Opblaasbaar zeil Demcon laat ruimteafval sneller opbranden in de atmosfeer

In een baan om de aarde hangt een onzichtbare vuilnisbelt die zich snel uitdijt. In low earth orbit (LEO) – tussen grofweg 160 en 2000 kilometer - gaat het miljoenen brokstukken, variërend van verfvlokken tot overleden satellieten en afgeworpen rakettrappen. En omdat objecten snelheden halen tot zo’n 28 duizend kilometer per uur, kan zelfs het kleinste deeltje al flinke schade toebrengen aan ruimteapparatuur dat nog wel in gebruik is. LEO is, in de woorden van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa, een ‘orbital space junk yard’.

Het probleem is niet dat de ruimte te klein is, maar dat iedereen dezelfde smalle hoogtebanden gebruikt: een dunne donut, zo’n 500 km boven de evenaar. ‘In het Newspace-tijdperk is het bovendien een heel stuk goedkoper geworden om objecten in een baan om de aarde te brengen’, weet Bart van de Laar, systeemengineer bij Demcon high-tech systems. ‘Daardoor sturen we steeds meer satellieten omhoog en nemen we meer risico.’ Hij benadrukt dat het ruimteafval nu nog geen nijpend probleem vormt, maar dat dat in de nabije toekomst zeker wel het geval gaat zijn. ‘Dat is het Kessler-syndroom waarin elke botsing nieuw puin oplevert en de kans op een volgende botsing steeds groter wordt.’

De-orbiten

Nasa en ESA zoeken naarstig naar een oplossing. De Europese ruimtevaartorganisatie lanceerde een paar jaar geleden een tender met de opdracht om de levensduur van ruimtepuin met een factor vijf te verkleinen. Zonder wat te doen, vallen brokstukken namelijk ook al terug naar de aarde. Want ook al heerst er in de ruimte nagenoeg een vacuüm, toch ondervinden rondvliegende objecten een minimale ‘luchtweerstand’. Die drag zorgt ervoor dat ze potentiële energie verliezen en in een trage spiraal steeds dichter bij de atmosfeer komen, waarin ze uiteindelijk opbranden. ‘Het duurt ongeveer 25 jaar voordat satellieten van nature de-orbiten’, weet Van de Laar. Het idee is om de afremperiode drastisch te verkorten.

Voor het bestaande puin zou het een idee zijn om een ruimtevuilniswagen te lanceren. ‘Een dedicated satelliet die afgedankte systemen en grote brokstukken opzoekt, en op een of andere manier hun potentiële energie vermindert’, schetst Van de Laar. Commercieel interessanter is het voor Demcon om tijd en energie te steken in een oplossing voor alle nieuwe apparatuur. ‘De verwachting is dat er vanuit bijvoorbeeld ESA zo’n debris mitigation requirement gaat komen voor alle satellieten.’

Hijs de zeilen

Naar aanleiding van de Esa-tender en met steun van TU Delft en Hogeschool Inholland startte Demcon een onderzoeksproject om een mechanisme te ontwikkelen waarmee nieuwe satellieten zichzelf kunnen ruimen. De eerste keuze die de engineers moesten maken, was of het een actief of een passief systeem moest zijn. Actieve remmen, bijvoorbeeld via een aparte thruster, klinken logisch, maar brengen uitdagingen met zich mee. ‘Als je niet uitkijkt, kan een satelliet door zo’n thruster gaan tollen’, legt Van de Laar uit. ‘Dan weet je niet meer of je hem omlaag duwt of per ongeluk omhoog.’ Daarbij komt een menselijk probleem: zolang dezelfde brandstof of energie ook de missie kan verlengen, zal een operator snel geneigd zijn te kiezen voor die extra maanden opbrengst in plaats van tijdig de-orbiten. Demcon heeft daarom uiteindelijk gekozen voor een passieve rem: een uitklapbaar zeil zodat de dragkracht wordt vergroot en een satelliet sneller zijn energie verliest.

Het resultaat is een opblaasbaar dragzeilsysteem. In een kubus ter grootte van 1U (10 bij 10 bij 10 centimeter) zit een opgevouwen zeil met vier flexibele booms die zijn opgerold als feesttoetertjes. Een geïntegreerde cool gas generator levert het gas om de booms te vullen waardoor het zeil zich als een vierkante paraplu achter de satelliet uitstrekt. ‘Er is maar een klein beetje spanning nodig om de vouwen uit de booms te duwen en ze voldoende stijfheid te geven. Daarna mag het systeem zo lek als een mandje zijn, want de dragkrachten zijn zo klein – hooguit een paar millinewton - dat het zeil bijna uit zichzelf zijn vorm behoudt’, aldus Van de Laar. ‘Pas als het systeem praktisch in de atmosfeer zit, zou een zeil met een lekke arm kunnen falen. En op dat moment maakt het niet meer uit want dan is het einde sowieso al in zicht.’

