Ruimtedata voor een leefbare aarde

Voor atmosfeermonitoring ontwikkelt TNO oplossingen die inzicht geven in relevante broeikasgassen, zoals CO2 en CH4, en vormen van luchtvervuiling, zoals NO2, aerosolen en fijnstof. Satellietdata zijn hierbij van grote waarde, omdat zij wereldwijde, onafhankelijke en frequente metingen mogelijk maken, ook in gebieden waar metingen op de grond niet beschikbaar zijn. TNO combineert hiervoor data van satellietinstrumenten zoals TROPOMI, MODIS, CrIS en IASI met het LOTOS-EUROS-model voor atmosferisch transport en chemie. Dit model maakt het mogelijk om vervuiling ook te voorspellen op locaties en tijdstippen waarvoor geen directe metingen beschikbaar zijn.

Met ruim 40 jaar ervaring in advisering aan onder meer de Nederlandse overheid en de Europese Commissie ontwikkelt TNO toepassingen die kunnen worden ingezet door partners in overheid en industrie. Voorbeelden zijn het monitoren van stedelijke luchtkwaliteit, methaanuitstoot door de olie- en gasindustrie en steenkoolmijnbouw, ammoniakemissies in Europese landen en stofstormvoorspellingen voor de Wereld Meteorologische Organisatie. Ook ontwikkelt TNO systemen zoals TOPAS, waarmee vervuiling kan worden toegewezen aan specifieke sectoren, zoals transport, landbouw en industrie, en aan geografische gebieden zoals steden, provincies of landen.

Naast atmosfeermonitoring biedt aardobservatie kansen voor veel andere maatschappelijke en economische toepassingen. Dankzij de multidisciplinaire expertise binnen TNO kunnen satellietdata worden ingezet voor uiteenlopende domeinen. Zo worden EO-radargegevens, zoals InSAR, gebruikt voor het monitoren van geothermie, gasopslag en koolwaterstofproductie. Ook kunnen grote satellietdatasets worden gecombineerd om bijvoorbeeld de locatie en werking van microgrids te optimaliseren. Zo helpt TNO satellietdata om te zetten in concrete informatieproducten die bijdragen aan betere besluitvorming en duurzame oplossingen.

Een voorbeeld van een omvangrijke kalibratiecampagne is GOME-2, waarbij het instrument gedurende meer dan vijf maanden werd getest bij verschillende temperaturen. Daarbij lag de nadruk op radiometrische kalibratie en de karakterisering van lichtsplitsing. In samenwerking met NASA, NPL en de Universiteit van Bremen werden aanvullende metingen uitgevoerd, onder meer om het gedrag van het instrument bij verschillende atmosferische samenstellingen beter te begrijpen. Deze kennis draagt bij aan nauwkeurigere wetenschappelijke dataproducten en betere algoritmen.

Een belangrijk onderdeel van radiometrische kalibratie is de diffusor. Hiermee kijkt een instrument in de ruimte naar de zon om de intensiteit van zonnestraling te gebruiken voor absolute kalibratie. De nauwkeurigheid van de meetgegevens hangt sterk af van de kwaliteit en karakterisering van deze diffusor. TNO ontwikkelde daarom de Quasi Volume Diffusor (QVD), die betere verstrooiingseigenschappen heeft en onder meer is toegepast in OMI en GOME-2. Daarnaast ontwikkelt TNO modellen om het gedrag van diffusorontwerpen te voorspellen en werkt het aan verdere verbetering van deze technologie.

On-sky kalibratie van het GOME-2 instrument

Metingen op de grond geven zeer lokale en vaak nauwkeurige informatie op een specifieke plek. Satellieten bieden juist een breed, onafhankelijk en regelmatig beeld van grote gebieden, inclusief regio’s waar geen meetstations beschikbaar zijn. De kracht zit daarom vooral in de combinatie: satellietdata laten zien waar en wanneer vervuiling optreedt, terwijl grondmetingen en modellen helpen om die informatie verder te duiden en te valideren.

Satellietmetingen worden gecombineerd met modellen, emissiegegevens en metingen op de grond om een compleet beeld te krijgen van luchtkwaliteit en uitstoot. TNO gebruikt hiervoor onder meer atmosferische modellen zoals LOTOS-EUROS en toepassingen zoals TOPAS, waarmee vervuiling kan worden gekoppeld aan sectoren en geografische gebieden. Zo ontstaat informatie die overheden helpt om beleid te onderbouwen, maatregelen te evalueren en emissiereductie gerichter aan te pakken.

Kleine satellietinstrumenten worden steeds nauwkeuriger dankzij miniaturisatie, slimme optisch-mechanische ontwerpen en nieuwe spectrometertechnologie. TNO ontwikkelt compacte instrumenten zoals Spectrolite, die zijn ontworpen voor toepassingen zoals het meten van luchtvervuiling en broeikasgassen. Voor TANGO wordt bijvoorbeeld gewerkt met instrumenten die emissies op het niveau van individuele industriële installaties kunnen meten met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 300 bij 300 meter.

Kleine satellieten maken het mogelijk om sneller, goedkoper en flexibeler missies te ontwikkelen. Doordat ze in constellaties kunnen vliegen, kunnen ze vaker over hetzelfde gebied meten dan één grote satelliet. Dat is belangrijk voor het volgen van emissies die sterk variëren in tijd en plaats, zoals methaanlekken of uitstoot van industriële bronnen. TNO ziet kleine satellieten daarom als een belangrijke aanvulling op grote, operationele missies zoals de Copernicus Sentinel-programma’s.

Aardobservatie maakt onafhankelijke metingen mogelijk van broeikasgassen zoals CO2 en CH4. Daardoor kunnen emissies niet alleen worden geschat, maar ook beter worden gemonitord en geverifieerd. Dat is belangrijk voor internationale klimaatafspraken, omdat landen en organisaties inzicht nodig hebben in de daadwerkelijke ontwikkeling van emissies en het effect van reductiemaatregelen. De TANGO-missie is hier een voorbeeld van: deze richt zich op het meten van antropogene broeikasgasemissies op het niveau van individuele bronnen.

Naast luchtkwaliteit en klimaat ziet TNO kansen voor toepassingen in onder meer energie, infrastructuur, waterkwaliteit, maritieme monitoring, gezondheid, defensie en verkeer. Satellietdata kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor het monitoren van geothermie, gasopslag en industriële activiteiten, of voor het optimaliseren van energiesystemen zoals microgrids. Door domeinkennis te combineren met satellietdata kan TNO nieuwe informatieproducten ontwikkelen voor uiteenlopende maatschappelijke en economische vraagstukken.

Nederland heeft een sterke positie opgebouwd in optische instrumentatie, atmosferisch onderzoek, dataverwerking en emissiemodellering. TNO speelde een belangrijke rol in de ontwikkeling van TROPOMI, dat luchtvervuiling en broeikasgassen nauwkeuriger in kaart brengt dan eerdere instrumenten. Ook in nieuwe missies zoals TANGO blijft Nederland vooroplopen door compacte satellietinstrumenten te combineren met wetenschappelijke modellen en toepassingen voor beleid en industrie.