Het weerbericht op Mars: hoe fotonica de weg vrijmaakt voor de eerste astronauten op de rode planeet
- ArtyomPetrosyan
Het weerbericht op Mars: hoe fotonica de weg vrijmaakt voor de eerste astronauten op de rode planeet
Stel je voor: je stapt uit je ruimtecapsule op een buitenaardse wereld. Je hebt er maanden over gedaan om er te geraken. Maar in plaats van een helder uitzicht op een rood landschap word je onthaald door een allesverwoestende stofstorm die de zon maandenlang verduistert. De temperatuur keldert tot ver onder -100 °C en schadelijk fijnstof dringt overal binnen.
Als we ooit mensen naar Mars willen sturen, moeten we niet alleen weten hoe we er geraken, maar ook hoe we overleven in dat extreme, onvoorspelbare klimaat. Wat betekent het om een planeet te koloniseren als je het weerbericht niet kent?
Voor toekomstige astronauten, maar ook voor de huidige Marsrovers, is inzicht in de atmosfeer van levensbelang. Alleen vertellen de instrumenten die we nu gebruiken ons niet het volledige verhaal. Ze zijn vaak zwaar en log, en kunnen de snelle, complexe weersveranderingen in de Marsatmosfeer niet altijd even scherp vastleggen.
In mijn masterproef in de Fotonica gebruik ik de studie van licht en lichttechnologie om een oplossing te onderzoeken die toelaat de Marsatmosfeer vanuit de ruimte te bestuderen, vanop een hoogte van 5.720 km. Wat als we de kracht van licht kunnen gebruiken om het onzichtbare zichtbaar te maken? Wat als we ultralichte, compacte telescoopsystemen kunnen ontwerpen die feilloos de geheimen van het Marsklimaat blootleggen?
"Elke gram naar de ruimte kost duizenden euro's"
Deze gouden regel in de ruimtevaart bepaalde de kern van mijn onderzoek. Een telescoop voor de ruimte ontwerpen is uiterst complex. Je kunt niet zomaar de grootste en zwaarste lens de ruimte in sturen. Alles moet heel licht zijn, uiterst compact, en bestand tegen dodelijke kosmische straling en extreme vriestemperaturen.
Bovendien bestaat er in de ruimtevaart niet zoiets als één perfecte telescoop. De beeldhoek (of field of view) van een telescoop bepaalt hoeveel van het Marsoppervlak en de atmosfeer in één beeld kan opgemeten worden. Het is één van de belangrijkste parameters van een telescoop.
Om de ideale kandidaat voor een toekomstige Marsmissie te vinden, ontwierp ik drie verschillende spiegelgebaseerde telescoopsystemen. De drie telescopen werken in het ultraviolette gebied. Het menselijk oog kan deze golflengten niet zien, maar deze zijn essentieel voor de studie van de Marsatmosfeer, aangezien ze exact kunnen aangeven hoeveel stofdeeltjes, ozon en ijswolken er aanwezig zijn.
Drie telescopen, drie visies op Mars
Het doel is om de Marsatmosfeer met zo weinig mogelijk beelden in kaart te brengen. Dit maakt het mogelijk om snelle weersveranderingen te kunnen opmeten, maar brengt extra complexiteit met zich mee. Tijdens mijn onderzoek werkte ik drie concepten uit, gaande van theoretisch ontwerp tot design-voor-fabricage, via gebruik van raytracingsoftware. De drie designs werken elk in het ultraviolet, maar gebruiken verschillende waarnemingstechnieken om de planeet te bestuderen:
- De groothoekverkenner: Dit systeem is ontworpen als een breedbeeldcamera die de gehele Marsatmosfeer tegelijk in kaart brengt. Perfect om te voorspellen wanneer en hoe snel een globale stofstorm zich ontwikkelt, maar met een lagere lichtopbrengst en een resolutie van 2,61 km in een volume van 22 cm x 20 cm x 15 cm.
-
De scanningverkenner: Dit systeem lijkt sterk op de groothoekverkenner, maar met het verschil dat de telescoop niet in één keer de gehele Marsatmosfeer in kaart kan brengen. Het maakt gebruik van een scanningsmechanisme dat zes strookbeelden opneemt en zo de Marsatmosfeer reconstrueert. Dit systeem is compacter (17 cm x 15 cm x 13,5 cm), heeft meer lichtopbrengst, maar vergt de implementatie van een scanner. Dit systeem heeft een resolutie van 2,50 km.
