Optische satellietcommunicatie: De volgende generatie communicatie-instrumenten voor ruimtewetenschap en -verkenning

Thema:
Ruimtevaart en wetenschappelijke instrumentatie
28 januari 2021

Ruimtevaartorganisaties over de hele wereld hebben hun zinnen gezet op de maan en de diepe ruimte. Maar bij missies naar de maan of zelfs nog verder, naar Mars, wordt het steeds moeilijker de enorme hoeveelheden data die we daar verzamelen over te dragen. Met optische communicatiesystemen kunnen we een compacte oplossing bieden die even energiezuinig is als een halogeenkoplamp. Een nieuw project brengt ons mogelijk een stapje dichter bij dat gewenste communicatiesysteem.

Kwalificatiemodel LEOCAT van TNO, een optische kop voor verbindingen tussen satellieten. LEOCAT is een kandidaat voor integratie met de ruimtebouwstenen voor laser, modem en detector voor het realiseren van een foton-efficiënte OCT voor de diepe ruimte.

De mogelijkheid creëren

Technologische vooruitgang maakt geavanceerdere instrumenten mogelijk en die helpen ons weer meer te weten te komen over het universum door meer data te verzamelen. Maar om die groeiende hoeveelheid data over te brengen van de bron naar de aarde is een systeem met een hoge uplink- en downlink-snelheid nodig. In het internationaal ruimtestation (ISS) beschikken de astronauten bijvoorbeeld over uplink-snelheden tot 25 Mbps en downlink-snelheden van 300 Mbps. Over grote afstanden nemen deze snelheden sterk af.

Voor verkenning van de diepe ruimte, waaronder de Lunar Gateway, ruimteweermissies of een satelliet in een baan om Mars, is een sneller en stabieler type communicatie nodig. TNO en het Europees Ruimteagentschap (ESA) hebben een contract voor twee jaar getekend om onderzoek te doen naar het gebruik van optische communicatietechnologie om snelle en efficiënte optische communicatie voor ruimtemissies mogelijk te maken. Een eerste doelstelling voor de ontwikkeling van deze optische ruimtecommunicatie is de levering van een 300 Mbps downlink bij uitzending vanaf de maan, die duizend keer verder weg is dan het ISS.

Exponentiële toename

Optische communicatietechnologie zal zeer snelle dataverbindingen mogelijk maken met de maan, Mars en misschien nog verder. Mogelijk kan het ook geïntegreerde communicatielijnen bieden, via satelliet naar planeetoppervlakken.

‘Optische communicatie in de diepe ruimte is erg veelbelovend’, zegt Martijn Dresscher, Systems Engineer en hoofdwetenschapper van het programma Deep-Space Optical Communication bij TNO. ‘We schatten dat we de datasnelheden met ongeveer een factor 20 kunnen verhogen met behulp van een optische telescoop met een doorsnede van 22 centimeter en een laser van 4 Watt, in plaats van een radioantenne van 35 Watt met een doorsnede van 3 meter.’

Samenwerken aan vooruitgang

Om de mogelijkheden te onderzoeken had het ESA projectpartners nodig met dezelfde visie. TNO draagt meer dan zeven jaar ervaring op het gebied van optische satellietcommunicatie bij en maakt gebruik van de expertise van twee onderaannemers, namelijk die van Gooch & Housego op het gebied van laserbronnen, en die van Teledyne e2V op het gebied van detectorinnovaties. Samen zal het team essentiële technologieën voor communicatie in de ruimte ontwikkelen en testen, in het bijzonder de laserbron-, modem- en detectorsystemen van de ruimteterminal.

De eerste stap is het aantonen van de haalbaarheid van een end-to-end optische oplossing middels een laboratoriumopstelling. Als dat lukt, hoopt het team die technologie samen verder te ontwikkelen. ‘Het samenwerkingsverband met TNO voor de ontwikkeling van optische telecommunicatiesystemen geeft ons de mogelijkheid enkele van de meest uitdagende scenario's voor snelle verbindingen te verwezenlijken. Dat bewijst maar weer eens waarom de Europese industrie wereldwijd vooroploopt in optische telecommunicatie’, zegt Jorge Piris, Technical Officer van het Europees Ruimteagentschap.

