Project voor 50 CubeSats in een lage baan om de aarde

Het VKI is gespecialiseerd in de simulatie en modellering van supersonische en hypersonische concepten en in onderzoek naar de terugkeer van ruimtetuigen in de atmosfeer.

Afgelopen maand kwamen er in het kader van de workshop QB50 de verantwoordelijken, in het bijzonder in Europa, van de CubeSat-projecten bijeen. Ze bekeken er een project voor een constellatie van 50 wetenschappelijke nanosatellieten, die amper 10x10x10 centimeter meten. Deze ontmoeting met onderzoekers van de lage thermosfeer – die zich tussen 90 en 320 kilometer boven het aardoppervlak bevindt – was georganiseerd op initiatief van VKI-directeur Jean Muylaert.

Doelstellingen

Dr. Muylaert is gespecialiseerd in de systemen en de problemen die te maken hebben met de terugkeer van ruimtetuigen in de atmosfeer. Hij was vroeger verantwoordelijk voor het departement aerodynamica van de ESA-vestiging ESTEC in Noordwijk, Nederland en voor het project European Experimental Reentry Testbed (EXPERT), voorzien voor de zomer van 2010.

Met de workshop QB50 konden de doelstellingen en de te volgen weg worden vastgelegd van een tegelijk wetenschappelijk en pedagogisch initiatief. ‘We willen met één enkele lancering een constellatie van 50 dubbele CubeSats in de ruimte brengen voor metingen in situ’, aldus Muylaert. ‘Die metingen gebeuren tegelijk in verschillende punten van de lager gelegen delen van de thermosfeer.’

QB50 heeft ook de ambitie wereldwijd het voortouw te nemen op het vlak van nanosatellieten van amper enkele kilogram, die speciaal uitgerust zijn om parameters te bekomen van de thermosfeer, het weinig verkende en slecht gekende deel van de atmosfeer tussen 90 en 320 kilometer hoogte boven het aardoppervlak. Deze dubble CubeSats en hun waarnemingsinstrumenten moeten geleverd worden door teams van professoren en studenten van universiteiten, onderzoeksinstituten en polytechnische scholen.

De 'vader' van CubeSat

Het atelier QB50 van het VKI werd geopend door Monique Wagner, hoofd van de afdeling Onderzoeksprogramma’s en Lucht- en Ruimtevaarttoepassingen van het Belgisch federaal wetenschapsbeleid, en trok een honderdtal mensen aan uit heel Europa en zelfs de Verenigde Staten. De verschillende CubeSat-actoren en de gespecialiseerde onderzoekers van de atmosfeer kwamen er met elkaar in contact.

Er werd een staat opgemaakt van onze kennis van dat deel van de atmosfeer dat bij wijze van spreken aan de ruimte grenst en van welke nieuwe waarnemingsgegevens er nodig zijn. Voor de dubbele CubeSats moeten dan nieuwe sensoren worden ontworpen en ontwikkeld.

Opmerkelijk was ook de aanwezigheid van Michel Courtois, ESA Direcor of Technical and Quality Management en ESTEC-directeur, en van professor Bob Griggs van de California Polytechnic State University (Calpoly) in San Luis Obispo. Hij wordt als de ‘vader’ van de CubeSat-formule gezien. Momenteel is hij op pensioen en stelt hij zijn ervaring ten dienste van het nieuwe Space Science Center van de Morehead State University in de Amerikaanse staat Kentucky.

Gemakkelijker naar de ruimte

Griggs ondersteunt internationale projecten als de QB50-constellatie, die een stimulans zijn voor de wisselwerking tussen universiteiten, polytechnische instituten en scholen, de uitwisseling van innoverende ideeën, de miniaturisatie van bestanddelen, de verkorting van de ontwikkelingstijd en het verwerven van industriële ervaring met een minimum aan risico’s…

Volgens hem zijn dergelijke projecten uitzonderlijk en pedagogisch belangrijk. Griggs stelde nieuwe initiatieven voor om studenten een gemakkelijkere toegang tot de ruimte te verschaffen. Die zijn een ware voedingsbodem voor de hersenen. Het gaat om het systeem van ‘nanoracks’ aan boord van het internationaal ruimtestation ISS voor de uitvoering van nano-experimenten in microzwaartekracht en de ultrageminiaturiseerde formule van de 16 PocketQub-kunstmanen.

