Nieuwe CubeSat-spectrometer kan klimaatmonitoring revolutioneren
Stel je een kleine satelliet voor, ter grootte van een schoenendoos, die wetenschappers kan helpen onze planeet beter te begrijpen. Dit is geen sciencefiction—het is een echte ontwikkeling in klimaattechnologie, gemaakt door wetenschappers aan de Vrije Universiteit Brussel. Een nieuwe, compacte spectrometer, klein genoeg om in een enkele CubeSat (een kleine satelliet, ter grootte van een literfles, gebruikt voor ruimteonderzoek) te passen, zal verbeterde mogelijkheden bieden voor aardobservatie. Daarbij maakt het gebruik van geavanceerde optica om meer van de planeet te bestrijken dan ooit tevoren.
Ontwerp en afmetingen van de nieuwe miniatuursatelliet met betere prestaties dan tot nu toe zijn gedaan
Deze nieuwe technologie is vooral veelbelovend voor het volgen van broeikasgassen, belangrijke veroorzakers van klimaatverandering, en het observeren van verschillende milieuveranderingen vanuit de ruimte.
Wat is een spectrometer en waarom is het belangrijk?
Een spectrometer is een instrument dat licht meet, maar het doet veel meer dan alleen foto’s maken. Het splitst licht in verschillende golflengten (denk aan een regenboog), en dit onthult informatie over de materialen die dat licht uitstralen of weerkaatsen. Bij aardobservatie helpen spectrometers bijvoorbeeld bij het detecteren van gassen in de atmosfeer of de gezondheid van bossen door te observeren hoe licht ermee interacteert.
Op dit moment zijn spectrometers die in de ruimte worden gebruikt, al van vitaal belang voor klimaatonderzoek. Instrumenten zoals TROPOMI (gelanceerd in 2017) helpen wereldwijd bij het monitoren van luchtvervuiling en broeikasgassen. Maar dit nieuwe spectrometerontwerp is uniek: het is 90 keer kleiner, past in een CubeSat, en kan een enorm gebied bestrijken met de beste resolutie ooit, waardoor we de hele planeet beter in kaart kunnen brengen.
Wat maakt deze nieuwe spectrometer anders?
Het brede gezichtsveld van de nieuwe spectrometer—een indrukwekkende 120 graden—betekent dat hij grote delen van de aarde vanuit de ruimte kan waarnemen, mogelijk de hele wereld in vijf omwentelingen kan bestrijken. Bovendien werkt hij in drie verschillende lichtbereiken: zichtbaar licht (zoals wij het zien), infrarood en thermisch infrarood (zoals warmte). Elk van deze bereiken geeft ons andere informatie over het milieu op aarde. Het zichtbare spectrum helpt bijvoorbeeld bij het monitoren van zaken zoals de gezondheid van planten, het nabij-infraroodspectrum helpt bij het detecteren van water en bepaalde gassen, en het thermische bereik kan warmte waarnemen, wat cruciaal is voor het monitoren van klimaat- en weerpatronen.
Hoe het werkt: Een korte uitleg
Deze nieuwe spectrometer bestaat uit twee hoofdonderdelen: een telescoop en een spectrometerunit. De telescoop verzamelt licht van de aarde en stuurt het naar de spectrometer. Eenmaal binnen wordt het licht gesplitst in de verschillende kanalen (zichtbaar, nabij-infrarood en thermisch), en elk kanaal richt dat licht op detectoren die zowel ruimtelijke als spectrale informatie bieden.
Elk van deze kanalen is speciaal ontworpen om maximale efficiëntie te bereiken. Het zichtbare kanaal gebruikt bijvoorbeeld een diffractierooster (een instrument dat licht splitst zoals een kristal dat doet) om licht in verschillende golflengten te verdelen, terwijl twee nauwkeurig gevormde spiegels (vrije vormspiegels genoemd) het licht naar een detector leiden. De nabij-infrarode en thermische kanalen gebruiken vergelijkbare opstellingen, maar zijn aangepast om langere golflengten vast te leggen.
Wat het ontwerp zo compact en krachtig maakt, is het gebruik van vrije vormoptiek—complexe, gebogen spiegels die licht nauwkeuriger kunnen focussen dan traditionele platte of bolvormige spiegels. Door deze spiegels zo te vormen dat ze het lichtpad optimaliseren, kan de spectrometer scherpe beelden vastleggen, zelfs aan de randen van het brede gezichtsveld.
Waarom is dit belangrijk voor klimaatmonitoring?
De nieuwe CubeSat-spectrometer kan een doorbraak betekenen voor milieuwaarneming, vooral bij het volgen van broeikasgassen zoals kooldioxide en methaan—twee belangrijke aanjagers van klimaatverandering. Met zijn brede gezichtsveld en het vermogen om zowel zichtbaar als onzichtbaar (infrarood) licht waar te nemen, kan het instrument uitgebreide gegevens verzamelen over de staat van de atmosfeer van de aarde.
Normaal gesproken zou het ontwerpen van een instrument dat in al deze lichtbereiken werkt veel ruimte innemen, maar dit nieuwe apparaat doet dit allemaal terwijl het in een CubeSat past. Dat is een grote stap, omdat dit betekent dat er meer van deze satellieten tegen lagere kosten kunnen worden gelanceerd. Dit zou kunnen leiden tot een hele vloot CubeSats, die bijna voortdurend updates geven over de wereldwijde milieutoestand, iets wat van onschatbare waarde zou zijn voor wetenschappers, beleidsmakers en zelfs industrieën die zich richten op duurzaamheid.
