zoals bij de supergeleidende geïntegreerde ontvanger. Deze wordt door het IREE instituut uit Moskou ontwikkeld en door SRON voor een toepassing in het TELIS (TErahertz and sub-millimeter Limb Sounder) balloninstrument gereed gemaakt. Op één chip van 4 x 4 mm worden de mixer en antenne geïntegreerd, de referentie-

Quantum Cascade Laser, als referentiebron voor een HEBM. [SRON/via G. Cornet]

29

analyses zien dat de implementatie van het betreffende infrarood kanaal zou leiden tot een instrument met een omvang van een kubieke meter. Door een slim uitgewerkt optisch concept en het gebruik van zogenaamde immersed gratings, konden TNO en SRON (met steun van een NIVR subsidie) dit reduceren tot slechts 40 liter. Het principe achter immersed gratings is de onderdompeling van de benodigde tralies in een materiaal met een hoge

brekingsindex n. De resolutie van het tralie wordt daarmee een factor n vergroot en het tralie kan derhalve n keer zo klein worden uitgevoerd waarbij het volledige instrument n2 tot n3 kleiner in omvang kan worden gerealiseerd. Silicium heeft een brekingsindex van 3,5. Prototypes van immersed gratings worden inmiddels bij SRON met uitstekende resultaten op lithografische wijze in silicium vervaardigd en op dit moment getest.

Microscoopopname van een deel van de geïntegreerde ontvanger, waarop de superconducting-insulator-superconducting (SIS) mixer, de referentiebron (FFO) en een extra mixer (HM) te zien zijn [SRON/via G. Cornet]

bron (FFO) en een extra mixer die dient om de bron in frequentie te stabiliseren. Ook de geïntegreerde ontvangers werken bij 4°K. Van alle nieuw ontwikkelde detectoren zal de geïntegreerde ontvanger het eerst vliegen: in het voorjaar van 2007 zal TELIS metingen verrichten in en aan de stratosfeer van de aarde. Eenmaal terug op aarde kan worden vastgesteld dat het Nederlandse aardobservatie werk zijn vruchten in de afgelopen jaren heeft afgeworpen. Bijdragen werden geleverd aan GOME (op ERS-2, lancering 1995), SCIAMACHY (op ENVISAT, lancering 2002), aan OMI (op EOS-Aura, gelanceerd in 2004). In het bijzonder de metingen van methaan en koolmonoxide van SCIAMACHY trokken wereldwijd de aandacht. Met een nieuw initiatief (TROPOMI) wordt geprobeerd om een aantal kwaliteiten van SCIAMACHY en OMI te combineren en verder te verbeteren in een missie gericht op luchtkwaliteit en klimaatonderzoek. In het bijzonder wordt gekeken naar een nabij-infrarood kanaal bij 2,3 micron voor de meting van koolmonoxide- en methaanconcentraties. Enkele vluchtmogelijkheden voor TROPOMI zijn inmiddels geïdentificeerd. Aanvankelijk lieten

30

Testexemplaren van immersed gratings, met zichtbaar licht bestraald. [SRON/via G. Cornet]

Werkingsprincipe van een immersed grating. [SRON/via G. Cornet]


Satellieten; kleiner dan het instrument kunnen we ze niet maken Johan Leijtens TNO

Door de toenemende integratie van elektronica met mechanische en optische functionaliteiten in steeds kleiner wordende eenheden, is het aannemelijk dat op niet al te lange termijn (10 tot 20 jaren) een groot deel van de satellieten die gelanceerd worden, zal bestaan uit satellieten waarbij de maat voor het grootste deel bepaald wordt door het instrument dat gevlogen moet worden. Deze ontwikkeling is mogelijk door intensieve toepassing van microsysteemtechnologie in combinatie met verregaande elektronica-integratie.

Huidige generatie satellieten Om zeker te stellen dat bekend is waar welk instrument naar kijkt, worden bij huidige satellieten over het algemeen een aantal instrumenten gemonteerd op een gemeenschappelijke structuur. Deze structuur heeft een aantal functies: • Het fungeren als een structuur waarmee de instrumenten vastgemaakt worden aan de raket; • Het mechanisch met elkaar verbinden van de instrumenten; • Het verzorgen van de voedingspanning; • Het besturen van de instrumenten; • Het doorsturen van de verzamelde wetenschappelijke data. In het bijzonder de eerste twee functies vragen van de structuur grote mechanische stijfheid en sterkte, waardoor deze structuren relatief gecompliceerd en duur zijn.

Het verzorgen van de voedingspanning is voor een satelliet waar diverse instrumenten op staan ook niet eenvoudig vanwege de diverse EMC (Electro Magnetische Compatibiliteit) problemen. Omdat satellieten niet (zoals veel aardse apparaten) aan een krachtig elektriciteitsnet hangen maar het moeten stellen met een zo klein mogelijk zonnepaneel (uit kostenoverwegingen), is het nodig om uitgebreide voorzorgsmaatregelen te nemen ter voorkoming van onderlinge beïnvloeding. Deze maatregelen dienen te voldoen aan strenge storingseisen, bestaande uit speciale manieren van aansluiten en aarden en uitgebreid filteren van de stroomvoorziening. Al deze maatregelen leiden er echter toe dat de massa en kosten voor het stroomvoorzieningsysteem aanzienlijk worden verhoogd. Naast de directe storing moet er ook veel aandacht worden besteed aan de zogenaamde foutpropagatie. Hiermee wordt bedoeld