Het gaat hier om picosatellieten in zakformaat, kubusjes met een gewicht van slechts enkele honderden gram en zijden van amper twee centimeter. Ze kunnen heel snel met een kit gebouwd worden voor missies van enkele weken in een lage baan om de aarde. Ze kunnen per acht gelanceerd worden voor minder dan 5000 euro. Daardoor liggen ze binnen het bereik van teams van studenten voor wetenschappelijk en technologisch innoverend werk.

Wetenschappelijk én pedagogisch

De QB50-constellatie moet een waar netwerk worden rond de aarde van een vijftigtal dubbele CubeSats met een massa van twee à drie kilogram. Ze draaien op ongeveer 300 kilometer hoogte rond de aarde en zijn 200 à 400 kilometer van elkaar verwijderd.

Een Russische militaire Shtil-raket moet ze in de zomer van 2013 lanceren vanaf een kernonderzeeër die bij de basis Moermansk ten noorden van de poolcirkel voor anker ligt.

Dankzij de bijzonder wendbare derde trap van de lanceerraket zullen de satellietjes in de thermosfeer verspreid worden. De nanosatellieten en hun bijzondere meetinstrumenten worden ontworpen om gelijktijdig metingen uit te voeren op verschillende punten en gedurende meerdere weken van dat deel van de atmosfeer waarin ruimtetuigen terugkeren. De Shtil-raket is afgeleid van een strategische raket en werd ontworpen door het staatscentrum Makejev. Deze raket kan een massa van 300 kilogram in een lage baan om de aarde brengen.

Grote interesse

Het programma QB50 heeft de interesse gewekt van talrijke universiteiten en instituten in Europa en de rest van de wereld : België (2), Denemarken (2), Duitsland (3), Estland (1), Finland (1), Frankrijk (3), Griekenland (1), Hongarije (1), Ierland (1), Italië (3), Nederland (2), Noorwegen (1), Oostenrijk (2), Polen (1), Portugal (1), Spanje (2), de Tsjechische Republiek (1), Roemenië (1), het Verenigd Koninkrijk (3), Zweden (1), Zwitserland (2), evenals Australië (1), Canada (2), Chili (1), Verenigde Staten (tot 10), Japan (2), Peru (1), Rusland (1) en Taiwan (1). Momenteel hebben een vijftiental QB50-kandidaten al kenbaar gemaakt te willen deelnemen.

Het VKI heeft op zich genomen om een financiering te vinden, een lanceercontract af te sluiten en een speciale 'reentry' CubeSat (Re-Entsat) te ontwikkelen. Het wil ook samenwerken met het Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie (BIRA) voor de gegevensbank en met het ESA-grondstation van Redu in de provincie Luxemburg voor het gebruik van het systeem Global Educational Networkk for Satellite Operations (GENSO).

Voorzien voor 2013

Er werden vier werkgroepen opgericht om het programma in goede banen te leiden (de Steering Group), voor de baandynamica (Orbital Dynamics), voor de keuze van de sensoren (Sensor Selection) en voor de toekenning van de UHF/VHF-frequenties of de S-band (Frequency Allocation). De CubeSat-voorstellen moeten aan het VKI worden overgemaakt tegen oktober 2010 zodat het jaar daarop een keuze kan worden gemaakt, tegen de volgende workshop in het VKI. De weerhouden teams moeten hun vluchtmodel in maart 2013 aan ESTEC overhandigen zodat de QB50-constellatie in juli 2013 kan ontplooid worden.

Achtergrond

In Europa worden enkelen tientallen CubeSats ontwikkeld. Tijdens de QB50-workshop werden deze projecten voorgesteld. Duitsland is recordhouder dit vlak. Hier ontwikkelen studenten van universiteiten en polytechnische scholen verschillende programma's voor nanosatellieten: Berlijn met Beesat, Dresden met StarD, Heidelberg met Heidelsat, München met MOVE, Aken met Compass...

Maar ook in andere landen zijn er interessante projecten zoals DTUsat en AAUsat 3 in Denemarken, Robusta in Frankrijk, CzCube in de Tsjechische Republiek, Tisat in Zwitserland, Xatcobeo en UPCsat 1 in Spanje, Goliat in Roemenië, OUFTI in België, PW-Sat in Polen, MaSat in Hongarije, Tugsat in Oostenrijk, HINcube in Noorwegen… Opdat de ruimte met al deze CubeSats niet te overvol zou geraken moeten ze in een baan om de aarde komen, waarbij ze na 25 jaar op natuurlijke wijze in de dampkring verbranden.