Nieuwe CubeSat-spectrometer kan klimaatmonitoring revolutioneren

Matéo
Yerlès

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

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

 

Bibliografie

  1. [1]  World health organization, ‘Climate change’. Accessed: May 04, 2024. [Online]. Available: https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/climate-change-and- health
  2. [2]  A. A. A. Basaria, A. Ahsan, A. Nadeem, R. Tariq, and N. Raufi, ‘Infectious diseases following hydrometeorological disasters: current scenario, prevention, and control measures’, Annals of Medicine & Surgery, vol. 85, no. 8, pp. 3778–3782, Aug. 2023, doi: 10.1097/ms9.0000000000001056.
  3. [3]  Lawrence Huang, ‘Climate Migration 101: An Explainer’, 2023, [Online]. Available: https://www.migrationpolicy.org/article/climate-migration-101- explainer#:~:text=Over
  4. [4]  European environment agency, ‘Ηow air pollution affects our health’. Accessed: May 19, 2024. [Online]. Available: https://www.eea.europa.eu/en/topics/in-depth/air- pollution/eow-it-affects-our-health
  5. [5]  UNFCCC, ‘Report of the Conference of the Parties on its twenty-first session, held in Paris from 30 November to 11 December 2015. Part one: Proceedings’, 2016.
  6. [6]  Anju Sharma, Christoph Schwarte, Benito Müller, Achala Abeysinghe, and Subhi Barakat, ‘Guide de poche de l’accord de Paris’, 2016.
  7. [7]  H. R. Design, R. Simmon, and NASA Earth Observatory, ‘Global Warming’. [Online]. Available: https://earthobservatory.nasa.gov/features/GlobalWarming
  8. [8]  Marcus Lu and Visual capitalist, ‘Visualizing All the World’s Carbon Emissions by Country’. [Online]. Available: https://www.visualcapitalist.com/carbon-emissions- by-country-2022/
  9. [9]  United States Environmental Protection Agency, ‘Overview of Greenhouse Gases’. Accessed: Jun. 12, 2024. [Online]. Available: https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases
  10. [10]  G. A. Schmidt, R. A. Ruedy, R. L. Miller, and A. A. Lacis, ‘Attribution of the present- day total greenhouse effect’, Journal of Geophysical Research Atmospheres, vol. 115, no. 20, 2010, doi: 10.1029/2010JD014287.
  11. [11]  S. Dewitte, J. Cornelis, and M. Meftah, ‘Centennial Total Solar Irradiance Variation’, Remote Sens (Basel), vol. 14, no. 5, Mar. 2022, doi: 10.3390/rs14051072.
  12. [12]  L. Schifano and L. Smeesters, ‘Innovative spaceborne instrument for improving climate change monitoring’, 2022.
  13. [13]  J. P. Burrows et al., ‘The Global Ozone Monitoring Experiment (GOME): Mission Concept and First Scientific Results’, Max Planck Institute for Chemistry, 1999.
  14. [14]  R. Munro et al., ‘The GOME-2 instrument on the Metop series of satellites: Instrument design, calibration, and level 1 data processing - An overview’, Atmos Meas Tech, vol. 9, no. 3, pp. 1279–1301, Mar. 2016, doi: 10.5194/amt-9-1279-2016.
  15. [15]  T. Hamazaki, Y. Kaneko, A. Kuze, and K. Kondo, ‘Fourier transform spectrometer for Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT)’, Proceedings of SPIE, vol. 5659, May 2004, doi: 10.1117/12.581198.
  16. [16]  H. Bovensmann et al., ‘SCIAMACHY: mission objectives and measurement modes’,

