Een Nederlandse NewSpace-hub voor gegevensverwerking
In het tijdperk van NewSpace is satelliettechnologie niet langer voorbehouden aan grote spelers zoals NASA en ESA. CubeSats en andere SmallSats bieden tegenwoordig commercieel haalbare oplossingen voor een breed scala geïnteresseerde partijen. Nederlandse optische sensoren speelden altijd al een belangrijke rol in de conventionele ruimtevaarttechnologie; nu wordt deze positie verder versterkt in NewSpace door de ontwikkeling van een nieuwe regel- en gegevensverwerkingseenheid voor optische instrumenten.
Een nieuwe satelliet ontwikkelen en lanceren was vroeger een megaproject dat jaren duurde en een gigantisch budget vereiste. Alleen grote nationale of internationale overheidsorganisaties waren in staat om toestellen de ruimte in te sturen. Een belangrijke reden was de forse omvang en het gewicht van satellieten, wat de ontwikkel- en lanceerkosten flink opdreef.
Tegenwoordig zijn veel satellieten SmallSats (tot duizend kilo). Een doorsnee CubeSat-eenheid beslaat bijvoorbeeld maar tien kubieke centimeter en heeft dezelfde inhoud als een pak melk van een liter. Een complete CubeSat bestaat uit 1-24 van zulke eenheden. Ze worden meestal met een Agile-traject ontwikkeld, en de vereiste ontwikkeltijd is veel korter dan voor traditionele satellieten. Bovendien zijn de lanceerkosten veel lager vanwege de kleine omvang en het lichte gewicht. CubeSats zijn de afgelopen tien jaar een groot succes geworden en het aantal actieve satellieten is gestegen van minder dan duizend in 2011 tot meer dan vijfduizend nu.
CubeSats kunnen natuurlijk maar weinig technologie aan boord hebben. Er is alleen plaats voor kleine instrumenten en er is meestal geen aandrijving, zodat hun levensduur kort is. Omdat satellieten allemaal in vrije val zijn, vallen CubeSats zonder aandrijving langzaam maar zeker terug naar de aarde en verbranden zodra ze de dampkring binnenkomen.
Na de eerste golf CubeSats is er daarom een trend ontstaan om iets grotere toestellen te gebruiken, zoals microsats (10-100 kilo) of minisats (100-1000 kilo). Die kunnen grotere instrumenten aan boord hebben, evenals aandrijving voor koerscorrectie, zodat ze veel langer in hun baan om de aarde kunnen blijven. De levensduur van CubeSats is ongeveer een jaar, maar microsats kunnen wel zo’n vijf tot tien jaar operationeel zijn.
Logische brug
Veel van de meet- en observatie-instrumenten aan boord van satellieten zijn optisch van aard. Camera’s en lenzen registreren licht op allerlei golflengtes, van infrarood tot ultraviolet en meer. De mogelijke usecases zijn enorm: van geologische kartering, meteorologische studies en metingen van atmosferische deeltjes tot het monitoren van olielekken op zee, vulkaanerupties of bosbranden. De Nederlandse optische industrie is vanouds een belangrijke producent van hoogwaardige optische instrumenten voor Europese en internationale satellietprojecten. De Nederlandse overheid wil deze met moeite verworven positie graag behouden, bijvoorbeeld door voortgaande innovatie te financieren.
Een van deze financieringsprojecten om de Nederlandse optische industrie te ondersteunen is de ontwikkeling van een regel- en gegevensverwerkingseenheid (control and data processing unit, CDPU) door Technolution Advance en de Koninklijke NLR, het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum. De CDPU is specifiek toegerust voor microsats. Het is een hub die een logische brug slaat tussen de optische instrumenten en het satellietplatform. Hij biedt gestandaardiseerde hardware-interfaces voor de integratie van instrumenten, evenals geavanceerde voorzieningen om optische gegevens te verwerken.
De hardware van de CDPU moet robuust genoeg zijn om de prestaties volgens specificatie te kunnen garanderen, en dat gedurende de gehele voorziene in-orbit levensduur van de SmallSat.
Om een snel ontwikkeltraject te kunnen realiseren gebruiken Technolution Advance en NLR Agile-methodes, maar om maximale betrouwbaarheid en duurzaamheid te kunnen garanderen kijken ze ook naar de best practices van de conventionele ruimtevaartindustrie. Het basisontwerp van de CDPU is flexibel ten aanzien van stralingstolerantie, zodat het betrouwbaarheidsniveau altijd afgestemd kan worden op de specifieke missie van de satelliet. Voor kortlopende missies kan dus bijvoorbeeld ook commerciële off-the-shelfuitrusting met een lagere stralingstolerantie ingezet worden.
