Door onder meer de (op)komst van 5G en Internet of Things (IoT) neemt het digitale dataverkeer razendsnel toe. Het aantal gigabytes dat straks via satellieten naar elders verstuurd moet worden, is veel te groot voor de huidige radiotechnologie. Vandaar dat er hard gewerkt wordt aan laser satellite communication, ook bij TNO in Delft. Met onder andere als doel de Nederlandse hightech industrie te helpen een stevige positie te verwerven op deze lucratieve markt.
Veiliger en sneller: die termen staan centraal bij Space & Scientific Instrumentation van TNO Industry.
– ‘Ons onderzoek ondersteunt de industrie bij het ontwikkelen van terminals, met in potentie 1,5 miljard euro aan business.’
– Met een laserstraal wordt op zestig kilometer hoogte een kunstmatige ster geprojecteerd.
– ‘Elke serviceprovider wil zijn eigen LSC-constellatie’
– Het vergt wel investeringen, ook van de overheid.
Met hightech supply chain en TNO goed opgelijnd, heeft Nederland flinke omzet te pakken
Veiliger en sneller. Dat zijn de twee praktische doelstellingen van het onderzoek door Space & Scientific Instrumentation van TNO Industry. Onder meer door de opmars van 5G (1,5 miljard gebruikers in 2024, aldus Ericsson), de snelle stijging van het aantal IoT-devices die via de cloud en dus dikwijls via satellieten met elkaar communiceren (tussen 2017 en 2020 verzevenvoudigt wereldwijd de machine-machinecommunicatie, stelt Cisco) en de komst van kwantumcomputers (voor het kraken van nu nog onkraakbare codes) zijn snellere, stabielere, veiliger en – per bit – goedkopere verbindingen nodig dan die nu met radiofrequentie (RF) mogelijk zijn.
Kees Buijsrogge, directeur TNO
Businesspotentie
Space & Scientific Instrumentation werkt daartoe aan laser satellite communication (LSC), technologie om die data als lichtgolven van de aarde – afkomstig van bijvoorbeeld een machine – naar de satelliet te sturen en weer terug naar de aarde, naar een andere machine. Dat is nodig, zo verklaart directeur Kees Buijsrogge, omdat de huidige radiofrequenties bijna allemaal bezet zijn, de dataoverdracht daarover te traag verloopt en interferentiegevoeliger én onveiliger is. ‘Voor het gebruik van die optische technologie hebben oem’ers en serviceproviders – bedrijven als Airbus, Oneweb, Telesat, LeoSat, Thales en SES (Societé Européenne des Satellites, red.) – high-end opto-mechatronische devices nodig, technologie waarin onze industrie van oudsher een sterke marktpositie heeft. Ons onderzoek ondersteunt de Nederlandse industrie bij het ontwikkelen van die terminals, met in potentie 1,5 miljard euro aan business.’
1 miljoen keer per seconde
Het interview vindt plaats in de kamer van Buijsrogge bij TNO, in gezelschap van Will Crowcombe. Deze lead systeemarchitect LSC, een van de vijftig LSC-engineers van TNO, licht de meer technische details toe. ‘De laserstraal die wij willen kunnen versturen, behoudt over de hele afstand tussen satelliet en aarde – 400 kilometer voor de Low Earth Orbit-satellieten tot 40.000 kilometer voor de geostationaire (altijd op hetzelfde punt ten opzichte van de aarde, red.) – een gelijkblijvende, kleine diameter van 2 tot hooguit 20 centimeter. Zo’n dunne beam is, anders dan de breed uitwaaierende RF-signalen, zo’n duizendmaal energiezuiniger te produceren en veel lastiger af te luisteren. ‘En doe je het, dan heeft de zendende partij dat meteen door.’ Revolutionair is vooral de hoge snelheid waarmee de bundel aan- en uitgezet wordt. ‘Met elke schakeling wordt er 1 bit, een 0 of een 1, verstuurd. Voor het versturen van een gigabyte per seconde moet je dus 1 miljoen keer per seconde kunnen schakelen. Wij hebben een modulator ontwikkeld waarmee dat kan, ongeacht de turbulentie in de atmosfeer.’
Compensatietool
Met dat laatste doelt Crowcombe op het vocht in de dampkring, dat ook sterren vaak laat flikkeren. ‘We gebruiken daarvoor dezelfde technologie die begin dit jaar eraan heeft bijgedragen dat we de tender wonnen voor het bouwen van delen van de European Extremely Large Telescope (E-ELT) (zie Link november 2017, red.). Daarmee wordt met een laserstraal op zestig kilometer hoogte een kunstmatige ster geprojecteerd. Als we de kenmerken van die “ster”, die we tot in detail weten, vergelijken met die van een echte ster, kunnen we de verschillen uitrekenen’, vult Buijsrogge aan. ‘Die methodiek gebruiken we nu ook als compensatietool voor de LSC-technologie. Zo kunnen we het signaal dat van de satelliet wordt terugontvangen omrekenen naar het oorspronkelijke signaal en de daarin besloten informatie – zoals tv-beelden – feilloos uitlezen.’
