Formatievliegen op een paar druppels water

Omdat er steeds kleinere satellieten komen, wordt er ook gezocht naar kleinschalige voortstuwingsmethoden. Dr. Angelo Cervone van de afdeling Space Engineering (SpE) richt zich in zijn werk op voortstuwingssystemen op basis van MEMS. “De huidige kleine satellieten beschikken nauwelijks over aandrijving, wat betekent dat ze niet van baan kunnen veranderen en geen complexe manoeuvres kunnen uitvoeren. De ontwikkeling van microvoortstuwingssystemen betekent een hele vooruitgang”, zegt hij. “Daarmee wordt het ook mogelijk om constellaties van satellieten in te zetten die in formatie vliegen.”

Universiteiten lopen al geruime tijd voorop bij de ontwikkeling van kleine satellieten. Wat ooit begon als een methode om studenten te leren hoe ze satellieten kunnen bouwen en lanceren, is inmiddels gemeengoed geworden. “Nanosatellieten worden niet meer alleen voor onderwijs en onderzoek gebruikt. Een groot aantal bedrijven lanceert kleine satellieten voor het maken van beelden en andere commerciële toepassingen”, aldus dr. Cervone. In februari 2017 werd het recordaantal van 101 nanosatellieten aan boord van één raket gelanceerd vanaf het Indiase ruimtevaartcentrum Sriharikota. Daarvan waren er 88 van het aardobservatiebedrijf Planet Labs Inc, opgericht door voormalig NASA-medewerkers. “Hun doel is om elke plek op het aardoppervlak dagelijks in beeld kunnen brengen, als een soort Google Earth die elke dag wordt geüpdatet.”

Maar geen van de 101 CubeSats aan boord had aandrijving. Met een voortstuwingssysteem zouden zulke nanosatellieten hun koers kunnen bijstellen of op de juiste hoogte blijven, waardoor ze veel langer hun werk zouden kunnen blijven doen. “Als ze in een erg lage omloopbaan zweven, bijvoorbeeld op 300-350 kilometer, dan is er nog steeds wat lucht. Dat creëert luchtweerstand, waardoor ze trager gaan vliegen en uiteindelijk na een paar maanden of zelfs dagen in de atmosfeer terugvallen.” Aandrijving is ook een sleutelfactor voor missies gebaseerd op satellietconstellaties die in formatie vliegen. “Satellieten die in formatie vliegen moeten hun positie ten opzichte van elkaar nauwkeurig behouden. Dat is heel moeilijk voor elkaar te krijgen zonder aandrijving.” Een zwerm satellieten de ruimte in sturen is een langetermijndoel van de afdeling SpE: tijdens de OLFAR-missie  moeten satellietjes die in een baan om de maan cirkelen samen een virtuele telescoop vormen om de dark ages van het universum te bestuderen.

Cervone werkt al sinds zijn master- en promotieonderzoek aan de universiteit van Pisa aan aandrijving in de ruimte. Na twee jaar postdoconderzoek in Osaka kwam hij in 2012 bij TU Delft werken. Daar verlegde hij zijn focus naar aandrijfsystemen die geschikt zijn voor de kleine satellieten waar de universiteit aan werkt. Dat is niet simpelweg een kwestie van het verkleinen van bestaande grotere systemen. “Niet alles verandert evenredig met de grootte. Verschillende factoren nemen verschillend af of toe, sommige lineair, andere kubiek of kwadratisch. Als je bijvoorbeeld de omvang met een factor tien verkleint, zal de stuwkracht met een factor 100 afnemen, en wordt de kans op energieverlies tien keer zo groot.”

Resistojets

Hoewel er steeds meer onderzoek wordt gedaan naar micro-aandrijving, kwam Cervone erachter dat het stuwkrachtbereik van 1-10 millinewton (mN) nog grotendeels onontgonnen gebied was – een bereik dat heel bruikbaar is voor CubeSats die van baan moeten veranderen of snel moeten draaien. “Er zijn systemen die meer stuwkracht bieden, maar voor een satelliet zo groot als de CubeSat is dat alsof je een vliegtuigmotor op een auto schroeft: hij is er gewoon te groot voor, waardoor de satelliet onbestuurbaar wordt.” Die stuwkracht kan bereikt worden met de zogenaamde resistojets waar Cervone zijn onderzoek nu op concentreert. “Voor zover wij weten kun je alleen daarmee deze stuwkracht realiseren met een acceptabel brandstof- en energieverbruik.  Voor grotere systemen zijn resistojets minder efficiënt, vandaar dat het onderzoek naar deze ogenschijnlijk simpele oplossing nooit echt volledig tot wasdom is gekomen. Maar voor onze vereisten zijn ze precies goed.”

In een resistojet wordt stuwstof via een weerstand verhit en dan uitgestoten via een straalpijp. “We gebruiken energie van de zonnepanelen van de satelliet om stroom door een weerstand te sturen. Hierdoor wordt het systeem warm en geeft thermische energie af, die op zijn beurt de stuwstof verwarmt”, legt Cervone uit. “We onderzoeken water als mogelijke stuwstof, omdat het ‘groen’, veilig en makkelijk in het gebruik is. Verrassend genoeg levert het ook uitstekende prestaties. We hebben laatst een artikel gepubliceerd in het ASME Journal of Heat Transfer, waarin we aantoonden dat van alle vloeistoffen die onder bijna normale omgevingsomstandigheden vloeibaar zijn, water het meest efficiënte verbruik had qua volume, en als tweede uit de bus kwam qua massa.”

