Van thesis in België naar hoogtechnologisch kompas in een baan rond de aarde

Magnetische velden zijn overal rondom ons terug te vinden. Vogels gebruiken het om hun jaarlijkse trektochten te doen, de medische wereld gebruikt het in onder andere MRI scanners, en iedereen met een smartphone gebruikt het voor navigatie. Heel alledaags dus eigenlijk, of niet?

Aan de UHasselt heeft een multidisciplinair team van studenten meer dan een jaar lang gewerkt aan de OSCAR-QUBE, een kleine kubus ter grootte van slechts 10 bij 10 bij 10 centimeter en een gewicht van maar 420 gram. Met deze kubus willen ze het magnetisch veld van de aarde in kaart brengen, en dat velen malen preciezer dan ooit tevoren. Het is een verhaal van doorzettingsvermogen en teamwerk ten tijde van lockdowns en thuiswerken.

ESA – De Europese Ruimtevaartorganisatie

Het kost heel veel geld om onderzoek te kunnen doen in de ruimte, maar er stroomt ook heel veel kennis terug naar de industrie op aarde. Dit zorgt op zijn beurt voor groeiende en bloeiende economieën. ESA steunt studenten in hun onderzoek met behulp van verschillende programma’s waarin ze kunnen mee doen. Zo hebben de studenten van OSCAR-QUBE meegedaan aan het “Orbit Your Thesis!” programma van ESA Education. Hierin hebben de Limburgse studenten acht andere Europese teams verslagen met hun idee. Een team van professionals en experten achtte het OSCAR-QUBE project het beste van de hoop, waarna ze uitgekozen werden om hun project effectief te verwezenlijken.

Na meer dan een jaar werken aan hun project was het moment waar de studenten lang naar hadden uitgekeken eindelijk daar: de lancering. Op zondag 29 augustus werd de OSCAR-QUBE gelanceerd aan boord van een SpaceX raket vanuit Cape Canaveral bij het Kennedy Space Center in Florida. Op donderdag 2 september werd de OSCAR-QUBE geïnstalleerd aan boord van het internationaal ruimtestation ISS door de Franse ESA astronaut Thomas Pesquet. Hierna konden de studenten eindelijk beginnen met het uitvoeren van hun metingen in de ruimte.

- Het hele team viert de succesvolle lancering

 Van kompas naar kubus

Een kompas werkt met een gemagnetiseerde naald die naar het magnetische noorden van de aarde wijst. Maar de OSCAR-QUBE, die is toch nog net een tikkeltje specialer. Het is namelijk een op diamant-gebaseerde kwantum magnetometer. Een moeilijke benaming om te zeggen dat het met behulp van de speciale eigenschappen van diamant mogelijk is om het magnetische veld te meten.

Nu heeft een diamant een speciale structuur in drie dimensies, een kristal rooster. Het helpt hierbij om te denken aan het Atomium in Brussel. Dankzij deze structuur kan de OSCAR-QUBE, in tegenstelling tot een kompas, magneetvelden in alle richtingen meten en herkennen. Diamant is daarnaast ook het hardste natuurlijke materiaal wat we als mensheid kennen, en als gevolg hiervan hebben temperatuurs- of drukveranderingen er geen invloed op.

De diamant die gebruikt wordt in de OSCAR-QUBE heeft kleine foutjes in het kristal rooster, deze worden NV centra genoemd. Dankzij deze foutjes kunnen we de diamant gebruiken om magneetvelden te meten. Om dit te kunnen doen moet de diamant door een groene laser belicht worden en tegelijkertijd bestraald worden met microgolfstraling. Die microgolfstraling zorgt, net als thuis bij het opwarmen van eten, voor energie. Het groene licht van de laser word in de NV centra opgenomen en terug vrijgegeven als rood licht. Dit rode licht is de sleutel tot ons probleem, de kleine veranderingen in het rode licht komen namelijk overeen met de veranderingen in het magnetisch veld.

- Testen van de OSCAR-QUBE bij Space Application Services in Zaventem

Het belang van de laser

We weten nu dat we met diamant, microgolven, en laser licht een reactie kunnen opwekken in de diamant, namelijk het rode licht. Het is echter van groot belang dat de laser heel stabiel werkt, anders zou deze zelf de hoeveelheid rood licht kunnen beïnvloeden. Daarom is de hele OSCAR-QUBE, hoe klein hij nochtans is, opgedeeld in verschillende subsystemen. Laat hier het laser subsysteem er nu net een van zijn.

Het laser subsysteem zorgt ervoor dat de laser stabiel en op veilige temperaturen werkt. Het is namelijk zeer belangrijk dat het hele systeem niet oververhit raakt. Eenmaal in de ruimte konden de studenten natuurlijk geen aanpassingen meer doen. De sterkte van de laser kan vanop aarde aangepast worden om zo de perfecte hoeveelheid groen licht te produceren om de metingen uit te voeren.

Magneetveld van de aarde

Ondanks de recente lancering en installatie heeft het team niet stilgezeten. De data stroomt binnen, wat er voor zorgt dat de eerste metingen al gevisualiseerd kunnen worden. Zo konden de studenten reeds een gedeelte van de aarde opmeten tijdens het verblijf van de OSCAR-QUBE aan boord van het ISS.

- Voorlopige magnetische veldkaart van de aarde gemeten door de OSCAR-QUBE. De kaart toont voor 24 uur aan metingen.

Mogelijkheden in voor de toekomst

Met systemen zoals de OSCAR-QUBE kunnen we veel meer inzichten verwerven over onze aarde, zonnestormen, en navigatietechnieken. Verder kan de medische sector verbeterde scanners ontwikkelen en kan er met grote precisie gezocht worden naar mineralen en ertsen in de bodem. De hoop is dat ook u als lezer hier direct of indirect van mee kan profiteren.