Een hoge-precisie positioneringssysteem voor compacte aardobservatie ruimtetelescopen

Sean Pepper heeft een achtergrond in de mijnbouw en raffinaderijen, waar men ondeugdelijk materieel ‘soms met een paar centimeter extra staal reviseert’. Maar nu heeft hij de Heinz Stoewer Award gewonnen voor zijn afstudeerwerk naar een positioneringssysteem met een precisie van tien nanometer, voor de spiegels van een uitvouwbare ruimtetelescoop. Het verkleinen van deze telescopen zonder dat dit ten koste gaat van de beeldresolutie kan tot een sprong voorwaarts in aardobservatie leiden.

 

Remote sensing

Rampen, zoals de overstromingen in Mozambique eerder dit jaar en de bosbranden in Californië eind vorig jaar, zijn niet altijd te voorkomen. Maar de gevolgen kunnen wel worden beperkt, bijvoorbeeld doordat hulp- en rampenbestrijdingsdiensten beschikken over de meest nauwkeurige en actuele informatie over de situatie ter plaatse, zoals de toegankelijkheid van het wegennet. Google Maps laat zien dat satellietbeelden een zeer hoge resolutie kunnen hebben, maar het kan maanden, of zelfs jaren, duren voordat deze beelden worden vernieuwd. “Hoge-resolutie beeldvorming vanuit de ruimte vereist een grote spiegel, waardoor deze ruimtelescopen de omvang van een bestelbus hebben,” legt Pepper uit. “Deze zijn groot, zwaar en duur, waardoor er slechts een zeer beperkt aantal gelanceerd kan worden. Het verversen van het beeld van de aarde, of bepaalde delen daarvan, kan dan even duren.” Of het nu om rampenbestrijding gaat, het in kaart brengen van de gevolgen van klimaatverandering of het voorspellen van het verloop van een cholera uitbraak – overheden, industrie en academici willen allemaal een hogere beeldfrequentie. Recent gelanceerde remote sensing constellaties bestaan dan ook uit meer dan honderd kleine satellieten, niet groter dan een melkpak. “Dit gaat ten koste van de beeldresolutie,” zegt Pepper. “Een hoge resolutie in combinatie met een hoge beeldfrequentie is economisch nog niet haalbaar.”

 

Een uitvouwbare visie

Omdat Pepper een uitdaging zocht waarbij hij zijn kennis van fysica, werktuigbouwkunde en systeemkunde kon combineren, sloot zich aan bij het team dat werkt aan een Deployable Space Telescope (DST#), onder leiding van professor Hans Kuiper. “De DST is een proof of concept project,” licht Kuiper toe. “Het komt voort uit een visie die ik had om een sprong voorwaarts te maken in de beeldvorming voor aardobservatie. Met gebruik van uitvouwbare optica wil ons team het mogelijk maken om vanuit een lage aardbaan beelden met een hoge resolutie en hoge kwaliteit te vergaren.” De grote primaire spiegel van de DST bestaat uit meerdere segmenten die tijdens de lancering opgevouwen zijn, en zich pas in de gewenste satellietbaan ontvouwen. Zo kan een satelliet met de omvang van een bestelbus worden teruggebracht tot het formaat van een wasmachine. “Hierdoor kunnen we meerdere hoge-resolutie ruimtetelescopen per vlucht lanceren, wat de kosten drastisch reduceert.” Pepper voegt toe dat “de technologie die voortkomt uit het DST-project in tien jaar tijd ertoe kan leiden dat Google Maps elk uur wordt ververst, en met een veel hogere beeldresolutie dan we nu gewend zijn.”

 

Nauwkeurigheid op de nanometerschaal

Pepper besloot te werken aan het positioneringssysteem van de primaire spiegelsegmenten. Eerder in het ontwerpproces van de DST was ervoor gekozen een wat ruimere tolerantie toe te staan in de positionering van de secundaire spiegel, die aan enkele uitvouwbare armen bevestigd is (zie figuur). Om een hoge beeldkwaliteit te behouden, moest de tolerantie in de positionering van de primaire spiegelsegmenten extra klein zijn. “Traditionele telescopen maken gebruik van relatief grote, zware en stijve constructies om alles zo nauwkeurig op zijn plek te houden. Voor onze uitvouwbare telescoop is dat geen optie,” zegt Pepper. “De verschillende elementen moeten nu eenmaal kunnen bewegen.” Het vouwmechanisme van de primaire spiegelsegmenten heeft een al indrukwekkende nauwkeurigheid van enkele micrometers. Daar moest nog een mechanisme bij komen voor correcties met een resolutie van tien nanometer – nog een factor honderd kleiner dus.