- De fotonische spectrometer: Dit uiterst compacte ontwerp brengt de Marsatmosfeer lijn per lijn in kaart en ontleedt het licht dat door de atmosfeer reist in meerdere golflengten. Het is extreem compact en lichtgewicht (8 cm x 6 cm x 6 cm), maar vereist een ontzettend complexe uitlijning en productie van de spiegels en levert een resolutie van 2,58 km.
De zoektocht naar het ultieme ontwerp
Een groot deel van mijn thesis bestond uit het uitgebreide optische ontwerp en simulaties om deze drie ontwerpen meedogenloos met elkaar te vergelijken. Want welk systeem kies je als je straks maar één plekje aan boord van een ESA-satelliet hebt? Het was een complexe puzzel waarbij lichtopbrengst, gewicht en de overlevingskansen van de materialen in de ruimte de doorslag moesten geven. Al onze systemen werden daarom geoptimaliseerd om in 22 cm x 20 cm x 15 cm te passen, niet groter dan een schoendoos.
Uit de simulaties kwam één systeem als duidelijke winnaar naar voren: de scanningverkenner. Dit ontwerp slaagt erin om uitzonderlijke optische prestaties te leveren vanuit een uiterst compact volume van nauwelijks 17 cm x 15 cm x 13,5 cm. Het resultaat spreekt tot de verbeelding: vanaf een duizelingwekkende hoogte van 5.720 km in de ruimte brengt de telescoop atmosferische details in kaart met een haarscherpe resolutie van 2,50 km. Door de atmosfeer via zes slimme strookbeelden te scannen, combineert het systeem een maximale lichtopbrengst en feilloze golflengteselectie met de hoogste beeldscherpte, terwijl de mechanische complexiteit perfect binnen de perken blijft.
Van masterproef naar de eerste weerman op Mars
Hoewel de telescoop voorlopig nog uit wiskundige modellen en gesimuleerde ontwerpen bestaat, toont dit project aan dat de volgende generatie ruimte-instrumenten drastisch efficiënter kan zijn. Ons innovatieve design en de gesimuleerde prestaties demonstreren de mogelijkheden voor een toekomstige Marsmissie. Dankzij ons systeem is de atmosfeer van Mars niet langer een ondoorgrondelijke barrière, maar een open boek.
Het uiteindelijke doel van deze thesis overstijgt puur academisch onderzoek. Het draait om veiligheid en voorbereiding. Want op de dag dat de eerste mensen daadwerkelijk voet op de uitgestrekte rode vlaktes van Mars zetten, zullen ze zich voor het verlaten van hun basis dezelfde levensbelangrijke vraag stellen die wij elke ochtend stellen:
Hoe wordt het weer vandaag?
Een betrouwbaar weerbericht op miljoenen kilometers afstand: de eerste, onmisbare stap naar ons buitenaardse bestaan.
Bibliografie
[1] J. R. Schott, Remote Sensing: The Image Chain Approach, 2nd ed. Oxford
University Press, 2007.
[2] “Every mission to Mars ever | The Planetary Society,” [Online]. Available:
https://www.planetary.org/space-missions/every-mars-mission (accessed
May 8, 2026).
[3] “Mars: Facts - NASA Science,” [Online]. Available https://science.nasa.gov/
mars/facts/ (accessed May 8, 2026).
[4] “The Mars Climate Database,” [Online] Accessed: https://www-mars.lmd.
jussieu.fr/ (accessed May 5, 2026).
[5] “ESA - Why go to Mars?” [Online] Available: https://www.esa.int/Science_
Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/Why_go_to_Mars
(accessed May 5, 2026).
[6] Jessica Taveau, “Mars Education | Developing the Next Generation of
Explorers,” [Online] Available: https://marsed.asu.edu/mep/atmosphere
(accessed May 8, 2026).
[7] Nadia Drake, “Why we explore Mars - and what decades of missions
have revealed | National Geographic,” [Online] Available: https:
//www.nationalgeographic.com/science/article/mars-exploration-article
(accessed May 5, 2026).