TNO Space wil de economische groei in Nederland en Europa stimuleren door bedrijven de kans te geven nieuwe producten te ontwikkelen, nieuwe activiteiten te ontplooien en hun concurrentiepositie te verbeteren. De ontwikkeling van dit soort technologieën is een praktijkvoorbeeld van deze doelstellingen.

Gebruikmaken van de leidende positie van Europa

Europa loopt voorop in de wereld als het gaat om de ontwikkeling van optische communicatieterminals (OCT’s) in lage omloopbanen (LEO) en geostationaire banen (GEO) voor communicatie tussen satellieten en tussen de ruimte en de aarde. Als ze worden aangepast voor de lange afstanden van de diepe ruimte zijn diezelfde terminals geschikt voor verkenning van de maan en de diepe ruimte.

‘Dit project bouwt voort op de uitgebreide kennis en ervaring van TNO op het gebied van de ontwikkeling van essentiële componenten voor optische satellietcommunicatie en op de expertise van onze twee onderaannemers’, zegt Oana van der Togt, Senior Business Developer Space and Scientific Instrumentation bij TNO. ‘De succesvolle aanpassing van een bestaande LEO OCT aan de behoeften van verkenningsmissies in de diepe ruimte vormt de volgende technologische stap vooruit, die uiteindelijk zal leiden tot een volledige Europese oplossing voor verkenningen van de maan en de diepe ruimte. Voor TNO versterkt deze activiteit ons portfolio van optische satellietcommunicatie met een toepassingsgebied buiten onze planeet.’

Laat je verder inspireren

20 resultaten, getoond 1 t/m 5

TNO-blik op 2030: Grip op klimaatverandering vanuit de ruimte

Informatietype:
Insight
14 november 2022

Broeikasgasuitstoot is een belangrijke oorzak van klimaatverandering en moet daarom snel worden teruggedrongen. En dat is niet makkelijk, want het blijkt lastig om de grootste vervuilers met zekerheid aan te wijzen. TNO werkt aan nieuwe satelliettechnologie die dat wél mogelijk maakt.

Aardobservatie: onze planeet in beeld

Informatietype:
Artikel

Met satellieten voor aardobservatie brengen we onze planeet in beeld. TNO kent een lange geschiedenis in ontwikkelen van instrumenten die onze planeet bekijken.

SmallCAT lasercommunicatiesysteem geleverd voor integratie in Noors ruimtevaartuig NORSAT-TD

Informatietype:
Nieuws
26 september 2022

SmallCAT gebruikt nieuwe optische communicatietechnologie om via satellieten informatie naar de aarde te verzenden. Deze technologie, die werkt met onzichtbare lichtsignalen, maakt veel snellere gegevensoverdracht mogelijk dan de radiofrequenties die momenteel overal voor communicatie worden gebruikt.

Data succesvol verstuurd via lasercommunicatie tussen optische grondstations over 10 km afstand

Informatietype:
Nieuws
13 september 2022

Geslaagde veldproef met optische lasercommunicatieverbinding over 10 km. Bij laser-satellietcommunicatie wordt gebruik gemaakt van satellieten die informatie verzenden naar de aarde in de vorm van onzichtbare lichtsignalen.

Aardobservatie biedt duidelijkheid in stikstofprobleem

Informatietype:
Nieuws
23 juni 2022

TNO is bezig met de ontwikkeling van een satellietinstrument dat voor het eerst de uitstoot en verspreiding van ammoniak nauwkeurig kan meten. Ammoniak is verantwoordelijk voor het grootste deel van Nederlandse stikstofemissie en -depositie. De satelliet kan in 2025 operationeel zijn. Deze innovatie kan bijdragen aan de verfijning van metingen van stikstof. Door satellietinformatie toe te voegen aan het huidige meet- en rekensysteem, kunnen emissies direct bij de bron worden gemeten en kan beter gemonitord worden wat het effect is van de maatregelen om de stikstofdepositie te verlagen. Zo kunnen op termijn kosten worden bespaard.