dat door het toepassen van ontwerpregels (die e.e.a. weer ingewikkelder en duurder maken) en het toepassen van speciale schakelingen, zo veel mogelijk voorkomen wordt dat door een fout in het ene apparaat (bijvoorbeeld een kortsluiting) een ander apparaat kapot gaat, waardoor uiteindelijk een hele missie verloren zou kunnen gaan. Dit lijkt simpeler dan het is, wetende dat het toepassen van zekeringen uit den boze is. (De meeste fouten in het verleden zijn namelijk te herleiden tot falende zekeringen in plaats van falende apparatuur.) Al met al is het stroomvoorzieningsysteem van een satelliet dus geen simpele zaak. Het besturen van de instrumenten gebeurt echter redelijk rechttoe rechtaan. Een vanaf de grond gegeven commando wordt verder geleid naar de centrale computer van een instrument en deze zorgt ervoor dat de opgedragen commando’s uitgevoerd worden. Eenzelfde scenario is van toepassing voor de wetenschappelijke data. Afhankelijk van de bedrijfstoestand van het instrument wordt de benodigde data verzameld en doorgegeven aan de centrale computer van de satelliet. Deze computer bundelt het vervolgens met de data van de andere instrumenten en zendt het geheel naar de aarde.

EIS satelliet. [Ångstrom Aerospace Cooperation]


31

Trends Op zich is er niets mis met de huidige satellieten, in de zin dat de benodigde vorm van satellietenbouw het toestaat om zowel de satelliet als de instrumenten te laten bouwen door de mensen die hierin gespecialiseerd zijn. Een groot nadeel is wel dat het aan boord hebben van meerdere instrumenten het ontwerp, de bouw en de kwalificatie van de satelliet aanzienlijk bemoeilijkt. Een uitzondering vormen de satellieten waarbij de mechanische opbouw dominant bepaald wordt door het instrument, bijvoorbeeld door een telescoop (Hubble, XMM Newton, Aladin, waarbij de laatste twee echte single instrument satellieten zijn). In deze gevallen zijn de sensoren die benodigd zijn voor het controleren van de oriëntatie van de satellieten, direct gekoppeld aan de structuur van de telescoop. Dit heeft als bijkomend voordeel dat de structuur nauwelijks of geen invloed heeft op de metingen en de controle van de satelliet directer en daardoor nauwkeuriger is. Voor veel missies is het echter nodig dat meerdere instrumenten gelijktijdig naar dezelfde positie op de aarde of in de atmosfeer kijken. Hierdoor wordt het noodzakelijk om deze instrumenten op een gezamenlijke structuur te monteren of zodanig nauwkeurig te controleren dat het gezamenlijk kijken naar dezelfde positie gegarandeerd kan worden. Dit laatste is wel mogelijk, maar vergt nauwkeurige sensoren en een nauwkeurig positioneringsysteem die over het algemeen groot en duur zijn. Door toepassing van microsysteemtechnologie wordt het mogelijk om een aanzienlijke verkleining van deze sensoren te bewerkstelligen die bovendien goedkoper geproduceerd kunnen worden. Dit biedt de mogelijkheid om op een andere manier te voorzien in de behoefte van het op gecombineerde wijze registreren van data afkomstig van meerdere instrumenten.

32

Deze behoefte hangt samen met vier ontwikkelingen. Allereerst kan er vastgesteld worden dat steeds meer ESAmissies gebruik maken van meerdere satellieten. Enkele voorbeelden hiervan zijn SWARM, LISA, Darwin en XEUS. Bij deze satellieten is het zogenaamde formatievliegen noodzakelijk om aan de wetenschappelijke doelstelling te kunnen voldoen, hetzij om dezelfde metingen te kunnen doen op verschillende plaatsen tegelijk (SWARM), hetzij om de mechanische afstand die nodig is tussen verschillende delen van het experiment te realiseren (wat niet mogelijk is met een vaste mechanische structuur). Als gevolg van het feit dat er aan deze missies gewerkt wordt, wordt er ook gewerkt aan speciale sensoren die het mogelijk maken om satellieten met hoge nauwkeurigheid ten opzichte van elkaar te positioneren. Ten tweede kan men vaststellen dat steeds meer satellieten tenminste één actief instrument hebben, waardoor de eisen voor alle andere instrumenten op het gebied van storingsgevoeligheid aanmerkelijk zwaarder worden dan waneer ze op een eigen stroomvoorziening aangesloten zouden worden. Ten derde zijn er steeds meer activiteiten op het gebied van grotere constellaties van satellieten. Voorbeelden hiervan zijn Galileo, Orbcom en ook Galileo-achtige constellaties van Indiase en Chinese makelij. Als laatste kan vastgesteld worden dat door de hoge aantallen componenten die gevraagd worden, de druk op de prijs enorm toeneemt en er steeds meer vraag komt naar betrouwbare systemen die tegen een lage kostprijs geleverd kunnen worden.