[8] Melody, “Mars Exploration: Science Goals - NASA Science,” [Online] Available:
https://science.nasa.gov/planetary-science/programs/mars-exploration/
science-goals/ (accessed May 5, 2026).
[9] J. F. Bell, M. J. Wolff, M. C. Malin, W. M. Calvin, B. A. Cantor, M. A. Caplinger,
R. T. Clancy, K. S. Edgett, L. J. Edwards, J. Fahle, F. Ghaemi, R. M. Haberle,
A. Hale, P. B. James, S. W. Lee, T. McConnochie, E. Noe Dobrea, M. A.
Ravine, D. Schaeffer, K. D. Supulver, and P. C. Thomas, “Mars Reconnaissance
Orbiter Mars Color Imager (MARCI): Instrument description, calibration, and
performance,” Journal of Geophysical Research: Planets, vol. 114, no. 8,
2009.
[10] W. E. McClintock, N. M. Schneider, G. M. Holsclaw, J. T. Clarke, A. C. Hoskins,
I. Stewart, F. Montmessin, R. V. Yelle, and J. Deighan, “The imaging ultraviolet
spectrograph (IUVS) for the MAVEN mission,” Space Science Reviews, vol. 195,
no. 1-4, pp. 75–124, 2015.
[11] J.-L. Bertaux, D. Fonteyn, O. Korablev, E. Chassefière, E. Dimarellis,
J. P. Dubois, A. Hauchecorne, F. Lefèvre, M. Cabane, P. Rannou, A. C. Levasseur-Regourd, G. Cernogora, E. Quemerais, C. Hermans, G. Kockarts,
C. Lippens, M. De Maziere, D. Moreau, C. Muller, E. Neefs, P. C. Simon,
F. Forget, F. Hourdin, O. Talagrand, V. I. Moroz, A. Rodin, B. Sandel, and
A. Stern, “SPICAM: Studying the Global Structure and Composition of the
Martian Atmosphere,” Tech. Rep., 2004.
[12] I. Thomas, “MIDIM for LightShip-1,” Tech. Rep.
[13] IDT Team and C. Wilson, “LightShip Instrument Definition Team, Final Report,”
European Space Research and Technology Centre, Tech. Rep., 2024.
[14] D. Ehrt, “Deep-UV materials,” Advanced Optical Technologies, vol. 7, no. 4,
pp. 225–242, 2018.
[15] M. C. Malin, J. F. B. Iii, W. Calvin, R. T. Clancy, R. M. Haberle, P. B. James,
S. W. Lee, P. C. Thomas, and M. A. Caplinger, “Mars Color Imager (MARCI) on
the Mars Climate Orbiter,” Tech. Rep., 2001.
[16] Corning, “Corning ® HPFS ® 7979, 7980, 8655 Fused Silica Optical Materials
Product Information,” Corning, Tech. Rep.
[17] E. Dimarellis, “Flight User / Operations Manual,” Serivce d’Aéronomie du CNRS,
Tech. Rep., 2002.
[18] L. Schifano, “Innovative Spaceborne Optical Instrumentation for Improving
Climate Change Monitoring,” Ph.D. dissertation, Vrije Universiteit Brussels,
2022.
[19] M. Yerlès, L. Schifano, S. Dewitte, H. Thienpont, and L. Smeesters, “Cubesat
multispectral space-based imaging spectrometer enhancing climate change
monitoring.” SPIE-Intl Soc Optical Eng, 6 2024, p. 27.
[20] R. E. Fischer, B. Tadic-Galeb, and P. R. Yoder, Optical System Design, 2nd ed.
SPIE Press, 2008.
[21] E. Hecht, Optics, 5th ed. Pearson, 2017.
[22] J. Goodman, Introduction to Fourier Optics, 4th ed. Stanford University,
2017.
[23] C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, 8th ed. 2020.
[24] M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, 7th ed. Cambridge University Press,
2019.
[25] X. Zhang, K. Yu, and J. Zhang, “Study on imaging spectrometer with smile and
keystone eliminated,” Optics Communications, vol. 387, pp. 245–251, 2017.
[26] T. B. Andersen, “Evaluating rms spot radii by ray tracing,” Applied Optics,
vol. 21, 1982.