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

  1. [18]  M. Yerlès, L. Schifano, S. Dewitte, H. Thienpont, and L. Smeesters, ‘Cubesat multispectral space-based imaging spectrometer enhancing climate change monitoring’, 2024. [Online]. Available: https://www.b-phot.org/
  2. [19]  X. Zhao et al., ‘Assessment of the quality of TROPOMI high-spatial-resolution NO_2 data products in the Greater Toronto Area’, Atmospheric Measurement Techniques. [Online]. Available: https://amt.copernicus.org/articles/13/2131/2020/
  3. [20]  P. Van Doorn, D. Nijkerk, B. van Venrooy, R. Henselmans, F. Draaisma, and A. M. Hoogstrate, ‘The TROPOMI Telescope’, SPIE-Intl Soc Optical Eng, Nov. 2017, p. 21. doi: 10.1117/12.2309035.
  4. [21]  Royal Belgian Institute for Space Aeronomy, ‘Three years of TROPOMI measurements’. Accessed: May 30, 2024. [Online]. Available: https://www.aeronomie.be/en/news/2021/three-years-tropomi-measurements
  5. [22]  A. Ludewig et al., ‘In-flight calibration results of the TROPOMI payload on board the Sentinel-5 Precursor satellite’, Atmos Meas Tech, vol. 13, no. 7, pp. 3561–3580, Jul. 2020, doi: 10.5194/amt-13-3561-2020.
  6. [23]  P. F. Levelt et al., ‘TROPOMI and TROPI: UV/VIS/NIR/SWIR instruments’, Earth Observing Systems XI, vol. 6296, p. 629619, Aug. 2006, doi: 10.1117/12.680582.
  7. [24]  L. Schifano, F. Berghmans, S. Dewitte, and L. Smeesters, ‘Optical Design of a Novel Wide-Field-of-View Space-Based Spectrometer for Climate Monitoring’, Sensors, vol. 22, no. 15, Aug. 2022, doi: 10.3390/s22155841.
  8. [25]  J. P. Veefkind et al., ‘TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications’, Remote Sens Environ, vol. 120, pp. 70–83, May 2012, doi: 10.1016/j.rse.2011.09.027.
  9. [26]  L. Schifano and L. Smeesters, Innovative spaceborne instrument for improving climate change monitoring. 2022.
  10. [27]  Ibsen photonics, ‘Spectrometer Design Guide’. Accessed: Jun. 04, 2024. [Online]. Available: https://ibsen.com/resources/spectrometer-resources/spectrometer-design- guide/
  11. [28]  B&W Tek, ‘Spectrometer knowledge’. Accessed: Mar. 04, 2024. [Online]. Available: https://bwtek.com/spectrometer-part-4-the-optical-bench/
  12. [29]  H. González-Núñez et al., ‘Design, calibration and assembly of an Offner imaging spectrometer’, J Phys Conf Ser, vol. 274, no. 1, 2011, doi: 10.1088/1742- 6596/274/1/012106.
  13. [30]  Edmundoptics, ‘The correct material for infrared application’. Accessed: Feb. 01,

2024. [Online]. Available: https://www.edmundoptics.co.uk/knowledge- center/application-notes/optics/the-correct-material-for-infrared-applications/

  1. [31]  Thorlab, ‘Thorlab - DMLP1150B’. Accessed: Feb. 01, 2024. [Online]. Available: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=DMLP1150B
  2. [32]  L. Smeesters, ‘Microphotonics: Periodic Structures Part 1’. [Powerpoint], 2021.
  3. [33]  L. Smeesters, ‘Microphotonics: Periodic Structures Part 3’. [Powerpoint], 2021.
  4. [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

  5. [35]  Thorlabs, ‘Diffraction Gratings Tutorial’. [Online]. Available:

    https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=9026#:~:text=…

    e

  6. [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

  7. [37]  Delta Optical Thin Film, ‘Order Sorting Filters for fixed grating mini- spectrometers’. Accessed: Jun. 04, 2024. [Online]. Available:

https://deltaopticalthinfilm.com/knowledge/tech-notes-and-papers/optimu…-

sorting-filters-for-spectrometers/

  1. [38]  Delta Optical thin Film, ‘Typically measured transmittance of CVOSF 290-915

    (LF104200) Typically measured blocking of CVOSF 290-915 (LF104200)’.

