Een satelliet die met 28.000 kilometer per uur overvliegt vanaf de grond raken met een laserstraal. En die verbinding daarna in stand houden. Zie daar de technologische uitdaging voor laser-satellietcommunicatie. Bij TNO weten ze er wel raad mee dankzij zestig jaar ervaring in ruimtevaartinstrumentatie.
Ons dataverbruik is geëxplodeerd. Van de 4K-video’s die we onderweg streamen op onze smartphone tot de eindeloze gegevensstromen die we genereren door, bijvoorbeeld, sensoren en camera’s op alle mogelijke plekken. Data die we realtime rondpompen. Via glasvezelkabels, maar toch vooral via de ether, oftewel: via radiogolven. Want of het nu wifi, bluetooth, 4G of 5G is: al deze communicatietechnologie maakt gebruik van het radiofrequentiespectrum. Het gevolg laat zich raden: langzamerhand raakt het spectrum overvol, waardoor storingen ontstaan. ‘Vergelijk het met de ouderwetse FM-radio. Als je vroeger aan die knop draaide en je kwam te dicht bij een andere zender, dan begon de radio te storen. Zo is de situatie nu met ons dataverkeer’, verduidelijkt Kees Buijsrogge, Directeur Ruimtevaart bij TNO. Er kleeft nog een nadeel aan: radiofrequenties zijn eenvoudig af te luisteren. ‘Er zijn ruimtefoto’s waarop, naast een communicatiesatelliet nog een tweede object te zien is: dat is dan een afluistersatelliet die daar in het geheim is geplaatst.’
Eiffeltoren
Het goede nieuws is: er is een alternatieve technologie in ontwikkeling die geen last heeft van de nadelen van radiocommunicatie. ‘We hebben het dan over optische communicatie: snel, betrouwbaar en nauwelijks af te luisteren’, zegt Buijsrogge. Máár, technologisch gezien stelt lasercommunicatie ons wel voor de nodige uitdagingen. Ga maar na: een satelliet komt op een hoogte van vijfhonderd kilometer overvliegen met een snelheid van 28.000 kilometer per uur. Vanaf daar een grondstation met een laser raken – dat is net zoiets als vanaf de vuurtoren van Texel een minuscuul doelwit op de Eiffeltoren aanstralen, terwijl die vuurtoren in beweging is. Toch is dát wat TNO – onder andere in samenwerking met Airbus Netherlands – heeft gepresteerd met het Small-CAT-project. Vanaf een grondstation in Den Haag is een laserverbinding tot stand gebracht met een overvliegende satelliet. Die stuurde het datasignaal vervolgens per laser door naar een grondstation in Tenerife. ‘Een doorbraak’, aldus Buijsrogge. ‘Hiermee hebben we laten zien dat deze technologie onder reële omstandigheden werkt en klaar is om verder te industrialiseren.’
Turbulentie
Om laser-satellietcommunicatie te laten werken, is ongekende precisie over grote afstanden nodig. TNO heeft hier de juiste kennis voor in huis. ‘Wij werken al zestig jaar aan ruimtevaartinstrumentatie’, vertelt Buijsrogge. ‘We ontwikkelen hightech optische instrumenten om vanaf de aarde het heelal te bestuderen. En omgekeerd: om vanuit de ruimte onze atmosfeer te bekijken, bijvoorbeeld om luchtkwaliteit en broeikasgasemissies te monitoren. Daardoor hebben we veel kennis opgebouwd over optisch-systeemontwerp. Bijvoorbeeld: kijk je naar de sterren, dan zie je ze vaak twinkelen door turbulentie in de atmosfeer. Wij hebben technologie in huis om te compenseren voor de die verstoringen onderweg. Technologie die je ook kunt gebruiken om met een laser een minuscuul ‘doelwit’ op vijfhonderd kilometer afstand te raken en vast te houden.’ ‘Wij noemen dat actieve of adaptieve optiek’, verduidelijkt Buijsrogge. ‘Denk aan een spiegel die we heel snel en nauwkeurig kunnen laten bewegen zodat hij continu in verbinding blijft met de satelliet of met de grond. In jargon: een ‘fine steering mirror’. Een systeem meet de verstoringen in de atmosfeer. Zogenoemde ‘actuatoren’ duwen voortdurend tegen de achterkant van die spiegel en compenseren zo voor die verstoringen. Wat we daarmee doen, is echt van wereldniveau.’ De technologie werkt zelfs zo goed dat TNO samen met Airbus Netherlands werkt aan laser-satellietterminals geschikt voor vliegtuigen. ‘Daarmee kan een vliegtuig op tien kilometer hoogte verbinding maken met een satelliet veertigduizend kilometer verderop. Voor zover wij weten, is dat een wereldprimeur.’
