CubeSat Simba draait van de aarde naar de zon om de klimaatverandering te helpen volgen

CubeSats zijn miniatuursatellieten die zijn opgebouwd uit gestandaardiseerde dozen van 10 centimeter. Simba, kort voor 'Sun-Earth Imbalance' is een '3-unit' CubeSat, ontwikkeld met ESA door een consortium onder leiding van het Koninklijk Meteorologisch Instituut (KMI) van België met de Katholieke Universiteit Leuven en ISIS-Innovative Solutions in Space in Nederland.

“Dit is het soort wetenschappelijk instrument dat we anders op een grootschalig satellietplatform zouden plaatsen”, legt Stijn Nevens, Simba-hoofdonderzoeker van het KMI, uit.

“Maar als we dit kunnen laten werken op een kleinere, goedkopere CubeSat, dan kunnen we in de toekomst misschien meerdere versies van dit instrument bouwen en laten vliegen, om de hele planeet te bestrijken voor dezelfde kost als van één enkele traditionele missie. Dat is belangrijk omdat de variabele die we willen meten cruciaal is.”

“De belangrijkste oorzaak van de klimaatverandering is dat een toenemende hoeveelheid warmte van de zon wordt vastgehouden binnen het atmosferische systeem. Om dat direct te kwantificeren moeten we meten hoeveel zonne-energie de aarde ontvangt - we noemen dit de totale zonnestraling - en hoeveel daarvan wordt gereflecteerd door het aardoppervlak en de atmosfeer, of wordt uitgestraald als warmte-energie met een langere golflengte.”

“Door de tweede af te trekken van de eerste, krijgen we een waarde voor het stralingsbudget van de aarde - de hoeveelheid energie die onze planeet vasthoudt in plaats van te weerkaatsen of weg te stralen.”

“We hebben al een klasse van instrumenten om bestraalde energie te meten, radiometers genaamd, die het omzetten in elektrisch vermogen voor meetdoeleinden. Neerwaartse gerichte radiometers vliegen bijvoorbeeld op de Europese Meteosat-satellieten in een geostationaire baan, evenals de Amerikaanse familie van CERES-instrumenten in een lagere baan. Dan zijn er nog de naar de zon gerichte radiometers op satellieten als SOHO en Proba-2.

 “Hoewel hun resultaten een hoge relatieve nauwkeurigheid hebben, vereisen deze veel extra modellering om rekening te houden met factoren zoals dagelijkse verschillen en oppervlaktevariaties. Ze komen dan ook met een grote foutmarge, terwijl de instrumenten zelf inherente vertekeningen hebben. Voor scherpere klimaatveranderingsmodellen moeten we het beter doen.”

Zorgen voor onze planeet

Het idee met Simba is om een hogere absolute nauwkeurigheid te bereiken door voor het eerst hetzelfde instrument te gebruiken om de stralingssterkte van zowel de zon als de aarde te meten. De CubeSat zal zich van onze planeet naar de diepe ruimte draaien - voor calibratiedoeleinden - en dan naar onze moederster.

“We gebruiken een breedband-instrument met een breed gezichtsveld, wat betekent dat we de totale uitgaande stroom van de hele Aarde meten,” voegt Dr. Nevens toe. “Simba is gebaseerd op een holteradiometer, wat in feite een interne ruimte is aan de andere kant van een heel klein gat, helemaal zwart geschilderd. We meten hoe die holte opwarmt.”

“Stel je een huis voor met centrale verwarming dat je warm wilt houden. Op een zomerdag hoef je niet te verwarmen, maar op een winterdag verlies je veel warmte en moet je het actief verwarmen. We meten dus hoeveel extra energie we nodig hebben om een vaste temperatuur te handhaven.”

“Om ons referentiepunt te berekenen, beginnen we de missie door lang naar de aarde te kijken, om te zien op welke temperatuur het zich stabiliseert. Dan draaien we uit naar de diepe ruimte, slechts een paar graden warmer dan het absolute nulpunt, om erachter te komen wat het maximale warmteniveau is dat we moeten toevoegen om het daar te houden. Vervolgens draaien we naar de zon, en meten we de hoeveelheid straling die binnenkomt.”

Simba is uitgerust met een speciaal voor CubeSats ontwikkeld en geoptimaliseerd 'attitude determination and control system', kortweg ADCS, dat door de Katholieke Universiteit Leuven is ontwikkeld. Dit omvat een experimentele stertrackercamera om de positie ten opzichte van de sterrenconstellaties vast te stellen en 'reactiewielen' zorgen als gevolg van de verschuivende draaisnelheid dat de positie van de nanosatelliet verschuift.

Dr. Nevens voegt toe: “Deze ADCS geeft Simba een aanwijsnauwkeurigheid van 0,1 graden, wat ook de algehele nauwkeurigheid van onze gegevens ten goede komt. We zullen traceerbaarheid verzekeren, omdat we precies weten waar en waarnaar we kijken.”

Simba is ondersteund door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie via het ‘Fly’-element van ESA’s General Support Technology Programme, dat veelbelovende technologieën voor de ruimtevaart voorbereidt. Het zal samen met tientallen andere CubeSats en kleine satellieten aan boord van de inhuldigingsvlucht van ESA’s Vega Small Spacecraft Mission Service deze zondagochtend vroeg worden gelanceerd.

Over SSMS

Vega’s Small Spacecraft Mission Service (SSMS) ‘dispenser’ of verspreider biedt lanceermogelijkheden voor meerdere lichte satellieten met een algehele massa variërend van CubeSats van 0,2 kg tot minisatellieten van 400 kg. 

De SSMS kent een lichtgewicht modulair ontwerp dat bestaat uit een onder- en bovendeel, elk met bevestigingen die gebruikt kunnen worden voor een reeks satellietconfiguraties afhankelijk van de vereisten.

Over Vega

Vega  is een 30 meter hoge, viertraps draagraket die opereert vanuit de Europese ruimtebasis in Frans-Guyana. Deze is ontworpen om tussen 300 kg en 1,5 ton laadvermogen te tillen, afhankelijk van de baan en de hoogte. 

ESA’s toekomstige Vega-C, een krachtigere versie van Vega, zal een extra 700 kg aan capaciteit en groter volume bieden binnen een bredere draagraket tegen vergelijkbare kosten van Vega – dit maakt nog meer passagiers per individuele lancering mogelijk tegen aanzienlijk lagere kosten per kilogram.