De race naar de nabije space

Er is weer een race naar de ruimte aan de gang, maar dit keer mikken de deelnemers niet op de maan. In plaats daarvan richten verschillende overheidsinstanties en private bedrijven wereldwijd zich op de rand van de aardatmosfeer. Waar ze een oplossing zoeken voor de overbevolking van de traditionele banen.

Het lanceren van satellieten in de zeer lage aardbaan (VLEO) — tussen de 100 en 450 kilometer boven de aarde — zou volgens Sven Bilén, hoogleraar engineering design, elektrotechniek en lucht- en ruimtevaarttechniek aan Penn State (VS), een oplossing kunnen bieden voor de ‘overbevolking’ van de traditionele banen.

Bilén zegt dat satellieten in traditionele banen drie grote uitdagingen ondervinden: overbezetting, lagere beeldresolutie en langere afstand voor datatransmissie. Dichter bij de aarde vliegen betekent scherpere beelden en snellere gegevensoverdracht, wat gunstig is voor zowel bewaking als communicatie. De grootste uitdaging is echter om satellieten in VLEO te houden.

Bilén leidt een team dat werkt aan een nieuw soort voortstuwingssysteem dat objecten in VLEO in een stabiele baan moet houden.

Waarom is VLEO-technologie nu ineens actueel?

Bilén: “De drukte in lage banen wordt snel een probleem. Er zijn nu al duizenden communicatiesatellieten zoals Starlink en OneWeb actief, en er komen er nog veel meer bij. Dit verhoogt het risico op botsingen tussen satellieten of met ruimtepuin. Daarom zien we nu een verschuiving naar VLEO-technologie.

“Daarnaast bieden deze laagvliegende satellieten commerciële kansen dankzij hun verbeterde capaciteiten. Ook zijn recente doorbraken in elektrische voortstuwingstechnologie cruciaal geweest voor het realiseren van VLEO.”

Wat zijn de grootste uitdagingen?

“De belangrijkste uitdaging is om in VLEO te blijven. Satellieten in deze baan ondervinden atmosferische weerstand, waardoor ze snel uit hun baan raken. Dat vraagt om constante voortstuwing, maar traditionele aandrijving raakt snel zonder brandstof.

“Daarom werken we aan zogenaamde air-breathing electric propulsion systems, die de ijle lucht (‘rarefied air’) rond de satelliet als brandstof gebruiken. Daarnaast krijgen deze satellieten minder zonlicht, waardoor ze energiearmoede kennen. Onze technologie pakt beide problemen aan.”

Wat voor voortstuwingstechnologie ontwikkelen jullie?

“Ons team — waaronder promovendi en onderzoekers van Penn State en Georgia Tech — ontwikkelt een zelf-neutraliserende air-breathing plasma-thruster. Deze gebruikt de omgevingslucht als aandrijving: de lucht wordt opgevangen, verhit met microgolven en via een mondstuk uitgestoten om stuwkracht te genereren.

“In tegenstelling tot andere systemen, heeft ons ontwerp geen externe neutralisator nodig en ook geen kathode — wat problemen met erosie in zuurstofrijke VLEO-omgevingen voorkomt.”

Wat is er al bereikt?

“In het eerste jaar hebben we een volledig nieuwe thruster ontwikkeld en getest: de Air-Breathing Microwave Plasma Thruster (AMPT). Deze gebruikt thermisch plasma opgewekt door microgolven. De eerste testen vonden plaats in vacuümkamers van Penn State en Georgia Tech. De resultaten zijn veelbelovend: in sommige gevallen levert de AMPT honderden keren meer stuwkracht per kilowatt dan traditionele systemen.

“Op verzoek van DARPA werken we nu aan een kleinere versie van de AMPT, zodat hij in een compacte satelliet past. Deze satelliet zal lager vliegen dan welke satelliet ooit eerder.”

Wat vind je het meest opwindende aan deze technologie?

“Het idee dat dit systeem zowel het hoogst vliegende ‘air-breathing object’ als de laagst draaiende satelliet ooit kan zijn. Daarmee kunnen we een regio van de ruimte verkennen waar nog nooit eerder een satelliet is geweest.”