De focus van de Demcon-engineers ligt op een hoge dichtheid: zoveel mogelijk zeiloppervlak in zo weinig mogelijk volume, met zo min mogelijk massa. Het doel is om in hetzelfde volume als van de mechanische rolmaatconstructies van concurrenten, meer zeiloppervlak te integreren. En dat binnen maximaal één kg. ‘De massa die nodig is om ons zeil uit te vouwen, is in ieder geval veel kleiner dan in die mechanische oplossingen’, stelt Van de Laar. Want ook al is het tegenwoordig goedkoper om een satelliet te lanceren, nog altijd telt elke gram.

Simpel en robuust

Het zeil zelf bestaat uit conventioneel ruimtevaartmateriaal: een soepel en scheurvast aluminiumfolie dat vergelijkbaar is met thermische dekens. De vuistregel waar Demcon mee rekent: ongeveer vijftig vierkante centimeter zeil per kilo satellietmassa volstaat om de natuurlijke de-orbitduur tot ongeveer een vijfde terug te brengen. Van de Laar: ‘We willen met de hakken over de sloot slagen, met zo weinig mogelijk massa en volume zodat we ook niet te veel pijn veroorzaken bij de satellietbouwers. Wat de standaardeis voor debris mitigation uiteindelijk zal worden, is nog onbekend, maar we kunnen onze parameters eenvoudig aanpassen.’

De elektronica heeft Demcon bewust zo dom mogelijk gehouden. Het systeem moet alleen betrouwbaar ontplooien aan het einde van de missie, óók als de satelliet zelf al is uitgevallen. Er is gekozen voor een veel gebruikte methode in de ruimtevaart: een heartbeat-signaal om te detecteren of de satelliet nog leeft, en een watchdog die pas na langdurige stilte besluit tot het activeren van het zeil. ‘Het is allemaal niet tijdkritiek’, verduidelijkt Van de Laar. ‘Zo lang je maar een beetje op tijd begint, maakt een week eerder of later niet uit.’ Een uitdaging is wel dat de elektronica bestand moet zijn tegen het hogere stralingsniveau in de ruimte.

Sowieso vragen ruimtevaarttoepassingen zoals deze om een robuust design. ‘Tijdens de lancering krijgt een systeem heel wat te voorduren’, zegt Van de Laar. ‘Een student van de Rijksuniversiteit Groningen herontwerpt momenteel de behuizing zodat de gasgenerator niet losraakt en de componenten onderling elkaar niet kapot trillen.’ Parallel werkt Demcon toe naar een functioneel model waarin alle sleutelcomponenten – booms, zeil, gasgenerator, actuatie en elektronica – samen demonstreren dat het mechanisme betrouwbaar ontplooit.

Satellietbouwer gezocht

De haalbaarheidsstudies naar materiaalgedrag, leksnelheid, drag-effectiviteit en oppervlak-massa-verhouding zijn grotendeels gedaan. De conclusie? Technisch haalbaar, schaalbaar en geschikt voor massaproductie. ‘We zitten nu op het punt dat we voor alle kritieke parameters een goed antwoord hebben’, aldus Van de Laar. ‘Nu willen we met een satellietbouwer verder ontwikkelen.’

Demcon ziet een mooie businesscase voor zijn dragzeiloplossing. Zelfs als het conservatief rekent met alleen ‘kleinere’ satellieten tot 1200 kg en niet-Europese partijen uitsluit, dan blijft een kernmarkt over van enkele honderden satellieten per jaar. Het bedrijf positioneert zich daarbij als technologieleverancier en ontwikkelpartner die de opblaasbare de-orbiter naar een space-qualified product brengt, samen met een satellietbouwer die producteigenaar wordt en de integratie verzorgt. De vraag gaat zeker komen, verwacht Demcon, want het is een kwestie van tijd voordat satellietbouwers verplicht worden hun eigen ruimtepuin op te ruimen. Van de Laar: ‘Wij zijn er klaar voor.’

Dit artikel werd geschreven in nauwe samenwerking met Demcon.