Hoe je vanuit een schuddend en trillend vliegtuig een lichtpuntje richt op een verre satelliet

5 uren geleden 2

Wie weleens met trillende handen van een kater een laserpointer heeft bediend, kent het probleem. De kleinste beweging van de laser zelf doet de plek waar de dunne lichtbundel neerkomt drastisch verschieten.

Een extreme versie van dit laserbundel-richtprobleem moest Thomas Liebig oplossen, system engineer bij TNO Ruimtevaart, toen hij en collega’s vanuit een vliegtuig een laserstraal richtten op de geostationaire satelliet AlphaSat TDP-1, op bijna 36.000 kilometer hoogte, om zo een communicatieverbinding te leggen.

„We vlogen heen en weer, steeds 15 minuten rechtuit, dan weer terug”, zegt Liebig, „de eerste etappe hadden we last van de wolken, maar bij de tweede zijn we wat geklommen, en toen lukte het bij de eerste keer proberen.”

In de hal van TNO Ruimtevaart, een groot laboratorium op het terrein van de TU Delft, staat Liebig naast de lasercommunicatieterminal waarmee het lukte, een gevaarte ter grootte van een industriële vaatwasser. Het heeft één groot ‘oog’, een telescoop die een infrarode laserstraal (golflengte van 1.064 nanometer, vermogen 20 Watt) uitzendt naar de satelliet, en er tegelijkertijd ook één ontvangt.

Een complex systeem van spiegels, optische onderdelen en regeltechniek moet zorgen dat die twee laserbundels minutenlang op elkaar gericht blijven. „De laserbundel heeft een divergentie van 10 microrad, dat wil zeggen dat hij over die 38.000 kilometer uitwaaiert tot een cirkel met een diameter van 760 meter”, rekent Liebig voor. „Dan denk je: dat is best groot, maar het vliegtuig trilt en schudt, en dan schiet de bundel honderden kilometers heen en weer, daarvoor moet je compenseren.” Toen dat alles lukte, konden terminal en satelliet via de laser data uitwisselen, met een snelheid 1,8 gigabit per seconde, in totaal zo’n 50 gigabyte per keer.

Een kant-en-klaar product

„Het is als glasvezel, maar dan zonder vezel”, zegt Kees Buijsrogge, directeur ruimtevaart bij TNO en Liebigs baas, over het demonstratieproject waaraan TNO, het Europese ruimtevaartagentschap ESA en de vliegtuigbouwer en defensiegigant Airbus Defence and Space sinds 2018 werken. en vervolgproject moet de terminal een stuk kleiner maken, en in de toekomst leiden tot een kant-en-klaar product dat op vliegtuigen geplaatst kan worden.

De vliegtuigcomponent is nieuw, maar in de ruimtevaart zijn lasercommunicatielinks al heel gewoon. Laserlinks zitten al standaard op de Starlink-satellieten van SpaceX, waarvan er zo’n tienduizend in een lage aardbaan rondvliegen, op ruim 500 kilometer hoogte.

Met terminals op de grond communiceren de Starlink-satellieten via radioverbindingen, maar onderling richten de satellieten laserbundels op elkaar. Begin 2024 maakte het bedrijf bekend dat er per dag 42.000 gigabyte aan data verzonden wordt over 9.000 laserdataverbindingen, die soms weken standhouden. Inmiddels zijn er twee keer zo veel werkende Starlink-satellieten, en is het militair en commercieel belang van de constellatie alleen maar toegenomen.

Vergeleken bij radioverbindingen is een bundel laserlicht extreem smal: hij waaiert nauwelijks uit. Daardoor komt een relatief groot deel van het signaal bij de ontvanger aan. Met een relatief laag vermogen is een veel grotere bandbreedte haalbaar. Bovendien is zo’n smalle bundel nauwelijks te onderscheppen of te storen, een belangrijker factor in een tijd dat militair gebruik steeds belangrijker wordt.

De technologie heeft een lange aanloop gehad: al in de jaren negentig experimenteerden NASA, ESA en ook het Japanse ruimtevaartagentschap Nasda met laserverbindingen tussen satellieten, grondstations en ruimtevaartuigen. De Jupitersonde Galileo detecteerde al in 1992 een laser die op aarde werd uitgezonden. In het vacuüm van de ruimte zijn er weinig storingsfactoren.