De CDPU gaat nauw samenwerken met de optische instrumenten van de satelliet zodat producenten zich geheel kunnen concentreren op de kerntaken van hun instrumenten. Deze verwerkingseenheid betekent daarom een flinke verbetering van het upstreamvermogen van de Nederlandse optische industrie – de bruikbaarheid en kwaliteit van de uitrusting die in de ruimte gebracht wordt.
Doordat de CDPU ingebouwde gegevensverwerkingsvoorzieningen bevat kunnen de instrumenten in de satelliet optische gegevens al verwerken voordat ze teruggestuurd worden naar de aarde, en dat bespaart veel bandbreedte. Als het aardoppervlak bijvoorbeeld niet zichtbaar is op beelden van een optisch instrument vanwege bewolking, dan kan de CDPU deze beelden eruit filteren, zodat alleen bruikbare gegevens teruggestuurd worden. Omdat de verwerkingskracht voor een deel zal komen van FPGA’s, zullen de embedded algoritmen voor de gegevensverwerking aanpasbaar en instelbaar zijn. De gegevensstromen kunnen dus optimaal aangepast worden voor elk beoogd einddoel.
Constellaties
Grotere SmallSats bieden meer functionaliteit en praktische toepassingen, maar hun bescheiden omvang betekent dat de functionaliteit nog steeds beperkt blijft tot een relatief aantal taken. Deze beperking kan echter overstegen worden door meerdere SmallSats te laten samenwerken als één enkel systeem. SmallSats met verschillende soorten instrumenten kunnen met elkaar verbonden worden zodat ze met elkaar kunnen communiceren en hun bewegingen en activiteiten op elkaar kunnen afstemmen. Zulke zogenaamde constellaties kunnen veel verschillende observatietaken uitvoeren, en de resulterende gegevens kunnen commercieel beschikbaar gemaakt worden.
Constellaties zijn misschien wel het begin van “constellation as a service” (CaaS), een dienst waarbij betalende abonnees de constellatie gebruiken voor hun eigen controletaken en om specifieke gegevens te downloaden. Maar CaaS werkt alleen als de satellieten een waterdicht beveiligingssysteem hebben dat het downloaden van gegevens door niet-abonnees onmogelijk maakt. Dat is een groot verschil met huidige satellieten, die hun gegevens meestal onversleuteld of met minimale versleuteling terugsturen. De upstreamcommunicatie zal natuurlijk ook beveiligd moeten worden om te voorkomen dat onbevoegden de constellatie kunnen overnemen.
Samenwerking
Technolution Advance en NLR werken in het CDPU-project nauw samen met optische instrumentenbouwers en SmallSatplatformintegratoren. Samenwerking en co-creatie is heel belangrijk voor beide ontwikkelpartners, omdat zij alle betrokkenen in staat stellen om hun eigen vaardigheden en kennis in te brengen in het ecosysteem. Instrumentenbouwers en SmallSatplatformintegratoren kunnen zich helemaal concentreren op het demonstreren en valideren van het CDPU-concept, terwijl Technolution Advance en NLR kunnen focussen op het specificeren, ontwikkelen, bouwen en testen van betrouwbare, modulaire elektronica die de Nederlandse betrokkenheid bij NewSpace een grote impuls zullen geven.
Nederlandse financiering voor innovatieve technologie
De Nederlandse technologiesector heeft het verrassend goed gedaan tijdens de pandemie, en dat komt voor een belangrijk deel door forse financieringsimpulsen van de Nederlandse overheid. Al voor de pandemie was er het zogenaamde Small Business Innovation Research of SBIR-programma, dat kleinere bedrijven helpt om technologische innovatie te initiëren. De CDPU van Technolution Advance en NLR wordt ontwikkeld in opdracht van NSO, het Nederlands ruimtevaartagentschap, en wordt gefinancierd in het kader van het SBIR-programma.
Nog recenter is het Nxtgen Hightech-programma, dat gedurende zeven jaar 1,2 miljard euro gaat investeren in zes verschillende terreinen, waaronder schone energie, snellere processors en landbouwrobots. Technolution Advance heeft expertise op het gebied van embedded besturingselektronica voor gegevensverwerving, en zal meedoen aan participatieve ecosystemen voor de ontwikkeling van metrologische systemen voor halfgeleiders, lifesciences en fotonische geïntegreerde schakelingen.
Deze financieringsprogramma’s ondersteunen de typisch Nederlandse manier van consensus-georiënteerde samenwerking en besluitvorming. Grote, innovatieve projecten brengen partijen uit allerlei disciplines samen, en vaak leidt dat tot het ontstaan van nieuwe, succesvolle consortia of zelfs van nieuwe regionale technologiehubs, zoals bijvoorbeeld de techbedrijven die rond ASML zijn samengeclusterd.