Enorme capaciteit
De LSC-technologie vergroot de data-verzendcapaciteit enorm, voldoende om heel Afrika op het internet aan te sluiten. Maar ook om het dataverkeer te optimaliseren in die laatste paar plekken in Nederland waar de ontvangst slecht is, om zelfs in vliegtuigen live streaming films op Netflix te kunnen bekijken. En om die machinebouwer in Nederland in staat te stellen zijn installed base aan de andere kant van de wereld te volgen, softwarematig te onderhouden en desgewenst ook te bedienen. ‘En als we straks bases op de maan en Mars hebben, zal ook daarmee een uitstekende beeldverbinding kunnen worden onderhouden’, stelt Crowcombe.
‘Als we straks bases op de maan en Mars hebben, kunnen we een uitstekende beeldverbinding onderhouden’
Elke provider zijn eigen LSC
Eind dit jaar wordt de Tesla-C-terminal gelanceerd, een door TNO ontwikkeld optisch instrument dat met laserlicht met de aarde communiceert, gebouwd door Nedinsco in Venlo. Het is de eerste terminal die onderdeel wordt van een van de vele honderden ‘constellaties’ – groepen LSC-instrumenten – die de komende jaren de ruimte in worden geschoten om onze mobieltjes, IoT-devices en dergelijke een plekje in de cloud te garanderen. Buijsrogge: ‘Een miljardenmarkt voor het ontwikkelen en bouwen van hardware voor satellieten en grondstations en het verlenen van service. Elke serviceprovider wil immers zijn eigen LSC-constellatie, om zich daarmee te richten op zijn eigen geografische regio of eigen specifieke doelgroep in zijn eigen commerciële markt.’
Krachtig consortium
Om van die miljarden euro’s een substantieel deel in Nederland te verdienen, moet er worden samengewerkt. En dat gebeurt: Demcon, VDL ETG, Nedinsco en Hyperion Technologies hebben met TNO de krachten en competenties gebundeld in het FSO Instruments-consortium. Dat samenwerkingsverband kan complete modulen voor die LSC-instrumenten ontwikkelen en bouwen, die partijen als Airbus Defence and Space Netherlands in hun eindproduct kunnen opnemen. Ten faveure van een ultra-high speed, veilig, quantum resilient wereldomspannend communicatienetwerk waar ook banken, industrieën en overheden in Nederland profijt van zullen hebben.
Dit voorjaar werden TROPOMI-gegevens voor methaan (CH4) en troposferische ozon (O3_TCL) vrijgegeven. De opname toont atmosferische methaan boven over wetlands in Nigeria tussen november 2018 en februari 2019. Methaan is een krachtig broeikasgas dat uitgestoten wordt door de olie-industrie, stortplaatsen, veeteelt, landbouw en wetlands. Bron: TROPOMI
Perfecte supply chain
Maar dat vergt wel investeringen, aldus de ‘Position Paper – Laser Satellite Communication in the Netherlands & beyond’. Daarin geven consortiumleden aan dat reeds te doen. Van de Nederlandse overheid vragen ze 50 miljoen euro voor het LSC-programma van de European Space Agency voor de periode 2020-2022. Geld dat terugkomt in de vorm van opdrachten aan de Nederlandse hightech keten. Door te investeren en goed samen te werken, is de Nederlandse hightech kansrijk, aldus Kees Buijsrogge en Will Crowcombe. ‘Nederland beschikt over de perfecte LSC-supply chain. Waar de kennis van optica ontbreekt, kunnen wij de leemte invullen.’
Milieubescherming
Voor het ontwikkelen en bouwen van optische instrumenten voor laser satellite communication benut TNO Space & Scientific Instrumentation inzichten uit andere onderzoeksterreinen. Zo werd meegewerkt aan OMI, een satellietinstrument dat sinds 2004 in een baan om de aarde draait en metingen verricht aan de samenstelling van de aardatmosfeer en het gat in de ozonlaag geïnventariseerd heeft. Dit leverde harde bewijzen op voor het terugdringen van het gebruik van cfk’s. Met de verbeterde versie, de eveneens vooral in Nederland ontwikkelde TROPOMI, kan sinds een jaar wereldwijd veel nauwkeuriger luchtvervuiling en uitstoot van broeikasgassen in beeld worden gebracht, zo blijkt uit een presentatie van Kees Buijsrogge. ‘Stikstofdioxide-lekken uit een Russische pijpleiding, zwaveldioxide-uitstoot op scheepvaartroutes, door de industrie in Nederland, of door bosbranden in Brazilië…
Link magazine oktober/november 2019