Satellietbeeld snel doorseinen

Het eerste operationele ruimtelasernetwerk is niet Starlink, maar het Europese EDRS (European Data Relay System), een systeem van twee geostationaire satellieten dat sinds 2016 in bedrijf is. Via een laserlink kunnen Sentinel-aardobservatiesatellieten op 800 kilometer hoogte hun satellietbeelden snel doorseinen.

Het doel is snelheid en bereikbaarheid: de aardobservatiesatellieten schieten voorbij met 27.000 kilometer per uur en zijn daardoor maar een paar minuten in het zicht van een grondstation. Daarna is het 100 minuten wachten op de volgende passage. Via de geostationaire satellieten, die vanaf de aarde gezien altijd in één punt aan de hemel staan, zijn de beelden continu direct door te sturen.

Het derde netwerk is het militaire van het Amerikaanse defensie-onderzoeksbureau Darpa, waarover weinig bekend is. Inmiddels experimenteert ook China met laserlinks tussen satellieten en de aarde, waarvan sommige geschikt zijn om quantuminformatie door te geven, een techniek voor extra beveiligde communicatie.

Duitsland heeft het eigen militaire eigen satellietnetwerk Satcom aangekondigd met versleutelde laserverbindingen, en het Europese satellietennetwerk IRIS2, dat vanaf 2030 online moet komen, zal ook lasercommunicatie tussen de satellieten gebruiken. Het Nederlandse ministerie van Defensie wil in 2028 PAMI lanceren, de eerste van een klein Nederlands netwerk van militaire satellieten. Ook die zullen uitgerust worden met lasercommunicatieterminals, ontwikkeld door TNO en gebouwd door FSO Instruments, een joint venture tussen de techniekbedrijven Demcon en VDL.

„Je ziet dat er wereldwijd een markt aan het ontstaan is”, zegt Buijsrogge. In optomechatronica, een combinatie van lenzen, spiegels, fijnmechanica en elektronica, heeft Nederland zelfs „een wereldpositie”, stelt hij, „omdat we hier jarenlang in geïnvesteerd hebben, vooral in wetenschappelijke ontwerpen.” De TNO-directeur wijst op de satelliet-spectrometer en onderdelen van telescopen, zoals de ruimtetelescoop Gaia. „Het is onze droom om op dit gebied kleine ASML’s te bouwen, Nederlandse bedrijven waar de rest van de wereld eigenlijk niet omheen kan”, zegt Buijsrogge.

Onafluisterbaar praten

De uitbreiding van lasercommunicatie naar vliegtuigen, al dan niet met mensen aan boord, zal een reeks nieuwe toepassingen in bereik brengen, voorspelt Buijsrogge, militair maar ook civiel. „De oorspronkelijke use case was het overseinen van militaire en gevoelige informatie uit gevechtsvliegtuigen. Maar je kunt ook denken aan militaire drones. Kleinere drones vliegen vaak onder de wolken, dan is een laserlink niet verzekerd. Maar grotere drones kunnen boven de wolken vliegen en hebben minder last van het weer.” Die grotere drones zouden dan weer kunnen functioneren als een moederschip, dat onafluisterbaar praat met de lager vliegende drones via een dunne glasvezelkabel, zoals die in de oorlog in Oekraïne gebruikt worden.

Laserlinks bieden grote capaciteit vergeleken met radioverbindingen, maar het niet-afluisterbare karakter wijst al snel richting militaire toepassingen, erkent Buijsrogge. „Maar je kunt ook denken aan communicatie vanuit schepen of afgelegen plekken op aarde, en aan combinaties waar laser en RF [radioverbindingen] elkaar aanvullen.”

De 38.000 kilometer die het demonstratieproject overbrugde was weliswaar ver, maar lang geen record. In 2023 verstuurde NASA met een laserlink een kattenfilmpje vanaf de ruimtesonde Psyche naar de aarde, over een afstand van 31 miljoen kilometer. Maar daarbij was het grondstation de krachtige Hale-telescoop in Californië met een spiegel van 5 meter, geen uit de kluiten gewassen koelkast aan boord van een trillend en schuddend vliegtuig.

Toch roept het wel een vraag op: wat verzond TNO eigenlijk voor informatie? Kattenfilmpjes? TNO-reclame? Iets anders dat pr-technisch bruikbaar zou kunnen zijn? Liebig: „Ehm, niets. We hebben alleen maar nullen verstuurd, en in de metadata gekeken of ze goed zijn overgekomen. En dat was zo.”