Alternatieve opbouw Indien het mogelijk is om verschillende satellieten met hoge nauwkeurigheid ten opzichte van elkaar te positioneren, is het ook mogelijk om

op elk van deze satellieten een ander instrument te zetten en de instrumenten gezamenlijk zodanig af te stellen dat ze naar dezelfde richting kijken. De satellieten vliegen dan in een zogenaamde cluster. Het clustervliegen biedt de mogelijkheid om één satelliet met diverse instrumenten te vervangen door diverse satellieten met één instrument. Dit lijkt in eerste instantie geen voordelen te hebben, omdat men dan voor elk instrument moet voorzien in een platform. Het voordeel wordt wel duidelijk als men naar een andere opbouw van de satelliet gaat. Als gevolg van het feit dat computers steeds sneller en competenter worden, is het zondermeer mogelijk om één computer de controle van de hele satelliet te laten uitvoeren. Dit houdt in dat de controle van het instrument en de satelliet (stroom, dataverwerking en positionering) gestuurd worden vanuit één enkele computer. Als gevolg hiervan kunnen een groot aantal interfaces vervallen, wat een significante afname van de bekabeling, een verhoging van de betrouwbaarheid en een vermindering van de stroomopname met zich mee zal brengen. Hierdoor kan de satelliet veel kleiner worden, wat ook weer scheelt in de lanceerkosten. Deze benadering is nu reeds mogelijk, maar wordt nog niet toegepast omdat het lastig is om bijvoorbeeld de software voor zo’n computer te schrijven. Hierdoor weegt voor grotere satellieten de extra moeite niet op tegen het gebruik van een extra computer en hergebruik van reeds bestaande hardware en architecturen. Microsysteemtechnologie zou hierin echter verandering kunnen brengen. Door toepassing van microsysteemtechnologie voor de te gebruiken sensoren en door miniaturisering en het hybridiseren van elektronica op grote schaal, is het mogelijk om een zodanig compact computersysteem te maken dat het als het ware verdwijnt in de schaduw van het instrument dat gevlogen moet worden. Deze computer heeft


Voor en nadelen van de alternatieve opbouw Er zijn een aantal nadelen aan te wijzen voor de beschreven alternatieve bouwwijze: • Elke satelliet zal een eigen set sensoren en actuatoren nodig hebben; • Elke satelliet heeft een eigen kwalificatie nodig. Drie generaties zonsensoren. [TNO]

naar alle waarschijnlijkheid dan wel in 99% van de gevallen meer mogelijkheden en processingcapaciteiten dan nodig om dit instrument ook daadwerkelijk te vliegen, maar dit heeft als voordeel dat de computer (eenmaal gekwalificeerd) toegepast zal kunnen worden op een groot aantal missies. Een dergelijk computersysteem zou dan niet alleen bestaan uit een processorkern, maar ook uit sensoren en actuatoren. Het grote voordeel van deze benadering is dat de hardware min of meer missieonafhankelijk zou kunnen worden. Een uitzondering hierop wordt gevormd door een deel van de voorstuwing. De voortstuwing zal altijd missiespecifiek blijven en per missie aanpassingen vergen van bijvoorbeeld de hoeveelheid mee te nemen stuwstof en de benodigde stuwkracht. Toch zal ook voor de voortstuwing microsysteemtechnologie van groot belang blijken te zijn, omdat de totale massa van de systemen steeds lager zal worden en daardoor de benodigde stuwkracht om de satelliet te sturen af zal nemen. Daarnaast zullen de bandbreedtes voor de standregeling toenemen, doordat de satellieten wendbaarder worden waardoor kleinere impulsen met een hogere frequentie nodig zullen zijn. Ook zal de totale massa van het voort-


stuwingsysteem af moeten nemen om te voorkomen dat de voortstuwing (in plaats van de lading) het bepalende element wordt voor satellietontwerpers. De verhouding tussen de satellietmassa en de stuwstofmassa zal naar alle waarschijnlijkheid drastisch veranderen, waardoor beweging van vloeibare stuwstof een groot effect zal hebben op de oriëntatie van de satelliet. Om hiermee om te gaan zal men waar mogelijk waarschijnlijk proberen om gebruik te maken van gecomprimeerd gas (zoals Xenon) of vaste stuwstof (zoals gebruikt voor de koelegasgeneratoren van TNO). Om dit toe te lichten biedt Topsat een goed voorbeeld. Bij de controle van Topsat wordt het klotsen van de stuwstof gezien als één van grootste limiterende factoren, waardoor SSTL in het vervolg waarschijnlijk Xenon zal gaan gebruiken voor de voorstuwing van dit type satelliet. Door afname van het gewicht en het volume van de structuur en de elektronica en door het gebruik van lagere banen, zal het percentage stuwstof aan boord van een satelliet alleen maar toenemen. Uiteindelijk zal de opbouw van de satelliet gedomineerd worden door de afmetingen van het instrument dat gevlogen moet worden en de stuwstoftank.

Er zijn echter ook een aantal voordelen: • De integratie van de satelliet wordt eenvoudiger (minder interfaces); • De satellieten zijn kleiner en kunnen dus eenvoudiger gelanceerd worden; • De standaardonderdelen zullen in grotere aantallen geproduceerd worden, waardoor de kostprijs per unit zal dalen; • De satellieten van één cluster hoeven niet noodzakelijkerwijs gelijktijdig gelanceerd te worden; • Defecte instrumenten of satellieten kunnen vervangen worden door werkende exemplaren, zodat het cluster repareerbaar wordt; • Nieuwe of verbeterde instrumenten kunnen op een later tijdstip toegevoegd worden, waardoor de continuïteit gegarandeerd kan worden; • Door de lagere baan zullen defecte satellieten binnen een redelijke termijn terugvallen en verbranden en zodoende ruimte maken voor nieuwe exemplaren, wat leidt tot vermindering van het ruimteschrootprobleem.