Vooruitkijkend: De toekomst van klimaattech in de ruimte
Nu klimaatverandering een steeds grotere zorg wordt, is technologie zoals deze nieuwe spectrometer cruciaal voor het verzamelen van de gegevens die we nodig hebben om het te begrijpen en te bestrijden. De mogelijkheid om grote delen van de aarde met hoge precisie te monitoren, betekent dat we veranderingen sneller kunnen detecteren, of het nu gaat om broeikasgasconcentraties, ontbossing of de gezondheid van de oceanen.
De miniaturisatie van spectrometers opent ook spannende mogelijkheden voor andere ruimtemissies. Kleine satellieten zoals CubeSats kunnen in grote aantallen worden ingezet en zo een gedetailleerd, real-time beeld geven van wat er op aarde gebeurt. Dit zou alles kunnen verbeteren, van weersvoorspellingen tot rampenbestrijding en milieubescherming.
Kortom, deze kleine spectrometer kan een enorme impact hebben op hoe we onze planeet observeren en klimaatverandering bestrijden. Door ons in staat te stellen meer te zien, met betere precisie en vanuit een kleiner pakket, is het een grote sprong voorwaarts in de technologie die we gebruiken om de aarde te beschermen.
Matéo Yerlès
J. Atmos. Sci., vol. 56, May 1999. doi: 10.1175/1520- 0469(1999)056<0127:SMOAMM>2.0.CO;2.
[17] Y. Kang, L. Pan, M. Sun, X. Liu, and Q. Chen, ‘Destriping high-resolution satellite imagery by improved moment matching’, Int J Remote Sens, vol. 38, no. 22, pp. 6346–6365, Nov. 2017, doi: 10.1080/01431161.2017.1353162.
1
2024. [Online]. Available: https://www.edmundoptics.co.uk/knowledge- center/application-notes/optics/the-correct-material-for-infrared-applications/
[34] Thorlabs, ‘Thorlabs - GT13-03 Visible Transmission Grating, 300 Grooves_mm,
17.5° Groove Angle, 12.7 mm x 12.7 mm’. Accessed: Jun. 04, 2024. [Online].
Available: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=GT13-03
[35] Thorlabs, ‘Diffraction Gratings Tutorial’. [Online]. Available:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=9026#:~:text=…
e
[36] Thorlabs, ‘Visible Transmission Gratings 300 Grooves/mm Visible Transmission
Gratings’. [Online]. Available:
https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1123&pn=GT13-03
https://deltaopticalthinfilm.com/knowledge/tech-notes-and-papers/optimu…-
sorting-filters-for-spectrometers/
[38] Delta Optical thin Film, ‘Typically measured transmittance of CVOSF 290-915
(LF104200) Typically measured blocking of CVOSF 290-915 (LF104200)’.
[39] Layertec, ‘Metallic Coatings’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available:
[40] Thorlabs, ‘Protected Silver Mirror’. Accessed: Jun. 12, 2024. [Online]. Available:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=903
[41] Thorlabs, ‘Protected Aluminum Mirrors’. Accessed: Jun. 12, 2024. [Online].
Available: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=264
[42] J. (Julie L. ) Bentley, C. Olson, and Society of Photo-Optical Instrumentation
Engineers., Field guide to lens design. SPIE, 2012.
[43] X. Prieto-Blanco, C. Montero-Orille, B. Couce, and R. De La Fuente, ‘Analytical
design of an Offner imaging spectrometer’, 2006.
[44] Thorlabs, ‘Near-IR Ruled Reflective Diffraction Gratings’. [Online]. Available:
https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8627
[45] Thorlabs, ‘Mid-IR Ruled Reflective Diffraction Gratings Overview’. [Online].
Available: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8628
[46] Photonis exosens group, ‘Nocturn Series KEY FEATURES’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available: https://www.exosens.com/system/files/2024-02/Photonis_VIS-
NIR_Nocturn%20Series_Leaflet_VD.pdf
[47] Teledyne, ‘NIRvana HS Datasheet’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available:
https://www.princetoninstruments.com/wp-content/uploads/2021/04/NIRvana…-
Datasheet-Rev-A1-2021-07-22.pdf
[48] SIMTRUM, ‘STPLUG1212R product specification’. Accessed: May 13, 2024.
[Online]. Available:
https://www.simtrum.com/WebShop/ProductInfo.aspx?pid=1912&id=19177
[49] Olympus, ‘Introduction to CMOS Image Sensors’. [Online]. Available:
https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-
resource/primer/digitalimaging/cmosimagesensors/
[50] Enlitech, ‘Quantum Efficiency | Definition, Equation, Application, Calculating’.
Accessed: Jun. 05, 2024. [Online]. Available:
[51] Hamamatsu, ‘S16101 CMOS area image sensor’. Accessed: May 13, 2024. [Online].
Available: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/image-
sensor/ccd-cmos-nmos-image-sensor/area-sensor/for-camera/S16101.html
[52] A. Tosi, A. Della Frera, A. Bahgat Shehata, and C. Scarcella, ‘Fully programmable single-photon detection module for InGaAsInP single-photon avalanche diodes with clean and sub-nanosecond gating transitions’, Review of Scientific Instruments, vol.
83, no. 1, Jan. 2012, doi: 10.1063/1.3675579.
Jun. 05, 2024. [Online]. Available: https://www.princetoninstruments.com/learn/swir-nirii/intro-to-scientif…- fpa- cameras#:~:text=In%20an%20InGaAs%20FPA%2C%20the,signal%20to%20off%2 Dchip%20electronics.
2
3
photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/ssd/g13393-
0909w_kmir1027e.pdf
[56] Michael Frey, ‘Simplified representation of a bolometric pixel’. Accessed: Jun. 10,
2024. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Microbolometer#/media/File:Simplified_rep… n_of_a_bolometric_pixel.svg