IRIS2
Met SmallCAT heeft TNO laten zien dat de technologie werkt en klaar is om grootschalig te worden gecommercialiseerd en geïndustrialiseerd. En de tijd is rijp. Europa is bezig met het opzetten van een eigen constellatie van satellieten voor veilige communicatie, IRIS2 genaamd (mede ingegeven door de wens om niet langer afhankelijk te zijn van bijvoorbeeld Starlink van de Amerikaanse ondernemer Elon Musk). ‘Onze droom is dat dit slaagt met Nederlandse bedrijven binnen de ontwikkelingsketen. En die droom lijkt nu werkelijkheid te worden’, zegt Buijsrogge, die een laser-satellietindustrie in Nederland ziet ontstaan. ‘Voorheen waren wij als TNO voortdurend in de lead, langzaamaan worden de rollen omgedraaid: er zijn nu projecten waarin wij als subcontractor voor een Nederlands bedrijf werken. Kortom, Nederland staat op het punt om met deze technologie commercieel succesvol te worden. Precies zoals je het wilt hebben.’ Toch is dat geen reden om achterover te leunen, benadrukt Buijsrogge. ‘Wij zijn alweer bezig met de volgende generatie: hoe kunnen die laser-satellietterminals nog sneller, nog beter. Maar ook: veiliger.’ Hiervoor werkt TNO aan de integratie van quantumtechnologie. ‘Als je een quantumsleutel toevoegt aan het optische signaal dan zijn je boodschappen onmogelijk te kraken’, verklaart Buijsrogge. De volgende stap: quantum-satellietcommunicatie waarmee een wereldwijd quantuminternet mogelijk wordt, eindeloos veel sneller en veiliger dan ons huidige internet. ‘Ook op deze sleuteltechnologie willen we Nederlandse bedrijven helpen een wereldwijde koppositie op te bouwen’, zegt Buijsrogge. ‘Kortom, we staan nog maar aan het begin.’
TNO, NLR
NLR
Nederlandse industrie volop aangehaakt op ‘satcom’
Een satelliet vanaf de aarde met een laser ‘aanstralen’ is één ding. Maar voor effectieve laser- satellietcommunicatie is meer nodig: de satellieten moeten elkaar ook onderling weten te vinden. NLR werkt samen met Nederlandse partners aan de benodigde ‘inter-satellite link’.
Satellieten scheren met een snelheid van ongeveer 28.000 kilometer per uur door de ruimte. Ze vliegen weliswaar boven de atmosfeer, maar nog steeds betrekkelijk laag over de aarde, in de zogenoemde Low Earth Orbit (LEO). Zo’n satelliet kan daarom maar een klein deel van de aarde overzien, wat betekent dat hij telkens moet wachten tot het grondstation in beeld is voordat er data kunnen worden uitgewisseld. ‘Gemiddeld is de wachttijd voor deze satellieten zo’n anderhalf uur’, vertelt Oana van der Togt, Business Manager Space bij NLR. Anderhalf uur op onze data wachten, dat willen we niet. En dus is er een oplossing bedacht. De satelliet ziet weliswaar maar een deel van de aarde, maar heeft ook visueel contact met andere communicatiesatellieten. Zodoende kan de data via een laserverbinding naar een ‘bevriende’ satelliet worden doorgestuurd, en zo verder. Net zolang tot een satelliet is bereikt die wel boven het benodigde grondstation hangt. ‘Aangezien lasercommunicatie met de snelheid van het licht gaat, kan op deze manier realtime data worden verstuurd en ontvangen’, zegt Van der Togt. ‘Tegelijkertijd hoeft het aantal grondstations op aarde niet heel groot te zijn als je genoeg satellieten in je netwerk hebt.’
Ruimtevaartcondities
Maar, die satellieten moeten elkaar wel weten te vinden met hun laserstraal. Met uiterste precisie over een afstand van enkele honderden tot duizenden kilometers terwijl ze mogelijk ook nog om hun as draaien. ‘Om die ‘inter-satellite link’ tussen satellieten mogelijk te maken, bouwt een Nederlands consortium een terminal die uit allerlei subsystemen bestaat’, vertelt Van der Togt. Zo houdt NLR zich onder andere bezig met aansturingselektronica. Dit onderdeel maakt dat twee satellieten elkaar weten te vinden, ook als ze bijvoorbeeld door de ruimte roteren. Ook ontwikkelt NLR een ‘high-speed modem’ die de data codeert en decodeert zodat deze via een laserstraal kan worden verzonden en ontvangen. ‘De extra uitdaging is dat alle systemen bestand zijn tegen extreme ruimtevaartcondities, zoals temperaturen die variëren van -40 tot 120 graden Celsius en ruimtestraling. Of denk aan alle schokken en trillingen waaraan de apparatuur blootstaat tijdens de lancering met een raket. Bij NLR hebben we alle testfaciliteiten om dit soort condities natuurgetrouw na te bootsen.’
Nationaal Groeifonds
Binnen dit ontwikkelingstraject ziet NLR zich als een belangrijke kennispartner. Van der Togt: ‘We zetten onze kennis en kunde in om state-of-the-art technologie te ontwikkelen die voor Nederland en Europa van belang is. Uiteindelijk willen we onze kennis en technologie overdragen aan de Nederlandse industrie die het als product op de markt kan brengen.’
Dat geldt ook voor de satellietcommunicatieterminal. ‘Dit soort projecten – die onder ander via het Nationaal Groeifonds zijn bekostigd – biedt Nederland de kans om een prominente rol op de wereldwijde lasersatellietcommunicatiemarkt te bemachtigen. En zijn competitieve positie ook te behouden binnen een markt die zich razendsnel ontwikkelt.’
Dat is niet alleen economisch, maar ook strategisch van belang, want lasersatellietcommunicatie speelt op steeds meer terreinen een rol. ‘Hiermee kunnen we mensen overal ter wereld – ook op Afgelegen plekken – snelle toegang geven tot internet. Maar ook voor defensietoepassingen – denk aan realtime informatie-uitwisseling over de situatie op het slagveld – willen Overheden over hun eigen lasersatellietnetwerk beschikken.’ En de volgende technologische horde komt al in zicht: quantumcommunicatie. ‘We bouwen als NLR nu al kennis op voor de ontwikkeling van deze sleuteltechnologie, zodat de Nederlandse industrie en overheid klaar zijn voor de toekomst.’