Conclusie Microsysteemtechnologie zal een belangrijke rol gaan vervullen bij de opbouw van toekomstige satellieten. Het is niet ondenkbaar dat dit uiteindelijk zal leiden tot een situatie waarbij één satelliet één enkel instrument herbergt dat grotendeels verantwoordelijk is voor de opbouw van de satelliet.

33

Toepassingen van MST in ruimtemissies Berry Sanders TNO Defensie en Veiligheid

In dit themanummer is microsysteemtechnologie (MST) in de ruimtevaart van verschillende kanten bekeken. Maar, in welke missies wordt MST nu daadwerkelijk toegepast? Of blijft het bij kennisontwikkeling op de langere termijn? Op dit moment wordt er hard gewerkt aan de implementatie van MST in ruimtemissies en een enkele staat al op het punt om te worden gelanceerd. In dit artikel worden enkele voorbeelden van reële toepassingen van MST besproken die al gelanceerd zijn of op korte termijn zullen worden gelanceerd. Hierbij wordt in het bijzonder gekeken naar Nederlandse en Europese ontwikkelingen.

Micro elektronica In ruime zin vliegen microsystemen al vele jaren in de ruimte, in de vorm van microelektronica. Veel satellieten vliegen met silicium microchips aan boord en ook is silicium een basismateriaal voor zonnecellen. Echter dit zijn puur elektronische onderdelen en geen Micro Elektro Mechanische Systemen. Er is op dit gebied veel ervaring opgedaan, bijvoorbeeld over de degradatie van de elektronica onder invloed van straling. De procedures en werkwijzen die voor micro elektronica zijn ontwikkeld zullen ook de basis vormen voor de regels en normen die voor echte microsystemen zullen worden opgezet.

wikkeld. De zonnesensor is autonoom in de zin dat hij zichzelf van energie voorziet en via een radioverbinding met de satelliet communiceert. Er zijn dus geen draden meer gebruikt voor de verbinding. De autonome zonnesensor is klein van gewicht en bestaat voor een groot deel uit microsysteemtechnologie.

leveren over de bewegingen van de satelliet in de raket. Cryosat 2 zal in 2008 worden gelanceerd.

Microvoortstuwing

Aan boord van de Nederlandse Delfi C3 satelliet, die deze zomer zal worden gelanceerd, bevindt zich een MST zonnesensor die door TNO in Delft is ont-

Een interessante ontwikkeling is de MST gyroscoop die aan boord van Cryosat 2 gaat vliegen. Dit is in principe een MST gyroscoop die voor aardse doeleinden is ontwikkeld. De door BAe Systems ontwikkelde gyroscoop is aangepast voor gebruik in de ruimte en zal met enige modificaties gaan vliegen. Hij is dus niet specifiek voor de ruimtevaart ontwikkeld, maar wordt er wel gebruikt. De MST gyroscoop zal informatie geven over de stand van de satelliet en zal ook tijdens de lancering informatie gaan

In 2008 zullen verschillende Europese microvoortstuwingsystemen worden gelanceerd. Aan boord van de Prisma missie zal een door Noanspace in Zweden ontwikkeld systeem gaan vliegen dat gebaseerd is op technologie van de universiteit van Uppsala. In dit systeem zullen vier proportionele micro thrusters ondergebracht worden in een bol ter grote van een golfbal. Het voedingsysteem is echter conventioneel. Naast de microvoortstuwing zal ook een MST druksensor van het Noordse Presens meevliegen. Ook in Nederland is een miniatuur voortstuwingsysteem in ontwikkeling door TNO en de Universiteit Twente. Dit systeem, waarbij ook de gasopslag is geminiaturiseerd, zal in 2008 aan boord van de Duitse BEESat 2 CubeSat de ruimte ingaan.

Delfi C3. [TUDelft]

Cryosat 2. [ESA]

Prisma. [SSC]

Autonome zonnesensor

34

Microgyroscoop


XEUS. [ESA]

GAIA. [ESA]

MEMS debietsensor Voor de GAIA missie is een microvoortstuwingsysteem nodig om de satelliet op de juiste manier zeer nauwkeurig te richten. Hierdoor kan de satelliet de posities van sterren met een extreme nauwkeurigheid bepalen. Hiervoor wordt een voortstuwingsysteem ontwikkeld dat gecontroleerd stuwkrachten tot op micronewton niveau kan produceren. Hiervoor is een debietsensor nodig die snel (10 Hz) hele kleine vloeistofstromen kan meten. MST is de enige technologie die voorhanden is die dit soort metingen kan uitvoeren. Daarom is AAS in Italië bezig om voor ESA een dergelijke sensor te ontwikkelen. De lancering van de GAIA ruimtesonde is voorzien voor 2011.

geplaatst met een miniatuurmatrix van 171 bij 365 sluiters die elk individueel kunnen worden aangestuurd. Dit microsysteem wordt door het Goddard Space Flight Centre van NASA ontwikkeld en de lancering van de James Webb Space Telescope is voorzien in 2013

De hier genoemde projecten zijn voorbeelden en de lijst is lang niet compleet. Het is duidelijk dat, hoewel MST nu nog een zeer beperkte toepassing heeft in de ruimtevaart, deze snel zal toenemen. Nederland speelt hierin een duidelijke rol.