Voor de onderzoekers op dat punt kwamen, moesten ze eerst hun eigen onderzoeksinstrumenten en -installaties bouwen. “Onze eerste taak was het ontwikkelen van een instrument dat de stuwkracht nauwkeurig genoeg kan meten. In gewicht is één millinewton 0,1 gram. Dat is de kracht die je voelt als je een veertje op je vinger legt: vrijwel niets.” Uiteindelijk bedachten ze een systeem dat werkt op basis van een slinger. “We plaatsen ons voortstuwingssysteem op de slinger en geven dan een stoot met de stuwraket. Daardoor gaat de slinger een beetje oscilleren; we kunnen die slingerwijdte meten en relateren aan de kracht.”

De volgende belangrijke ontwikkeling is een vacuümkamer, zodat ze hun systemen in vergelijkbare omstandigheden als die in de ruimte kunnen testen. “Bij zulke kleine systemen blijft er veel onzekerheid bestaan als je ze niet in een vacuüm test, omdat de druk van de atmosfeer het effect van de stuwkracht compleet kan opheffen. Om te weten wat er precies in de ruimte zal gebeuren, hebben we een vacuümkamer nodig.” In de tussentijd gebruiken ze een vacuümoven, een kamer waarin er een bepaald vacuüm kan worden bereikt, hoewel dit het bij verre niet haalt bij de omstandigheden in de ruimte. “We denken er ook over om misschien bestaande vacuümkamers te gebruiken, zoals die van ESA-ESTEC, maar daar krijgen we dan natuurlijk maar een beperkte hoeveelheid tijd. We hebben er dus echt zelf een nodig, zodat we kunnen testen wat we willen op het moment dat dat nodig is.”

Fabricage

Het fabriceren van micro-voortstuwingssystemen is ook een uitdaging, omdat het complete systeem met daarin het verwarmingssysteem, het kanaal voor de stuwstof, de straalpijp en zelfs een watertank soms niet groter is dan een suikerklontje. “We gebruiken onderdelen van een paar millimeter of kleiner, soms zelfs zo dun als één hoofdhaar”, vertelt Cervone. “Bovendien moeten we daarbij de vloeibare, elektronische en structurele onderdelen integreren.” Vandaar dat zijn groep zich heeft gewend tot de technologie voor het produceren van micro-elektromechanische systemen (MEMS), waarvoor ze samenwerken met het Else Kooi microfabricage-lab van TU Delft. Het gebruik van MEMS biedt uitstekende mogelijkheden voor verdere integratie. “Afgezien van het verwarmingssysteem, de straalpijp en het kanaal integreren we ook elektronica zoals sensoren en het besturingssysteem voor de stuwraket”, zegt Cervone. “We overwegen ook om een MEMS-klep toe te voegen, een bewegend onderdeel dat het kanaal opent en sluit en zich nu nog buiten de chip bevindt. De kleppen die we op dit moment gebruiken zijn 1 of 2 centimeter, dus die moeten echt nog wel verder verkleind worden.”

Micro-afmetingen stellen ook hoge eisen aan de gebruikte materialen. Zo zijn materialen die te veel uitzetten en krimpen onder invloed van de temperatuur niet geschikt, omdat zelfs kleine veranderingen in de afmetingen een enorme impact kunnen hebben. “MEMS worden voornamelijk van silicium gemaakt, een materiaal dat warmte goed geleidt. Het verspreidt warmte heel snel naar de externe omgeving. Dat is een probleem bij aandrijving: je wilt zoveel mogelijk thermische energie naar de stuwstof sturen, niet de ruimte in”, licht Cervone toe. “Een mogelijke oplossing is het isoleren van het systeem door middel van speciale kleuren of materialen.”

Op de lange termijn gaan ze ook kijken naar 3D-printen. “Bij 3D-printen kun je een ontwerp elke gewenste vorm geven en zo ingewikkeld maken als je maar wil. Anders dan de traditionele fabricagemethode, waarbij delen worden verbonden of materiaal wordt verwijderd, maakt een 3D-printer je ontwerp uit één stuk zonder naden of verbindingen. Dat is nog niet mogelijk op micrometerschaal die wij nodig hebben, maar de ontwikkeling gaat heel snel en ik verwacht dat technologie over een paar jaar wel zover is gevorderd.”

Satelliet op een chip

Verdere verkleining kan uiteindelijk leiden tot concepten als de ‘satelliet op een chip’. “Satellieten op chip-formaat zouden verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor ruimtemissies. Stel je voor dat je zulke kleine chips de ruimte in kunt sturen en er vrijwel alles mee kunt doen wat we nu met gewone satellieten doen. Dan kunnen ideeën die nu nog science fiction lijken, realiteit worden. Neem bijvoorbeeld het Breakthrough StarShot project dat door Stephen Hawking en Mark Zuckerberg wordt gesteund. Hun plan is om chip-satellieten naar Proxima Centauri te sturen, de ster die het dichtst bij ons zonnestelsel staat. Zover zijn we echter nog niet, er is nog wat meer onderzoek nodig.” Wordt vervolgd.