[27] “Thorlabs · MTF Test Targets,” [Online] Available: https://www.thorlabs.com/
mtf-test-targets?tabName=Overview (accessed May 19, 2026).
[28] J. Ye, L. Chen, X. Li, Q. Yuan, and Z. Gao, “Review of optical freeform surface
representation technique and its application,” Optical Engineering, vol. 56,
no. 11, p. 1, 2017.
[29] D. Reshidko and J. Sasian, “Method for the design of nonaxially symmetric
optical systems using free-form surfaces,” Optical Engineering, vol. 57, no. 10,
p. 1, 2018.
[30] D. Korsch and R. Frosch, “Anastigmatic Three-Mirror Telescope,” p. 6, 1978.
[31] Ansys and Inc, “Ansys Zemax OpticStudio 2025 R2,” Tech. Rep.
[32] H. Angus Macleod, Thin-Film Optical Filters, 4th ed., E. Roy Pike and R. G.
W Brown, Eds. Taylor and Francis Group, LLC, 2010.
[33] E. Optics, “Precision tolerances for spherical lenses,” [Online] Available:
https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/optics/
precision-tolerances-for-spherical-lenses/ (accessed June 7, 2026).
[34] F. IOF, “Lens centering for the assembly of high precision
optics,” [Online] Available: https://www.iof.fraunhofer.de/en/
business-fields/precision-engineering-components-and-systems/
construction-special-purpose-machines/lens-centering-assembly-high-precision-optics.
html (accessed June 7, 2026).
[35] Optimax, “Manufacturing tolerance chart,” [Online] Available: https://www.
optimaxsi.com/manufacturing-tolerance-chart (accessed June 7, 2026).
[36] E. Optics, “Optical Flats,” [Online] Available: https://www.edmundoptics.
com/knowledge-center/application-notes/optics/optical-flats/ (accessed
June 7, 2026).
[37] ISO 10110-5:2026: Optics and photonics - Preparation of drawings for
optical elements and systems - Part 5: Surface form tolerances, International
Organization for Standardization Std., 2026.
[38] Thorlabs, “UV Ruled Reflective Diffraction Gratings,” [Online] Available:
https://www.thorlabs.com/uv-ruled-reflective-diffraction-gratings?
tabName=Overview (accessed June 10, 2026).
[39] Edmund Optics, “Ruled Reflective Diffraction Gratings,” [Online] Available:
https://www.edmundoptics.com/c/ruled-reflective-diffraction-gratings/
1412/ (accessed June 10, 2026).
[40] A. Skriabin, V. Telekh, A. Pavlov, D. Pasynkova, A. Podlosinskaya, P. Novikov,
V. Zhupanov, D. Chesnokov, V. Senkov, and A. Turyanskiy, “Surface
Degradation of Thin-Layer Al/MgF2 Mirrors under Exposure to Powerful VUV
Radiation,” Nanomaterials, vol. 13, no. 21, 2023.
[41] Acton Optics & Coatings, “Optics & Coatings 120nm - 1064nm,” [Online]
Available: https://www.actonoptics.com (accessed May May 22, 2026), Acton
Optics & Coatings, Acton, Massachusetts, United States, Tech. Rep., 2014.
[42] “Andover Corporation,” [Online] Available: https://andovercorp.com/
(accessed May 22, 2026).
[43] M. Zukic, D. G. Torr, J. F. Spann, and M. R. Torr, “Vacuum ultraviolet thin films.
1: Optical constants of thin films The optical constants of MgF2 (bulk) and
BaF2 , CaF2 , LaF3 , MgF2 , Al203 , HfO2 , and SiO2 films deposited on,” Applied
Optics, vol. 29, no. 3, 1990.
[44] “EMVA Standard 1288 Standard for Characterization of Image Sensors and
Cameras,” European Machine Vision Association, Tech. Rep., 2010.
[45] “Teledyne CIS120 Back illuminated CMOS sensor,” Teledyne e2v (UK) Limited,
Tech. Rep., 2017.
[46] R. Gil Otero, R. Mackie, C. Greenaway, T. Lemon, P. Jerram, and J. Pratlong,
“Capella: CIS120 general purpose CMOS sensor for space applications,” vol.
11852. SPIE-Intl Soc Optical Eng, 2021, p. 21.