N.B. Dit artikel is voor een deel gebaseerd op de presentatie van Michel Courtois van ESA op de CANEUS micro- en nanotechnologieconferentie in augustus 2006 in Toulouse.

Microsluiters

James Webb Space Telescope. [NASA]

Voor de James Webb Space Telescope is ESA bezig met de ontwikkeling van microsluiters. Door kleine sluiters te openen en weer dicht te doen, kunnen tot wel 100 verschillende objecten tegelijkertijd worden geobserveerd. Hiervoor wordt dicht bij het brandpunt van de telescoop een microsysteem

Microcalorimeter


meten de warmte die wordt ontwikkeld als een röntgenfoton de detector raakt. Hoe kleiner de calorimeters, hoe gevoeliger het instrument en daarom worden veel kleine calorimeters in een matrix op een chip gezet. MST technologie maakt het mogelijk om calorimeters te maken die zelf een zeer kleine warmtecapaciteit hebben en die thermisch geïsoleerd zijn opgehangen. Op dit moment wordt er hard aan de ontwikkeling gewerkt, maar het zal nog zeker tien jaren duren voordat de calorimeterchip gaat vliegen.

Voor de röntgentelescoop Xeus, die door ESA wordt ontwikkeld en waarvan de lancering rond 2020 gepland is, wordt een microcalorimeter ontwikkeld door MESA+ in Twente en SRON in Utrecht. De zeer kleine calorimeters

35

MetOp-A na lange vertraging met succes gelanceerd Alessandro Atzei

De Europese polaire MetOp-A weersatelliet is op 19 oktober met succes gelanceerd. Hiermee kwam een einde aan een vier maanden durende reeks van lanceervertragingen. MetOp-A is de eerste van een nieuwe generatie meteorologische satellieten die de welbekende geostationaire Meteosat satellieten zal bijstaan om een beter beeld te krijgen van meteorologische en klimaatverschijnselen op aarde. De nieuwe kunstmaan zal de atmosfeer vanuit een lage aardbaan beter kunnen bekijken en zo data leveren voor nauwkeurigere weersverwachtingen en een beter inzicht in de ontwikkelingen in het klimaat. Naast MetOp-A zullen nog twee andere satellieten gebouwd worden in samenwerking met de European Meteorological Satellite Organisation (EUMESAT). De 4093 kg zware satelliet werd gelanceerd met de Russische Soyuz 2 draagraket, die voor het eerst vloog met een nieuwe neuskegel met dezelfde vorm en afmetingen als die van de Ariane 4. De Soyuz plaatste MetOp-A in een circulaire baan op een hoogte van 837 kilometer met een inclinatie van 98,7°. Vanuit deze polaire baan wordt de evenaar altijd om 9:30 uur lokale tijd MetOp-A. [ESA]

overgestoken. Het voordeel van een dergelijke zonsynchrone baan is dat ieder punt op het aardoppervlak vrijwel dagelijks onder dezelfde daglichtcondities in kaart kan worden gebracht. Op deze manier kunnen opeenvolgende waarnemingen van hetzelfde gebied goed vergeleken worden. MetOp-A vormt het ruimtesegment van het EUMETSAT Polar System (EPS), bedoeld voor het verzamelen van gegevens over de atmosfeer en het milieu. Dit is een aanvulling op de metingen die het Meteosat systeem verricht vanuit de geostationaire baan. De bediening van de EPS wordt mede gecoördineerd door het Amerikaanse Polar Operational Environmental Satellite (POES) systeem dat wordt beheerd door de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Om de uitdagende doelstellingen te volbrengen, is MetOp-A uitgerust met een breed scala aan instrumenten: vijf volledig nieuwe Europese instrumen-

ten en vier door de Verenigde Staten geleverde instrumenten, vergelijkbaar met die van de huidige NOAA satellieten. MetOp werd in 1992 goedgekeurd, waarna ESA’s Aardobservatie Directoraat (om precies te zijn het Earth Watch deel van het Living Planet programma) is begonnen met de ontwikkeling van het eerste model. EUMETSAT is belast met het operationele systeem en financiert de ontwikkeling van het grondsegment en vervolgsatellieten, lanceringen, evenals de bediening. De drie MetOp satellieten worden gebouwd door een industrieel team onder leiding van Astrium. De ruimtevoertuigen die in het Franse Toulouse geïntegreerd worden, zijn gebaseerd op een satellietframe dat is afgeleid van ESA’s Envisat en de Franse Spot 5 satellieten en bevatten naast de uitgebreide instrumentatie ook geavanceerde apparatuur om een flexibele bediening mogelijk te maken. Zo heeft de satelliet een autonomie van ruim 36 uren en een dataopslagcapaciteit van 24 Gigabit. Dankzij de krachtige instrumentatie en de grote hoeveelheid data die MetOp kan versturen, is het mogelijk om gelokaliseerde zware weersomstandigheden in een vroeg stadium te detecteren en te rapporteren. Zo kunnen met behulp van de satelliet veel eerder weerwaarschuwingen worden uitgegeven dan momenteel gebeurt, omdat deze fenomenen vanuit een geostationaire baan met de huidige technologie niet kunnen worden waargenomen.