 

Stijfheid en wrijving

De ruimte is een uitdagende omgeving, maar de eerste horde is het goed doorstaan van de lancering. Hierbij worden de telescoop en al zijn elementen blootgesteld aan krachten tot wel dertig keer wat wij op aarde ervaren. Bovendien brengt de raket zelf sterke vibraties op de telescoop over. “Niets mag onder die condities breken of onherstelbaar verbuigen,” legt Pepper uit. “We wilden de stijfheid van het geheel niet vergroten door het gebruik van dikkere componenten of door het toevoegen van klemmechanismes, omdat dit extra ruimte en gewicht zou kosten.” Om tot een goed reproduceerbare positionering te komen, moesten bovendien onderdelen worden vermeden die gebruik maken van wrijving en contact. “In ons uiteindelijke ontwerp wordt elke spiegelsegment gedragen door vier actuatoren. Deze zorgen voor de benodigde stijfheid bij de lancering en voor nauwkeurige positiecontrole in de ruimte,” zegt Pepper. “In de ruimtevaart zijn deze actuatoren typisch gebaseerd op zogenoemde ‘flexures’ – metalen elementen die op specifieke plaatsen heel dun zijn waardoor zeer kleine, maar uiterst nauwkeurige, correcties wrijvingsloos kunnen worden uitgevoerd (zie film).

 

Uitzetten en krimpen

Warmte bleek echter de grootste uitdaging. Iedere keer als de DST in zijn lage baan in of uit de aardschaduw komt, ondergaat hij temperatuurschommelingen van meer dan honderd graden. “Bij opwarming of afkoeling zet de telescoop uit of krimpt hij juist, waardoor de spiegels opnieuw ten opzichte van elkaar moeten worden uitgelijnd,” legt Pepper uit. Dit effect valt moeilijk te onderschatten. De aarde is zelf warm en geeft infraroodstraling af. Zodra de telescoop op de aarde wordt gericht, zullen de spiegelelementen door deze straling opwarmen. Tijdens een eerdere ontwerpfase ontdekte een student dat deze opwarming al voldoende is om het beeld te verliezen. “Veel van ons modelleringswerk is erop gericht om de impact van deze warmte-effecten te beperken,” zegt Pepper. “Dit is zeker haalbaar, want elders in de ruimtevaart zijn al verschillende mechanische en thermische oplossingen met succes toegepast.”

 

Heinz Stoewer award

In maart dit jaar ontving Sean Pepper de Heinz Stoewer Award van 2019, een prijs voor uitzonderlijke Masterstudenten aan de faculteit luchtvaart- en ruimtevaarttechnologie van de TU Delft. “Natuurlijk heb ik Sean genomineerd,” zegt Kuiper. “Hij heeft een zeer complex probleem opgelost. Hij heeft laten zien dat het mogelijk is om de primaire spiegelsegmenten met zeer hoge precisie uit te lijnen, met gebruik van enkel commercieel beschikbare onderdelen.” Alhoewel het zeker geen vereiste was, sluit zijn afstudeerwerk goed aan bij de winnaar van vorig jaar. Diens afstudeerwerk ging over de commerciële ontwikkeling van draagraketten voor kleine nuttige ladingen.

 

Vervolgstappen

Alhoewel Pepper de groep na zijn afstuderen verlaten heeft, is er nog steeds contact. Hij schrijft mee aan een wetenschappelijk artikel en draagt zijn kennis over aan een promovendus die het ontwerp nog verder zal brengen. “En iemand zal een meet- en regelmethode moeten ontwikkelen voor het opnieuw uitlijnen van de spiegels,” voegt hij toe. “Ook dat is een complex probleem, dat nog opgelost moet worden.” De uitvouwbare ruimtetelescoop is een theoretische exercitie en zal misschien nooit de ruimte halen, maar de ideeën erachter en erin zeker wel. Iets om over na te denken, mocht je ooit wachten op de komst van een evacuatieteam.

 

#De Digital Space Telescope is een project onder leiding van de TU Delft, zonder commerciële financiering. Airbus Defence & Space Netherlands B.V. (ADSNL) ondersteunt het project met periodieke ontwerpbeoordelingen en coaching. TNO Space and Systems Engineering is er ook bij betrokken.

Deze video demonstreert de werking van een mechaniek gebaseerd op flexures dat aan de gewenste eisen voldoet.

Het uitvouwen van een eerder concept van de Deployable Space Telescope (DST). Figuur uit de afstudeerscriptie van B.T. van Putten, “Design of the Deployment Mechanism for the Primary Mirror Elements of a Deployable Space Telescope”, TU Delft, 2017.
Schematische weergave van de Ariana 6 raket, met daarbij afgebeeld de state of the art in hoge-resolutie ruimtetelescopen (bovenste satelliet) en de Deployable Space Telescope (onderste satelliet). Figuur van www.esa.int, met aanpassingen door S. Pepper.