  2. [39]  Layertec, ‘Metallic Coatings’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available:

    https://www.layertec.de/en/capabilities/coatings/metallic/

  3. [40]  Thorlabs, ‘Protected Silver Mirror’. Accessed: Jun. 12, 2024. [Online]. Available:

    https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=903

  4. [41]  Thorlabs, ‘Protected Aluminum Mirrors’. Accessed: Jun. 12, 2024. [Online].

    Available: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=264

  5. [42]  J. (Julie L. ) Bentley, C. Olson, and Society of Photo-Optical Instrumentation

    Engineers., Field guide to lens design. SPIE, 2012.

  6. [43]  X. Prieto-Blanco, C. Montero-Orille, B. Couce, and R. De La Fuente, ‘Analytical

    design of an Offner imaging spectrometer’, 2006.

  7. [44]  Thorlabs, ‘Near-IR Ruled Reflective Diffraction Gratings’. [Online]. Available:

    https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8627

  8. [45]  Thorlabs, ‘Mid-IR Ruled Reflective Diffraction Gratings Overview’. [Online].

    Available: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8628

  9. [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

  10. [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

  11. [48]  SIMTRUM, ‘STPLUG1212R product specification’. Accessed: May 13, 2024.

    [Online]. Available:

    https://www.simtrum.com/WebShop/ProductInfo.aspx?pid=1912&id=19177

  12. [49]  Olympus, ‘Introduction to CMOS Image Sensors’. [Online]. Available:

    https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-

    resource/primer/digitalimaging/cmosimagesensors/

  13. [50]  Enlitech, ‘Quantum Efficiency | Definition, Equation, Application, Calculating’.

    Accessed: Jun. 05, 2024. [Online]. Available:

    https://enlitechnology.com/blog/qe/quantum-efficiency-01/

  14. [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

  15. [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.

  16. [53]  Princeton Instrument, ‘Introduction to scientific InGaAs FPA cameras’. Accessed:

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.

  1. [54]  S. Xie, J. Liu, and F. Zhang, ‘An accurate circuit model for the statistical behavior of inp/ingaas spad’, Electronics (Switzerland), vol. 9, no. 12, pp. 1–13, Dec. 2020, doi: 10.3390/electronics9122059.
  2. [55]  Hamamatsu, ‘G13393-0909W InGaAs area image sensor’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available: https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-

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

  1. [57]  R. K. Bhan, R. S. Saxena, C. R. Jalwania, and S. K. Lomash, ‘Uncooled infrared microbolometer arrays and their characterisation techniques’, Def Sci J, vol. 59, no. 6, pp. 580–589, 2009, doi: 10.14429/dsj.59.1562.
  2. [58]  Xenics exosens group, ‘Dione 1024 CAM serie’. Accessed: May 13, 2024. [Online]. Available: https://www.exosens.com/products/dione
  3. [59]  A. Ludewig, ‘S5P Mission Performance Centre Level 1b Readme ESA Data Quality Manager ESA Mission Manager’, 2023. [Online]. Available: https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/technical-guides/sentinel-…- algorithms
  4. [60]  M. Englert, J. Unger, S. Missinne, and P. Verduyckt, ‘ZOOM SUR LES COMMUNES 2024: IXELLES’. [Online]. Available: https://ibsa.brussels/
  5. [61]  Perspective Brussels, ‘Aménagement du territoire et immobilier’. Accessed: Jun. 07, 2024. [Online]. Available: https://ibsa.brussels/le-saviez-vous/162-4-km2-est-la- superficie-de-la-region-de-bruxelles- capitale#:~:text=162%2C4%20km%C2%B2%20est%20la,R%C3%A9gion%20de%20 Bruxelles%2DCapitale%20%7C%20IBSA
Download scriptie (8.71 MB)
Universiteit of Hogeschool
Vrije Universiteit Brussel
Thesis jaar
2024
Promotor(en)
Lien Smeesters