36


International Astronautical Congress 2006 Ir. G.D. Hazebroek

Het futuristische Ciudad de las Artes y de las Ciencias – in goed Nederlands Stad van de kunsten en wetenschap – vormde van 2 t/m 6 oktober jl. het achtergronddecor voor het 57ste International Astronautical Congress (IAC). In dit schitterende gebouwencomplex in het centrum van het Spaanse Valencia werden in 25 symposia ongeveer 1400 papers gepresenteerd. De geschiedenis van het IAC gaat terug tot ruim vóór de lancering van de eerste satelliet, toen in 1950 het eerste congres in Parijs werd gehouden. Sindsdien organiseert de International Astronautical Federation (IAF) jaarlijks ’s werelds belangrijkste ruimtevaartcongres. Na een wat rommelige opening, waarin het begrip internationaal toch vooral op een Spaanse manier werd geïnterpreteerd, begon het IAC 2006 met de eerste plenaire sessie. Hierin werd door de hoofden van ‘s werelds belangrijkste ruimtevaartorganisaties de laatste stand van zaken toegelicht. In tegenstelling tot de toespraken van Michael Griffin (NASA) en Jean-Jacques Dordain (ESA), die hoofdzakelijk beperkt bleven tot opmerkingen over het succes van recente missies en toekomstige internationale samenwerking, werden de plannen van de Japanse, Indiase en Chinese ruimtevaartorganisaties uitgebreid toegelicht met presentaties. China onthulde al een deel van het White Paper on Space Activities 2006, dat het Chinese ruimtevaartagentschap CNSA pas een week na het congres officieel bekend zou maken. Verder werden de belangrijkste elementen van het Chinese ruimtevaartprogramma nader toegelicht, zoals de Chang’e maanmissie, het Shen Zhou bemande programma, nieuwe hoge resolutie aardobservatiesystemen, het Bei Dou satellietnavigatiesysteem en de nieuwe Lange Mars-5 draagraket. Japan lichtte het Disaster Management programma Sentinel Asia toe, evenals de plannen voor ruimteonderzoek en -exploratie. India was, mede met het oog op het in India te houden IAC 2007, ruim vertegenwoordigd in Valencia. Volgens het hoofd van ISRO, Madhavan Nair, zal zijn land in de komende 20 jaren nieuwe versies van de INSAT commu-


nicatiesatellieten introduceren. Deze satellieten beschikken over hogere vermogens, nieuwe frequentiebanden en opblaasbare antennes. Verder werkt ISRO aan geavanceerde voortstuwingstechnologieën zoals cryogene-, ionogene- en nucleaire voortstuwing. Ook wordt nagedacht over single stage to orbit (SSTO) en herbruikbare ruimtevaartuigen. Op een vraag of India van plan was bemande ruimtevaart te gaan bedrijven reageerde Madhavan Nair niet ontkennend, waarmee hij voorschot bleek te nemen op de recente bekendmaking van ISRO dat de eerste Indiase astronaut halverwege het volgende decennium gelanceerd zal gaan worden. Dit onderwerp kwam geregeld terug in andere presentaties, zoals plannen voor een Chinese Lange Mars RLV, het Future Launchers Preparatory Programme (FLPP) van ESA en de suborbitale XP Spaceplane van het Amerikaanse Rocketplane Ltd. Opvallend openhartig was de presentatie van een werknemer van de China Academy of Space Technology over het exportpotentieel van de nieuwe DFH-4 communicatiesatelliet. Zowel Nigeria als Venezuela zijn afnemers van dit type satelliet. Nigcomsat-1 zal naar verwachting in 2007 worden gelanceerd, gevolgd door Venesat-1 in 2008. Het Russische ruimtevaartagentschap FSA presenteerde plannen voor een nieuw ‘systeem van systemen’ voor een aantal toepassingen zoals meteorologie en oceanografie (Meteor-M, Meteor-MP, Electro-L, Electro-M), aardobservatie onder alle weersom-

standigheden (Arkon-2, Kondor-E), management van natuurlijke hulpbronnen (Monitor-E, Resurs-DK, Resurs-P, SMOTR, Ekola, Arkon-Viktoria) en waarschuwing voor natuurrampen en het volgen van de nasleep daarvan (Kanopus-V). Naast de talloze presentaties was er in het Museo de les Ciencias Príncipe Felipe ook een ruimtevaartexpositie ingericht. Hier waren een aantal belangrijke ruimtevaartbedrijven- en agentschappen met een eigen stand vertegenwoordigd. Israël trok de nodige aandacht met een groot model van de TECSAR radarverkenningsatelliet, terwijl ZuidKorea alvast het IAC 2009 in Daejong aan het promoten was. De Nederlandse stand nam, geholpen door een goed verzorgde catering, zeker aan het einde van de middag een prominente plaats op de expositie in. Volgend jaar zal het 58ste IAC worden gehouden van 24 tot en met 28 september in Hyderabad in India.

IAC 2006 Valencia [P.J.E. Hemelsoet]

37

Boekbespreking Arno A. Wielders, MSc

Er was een tijd, nog niet zo lang geleden, waarin wetenschappers beweerden dat de wetenschap bijna klaar was. Het universum was bijna doorgrond. We weten nu wel beter. Op dit moment is de stand van zaken in de kosmologie zo, dat we in ieder geval weten wat we niet weten. Volgens de huidige kosmologie bestaat slechts 4% van de massa van het heelal uit normale materie in de vorm van sterren, planeten en sterrenstelsels. 21% van de gravitationele massa bestaat uit donkere materie, waarvan we wellicht een idee hebben waar dat uit bestaat. Het overgrote deel (75%) van de gravitationele massa wordt veroorzaakt door ‘donkere energie’, waarvan we geen enkel idee hebben waaruit dit bestaat. Het boek In search of Dark Matter probeert de stand van zaken in de kosmologie in 140 pagina’s weer te geven. De

auteurs zijn zelf werkzaam in de kosmologie en dit wordt een aantal keer duidelijk in het boek via verwijzingen naar eigen werk. In het begin van het boek wordt een kleine geschiedenis gegeven van het onderzoek naar donkere materie door uitgebreid in te gaan op het onderzoek naar de bepaling van de rotatiesnelheden van sterren in sterrenstelsels als functie van hun afstand tot het centrum. Uit dit onderzoek bleek dat er veel meer massa in de sterrenstelsels moet zitten dat op grond van de hoeveelheid sterren en gas aangenomen was. Het is jammer dat de auteurs langdurig op dit onderdeel ingaan. Ook proberen zij in wel heel erg korte stukjes delen van de kosmologie uit te leggen waar andere wetenschappers 300 pagina’s voor nodig hebben. Dit betekent dat de doelgroep voor het boek – volgens de uitgeverij amateurastronomen en beginnende wetenschappers – de draad wel eens vrij snel kan verliezen. In het midden van het boek worden een aantal observatietechnieken uitgelegd voor de waarnemingen van donkere materie. Gravitationele lenzen, neutrino detectors en de satelliet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe worden in vier of vijf pagina’s besproken. De keuze van de auteurs om deze onderwerpen zo kort te bespreken, beperkt de leesbaarheid van het boek ernstig. Een voorbeeld is bijvoorbeeld dat bij de bespreking van de detectie van neutrino’s het Standaard Model van de deeltjesfysica in twee pagina’s uitgelegd wordt. Verder zijn de verschillende hoofdstukken niet door dezelfde auteurs geschreven waardoor er ook sprake is van vervelende herhalingen. Het beste deel van het boek is het laatste hoofdstuk waarin de auteurs in samenwerking met Charles Lineweaver (een bekende kosmoloog) het boek kort samenvatten en uitleggen dat het heelal voor eeuwig zal uitdijen en dat deze uitdijing steeds versnelt. De versnelling van de uitdijing is het bewijs voor het bestaan van donkere energie, waarvan de Hubble Space Telescope recent heeft ontdekt dat dit al negen miljard jaren aan de gang is. Donkere energie is dus van alle tijden en dus zeker een boek waard, de vraag is alleen of het boek In search of Dark Matter de beste poging is het onderzoek aan donkere energie aan niet-specialisten uit te leggen. Ken Freeman / Geoff McNamara; In Search of Dark Matter: The Search for Dark Matter in the Universe; Paperback; 4 April 2006; http://www.Amazon.co.uk: £16,50

38


Ruimtevaart Kroniek Ir. G.D. Hazebroek en Henk H.F. Smid 2006-08-13

Voyager 1 bereikt grootste afstand ooit.

Voyager 1 die op 5 september 1977 werd gelanceerd door een Titan-Centaur draagraket, bereikte op 13 augustus 2006 een afstand van 100 AU van de zon. (Eén AU=Astronomical Unit is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon en die bedraagt ongeveer 150 miljoen km). Voyager 2, die weliswaar eerder gelanceerd werd (20 augustus 1977) maar via een andere baan vliegt, bevindt zich op ongeveer 80,4 AU. Ter vergelijking: Pioneer 10, gelanceerd in maart 1972, bevindt zich op 91,2 AU en Pioneer 11 (mei 1973) op 70,4 AU. 2006-09-09 | ##:## UTC

2006-035A

Shi Jian 8

Jiquan SLC

CZ 2C

Chinese satelliet (SJ-8) met aan boord 250 kg zaden van planten en schimmels. SJ-8 is een afgeleide van de FSW terugkeercapsules en is de eerste satelliet in de Shi Jian-serie die geborgen is. Na terugkeer op aarde worden de zaden ontkiemd om te zien of er betere planten uit voortkomen. De SJ-8 werd op 24 september in de provincie Sichuan geborgen. Gezien de baanparameters en draagraket, kan de SJ-8 ongeveer 3000 kg wegen (Tweede generatie FSW). De initiële baanparameters waren 178*428 km | i=63,0°. 2006-09-09 | 15:15 UTC

2006-036A

OV-104 Atlantis

Cape Canaveral AFS

STS-115

Spaceshuttle Atlantis bracht de 17 ton zware draagconstructiecombinatie P3/P4 naar het ISS, met inbegrip van een set zonnepanelen. Aan boord waren zes astronauten. De shuttle koppelde op 11 september aan het ISS, waarna via drie EVA’s de draagconstructie aan het station werd bevestigd. Op 17 september ontkoppelde de shuttle van ISS en landde op 21 september op landingsbaan 33 van het Kennedy Ruimtevaartcentrum. Voor meer bijzonderheden kunt u zich o.m. abonneren op de nieuwsbrief ‘Bericht uit de ruimte’ van Marco van der List. [[email protected]]. De initiële baanparameters waren 335*350 km | i=51,6°. 2006-09-11 | 04:35 UTC

2006-037A

IGS 3A

Tanegashima SLC

H2A

Information Gathering Satellite Optical-2 is een Japanse (JAXA) fotoverkenningsatelliet. Het is de derde Japanse spionagesatelliet en vervangt de IGS O-1 die in maart 2003 werd gelanceerd en een andere IGS O-2 die verloren ging in een lanceermislukking in november 2003. Gezien de baanparameters en draagraket, kan de IGS ongeveer 850 kg wegen. De initiële baanparameters waren 478*479 km | i=97,4°. 2006-09-12 | 16:02 UTC

2006-038A

Zhongxing 22A

Xichang SLC

CZ 3A

Chinese (militaire) geostationaire communicatiesatelliet (ZX-22A) die waarschijnlijk de ZX-22 (gelanceerd in 2000) op 98,0° oosterlengte gaat vervangen. De mogelijkheid bestaat dat deze satelliet is gebaseerd op de Dong Feng Hong 3 (DFH 3) en daarom moet niet uitgesloten worden geacht dat deze satelliet ook zal worden ingezet bij de Olympische spelen van Beijing in 2008. De DFH 3 weegt ongeveer 2300 kg. De initiële baanparameters waren 35753*35819 km | i=0,27°.

2006-09-14 | 13:41 UTC

2006-039A

Cosmos-2423

Baikonur SLC

Soyuz U

Russische militaire aardobservatiesatelliet (type Don). Deze ook wel Yantar 6K genoemde satelliet weegt 6750 kg. De initiële baanparameters waren 170*317 km | i=64,9°.


39

2006-09-18 | 04:08 UTC

2006-040A

Soyuz TMA-9

Baikonur SLC

Soyuz FG

Dit Russische ruimtevaartuig had de Expeditie 14 bemanning aan boord (Mikhail Tyurin en Mike Lopez-Alegria) en een ruimtevluchtdeelnemer (toerist) Anousheh Ansari. Ansari is een groot voorstander van ruimtevaart en doneerde miljoenen dollars voor de Ansari X-Prize die gewonnen werd door Burt Rutan (SpaceShip One). Zij is van Iraanse komaf. Een normale bemande Soyuz TMA weegt ongeveer 7400 kg. De initiële baanparameters waren 328*342 km | i=51,64°.

2006-09-22 | 21:36 UTC

2006-041A

Solar B

2006-041F

Hitsat

2006-041?

SSSat

Uchinoura SLC

M-V

De 870 kg wegende Solar B satelliet, door JAXA in Hinode (zonsopkomst) hernoemd, is een gezamenlijke Japans-Amerikaanse onderneming en heeft een grote optische telescoop en een röntgentelescoop aan boord. De röntgentelescoop is gebouwd aan het Smithsonian Observatory. Voor uitgebreide informatie, zie: http://solar-b.nao.ac.jp/index_e.shtml. De initiële baanparameters waren 318*675 km | i=98,3°. Er waren twee andere ladingen aan boord van de M-V draagraket. Hitsat is een CubeSat van het Hokkaido technologische instituut en SSSat (een zg. solar sail experiment) van ISAS-JAXA. SSSat gegevens zijn niet bekend gemaakt door JAXA, en zelfs het catalogusnummer is onbekend. Waarschijnlijk is het experiment mislukt.

2006-09-25 | 18:50 UTC 2006-042A

GPS 2R-15

Cape Canaveral AFS

Delta 7925-9.5

Amerikaanse navigatiesatelliet (SVN 58) voor de GPS constellatie. Deze satelliet zal in Plane A, Slot 2, de oude GPS 2-12 (1992) gaan vervangen. Deze oude satelliet gaat in zg. space storage en blijft daar als back-up tot aan het einde van zijn technische levensduur. Op het moment zijn er 24 GPS ruimtevaartuigen operationeel en zijn er vijf reservesatellieten in de constellatie. Huidige GPS satellieten worden gebouwd door Lockheed Martin op basis van het LM-4000 satellietframe en wegen ongeveer twee ton. De initiële baanparameters waren 20252*20471 km | i=54,9°.

2006-10-13 | 20:56 UTC

2006-043A

DirecTV 9S

2006-043B

Optus D1

2006-043C

LDREX-2

Kourou SLC

Ariane 5ECA

Arianespace lanceerde de Ariane draagraket nummer 533 in vlucht 175. Er waren drie ladingen aan boord. DirecTV 9S is een Loral 1300 satelliet voor Amerikaanse televisie-uitzendingen, spraak- en internetverbindingen, weegt 5500 kg en heeft 52 Ku-band transponders aan boord. Geopositie is 101° of 119° west. Optus D1 is een Orbital Star-2 satelliet voor het Australische Optus systeem. Deze 2500 kg wegende satelliet heeft 24 Ku-band transponders voor spraak- en videoverbindingen naar Australie en Nieuw Zeeland. De bovenste trap van de Ariane had ook nog de LDREX-2 lading van 211 kg. Deze technologie demonstrateur moest in de geostationaire overgangsbaan een 6,5 meter lange antenne uitvouwen als oefening voor de Japanse ETS-8 satelliet. Het LDREX-1 experiment in december 2000 mislukte. De initiële baanparameters waren 264*35648 km | i=7,0°.

40


RUIMTEVAART. Inhoud. Rubrieken Jaargang 55 Nummer 5

Recommend Documents