Ruimtevaart in beweging

Prof. Dr. Ir. PN.A.M. Visser

Ruimtevaart in beweging

Intreerede 18 maart 2015

Ruimtevaart in beweging

Intreerede

Uitgesproken op 18 maart 2015

Ter gelegeniieid van de aanvaarding van

Het ambt van hoogleraar Astrodynamica en Ruimtemissies Aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek Van de Technische Universiteit Delft

door

Mijnheer de Rector Magnificus, Leden van het College van Bestuur, Collegae hoogleraren, studenten en andere leden van de

universitaire gemeenschap, Zeer gewaardeerde toehoorders. Dames en heren.

Introductie

De lancering van de Russlsciie Spoetnik 1 op 4 oktober 1957 luidde het begin In van het ruimtevaarttijdperk. Hoewel in die periode van de vorige eeuw de ontwikkeling van de ruimtevaart In belangrijke mate werd gedreven door de koude oorlog en prestige een belangrijke rol speelde, is vandaag de dag ruimtevaart onmisbaar voor een soepel en prettig draaiende maatschappij. Ruimtevaart brengt ons niet alleen welvaart, maar ook welzijn en veiligheid. Zo zouden de files op de weg wel eens aanzienlijk kunnen groeien als het systeem van satellieten van het Amerikaanse Global Positioning System (GPS) ons niet feilloos naar onze bestemming zouden leiden. Telecommunicatiesatellieten maken het mogelijk dat rechtstreeks en vrijwel zonder tijdsvertraging kan worden gekeken naar evenementen waar dan ook ter wereld: een volksopstand zou kunnen dreigen wanneer wij niet live naar de finale van het wereldkampioenschap voetbal zouden kunnen kijken, zeker wanneer Nederland in de finale staat - of zoals In 2014 helaas in de troostfinale. We zouden ons grote zorgen maken als we niet regelmatig een berichtje zouden krijgen wanneer bijv. onze kinderen op vakantie over de wereld reizen. Satellieten zorgen tevens voor een veel betere en meer betrouwbare weersvoorspelling en veel menselijk leed wordt voorkomen door het tijdig zien aankomen van zware stormen en ander onheil. En door middel van de ruimtevaart kan onze nieuwsgierigheid naar het heelal en haar ontstaan in belangrijke mate worden bevredigd.

Grofweg zou ik ruimtevaart kunnen onderverdelen in bemande en onbemande ruimtevaart. Bemande ruimtevaart kan als het meest spectaculair worden ervaren: zo vind ik de bemande Apollo missles naar de Maan nog steeds een zeer tot de verbeelding sprekende prestatie. Daarnaast had Nederland in de persoon van de helaas te vroeg overleden Prof Wubbo Ockels de eerste astronaut met een Nederlands paspoort. Hij was een geweldige ambassadeur voor niet alleen ruimtevaart en techniek, maar ook voor een duurzame maatschappij. Dit is een rol die ook op een zeer bekwame en sympathieke manier wordt uitgedragen door André Kuipers, die meer dan een half jaar In het Internationale Ruimtestation verbleef. Hoewel ik de bemande ruimtevaart dus fascinerend vind, kan niet worden ontkend dat de onbemande ruimtevaart tevens tot zeer spectaculaire resultaten leidt en onmisbaar Is in ons dagelijks leven. Terwijl we nu verre van een nieuwe landing van een mens op de Maan staan, heeft de onbemande ruimtevaart letterlijk en figuurlijk een verre vlucht genomen en is zij flink in beweging.

Apollo-11

Beweging is met name waar het om gaat in het vakgebied van de astrodynamica. Ik durf het bijna niet te zeggen, maar ik was oorspronkelijk naar Delft gekomen om te leren hoe vliegtuigen worden gebouwd. Dankzij een college van mijn latere promotor Prof. Karei Wakker, raakte ik gefascineerd door het vakgebied van de astrodynamica. Prof. Wakker liet een voorbeeld zien van een Amerikaanse satelliet, genaamd International Sun/Earth Explorer 3, die eigenlijk uit de mottenballen werd gehaald om een primeur te bewerkstelligen, namelijk een ontmoeting met de komeet GiacobInni-ZInner. De betreffende satelliet kwam zelfs in de buurt van de bekendere komeet Halley, maar werd daarin voorbijgestreefd door onder andere de Giotto satelliet van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. De genoemde Amerikaanse satelliet voerde een

Met recente satellietmeettechnieken kunnen we overigens de vorm van de aardse zwaartekracht met zeer veel detail in kaart brengen: onderstaande figuur is gebaseerd op metingen door de GOCE satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Details kleiner dan 100 km kunnen In kaart worden gebracht. Dat lijkt heel ruw, maar het betekent wel dat we een model van de aarde nodig hebben dat uit meer dan 50 duizend coëfficiënten bestaat.

-AO - 2 0 O 20 40

GOCE g r a v i t y a n o m a l i e s

Astrodynamica en ruimtemissies

Ik heb met uitzondering van een verblijf van één jaar bij het Center for Space Research te Austin In Texas zo'n 25 jaar gewerkt bij de sectie Astrodynamica en Ruimtemissies of haar voorlopers. Ik heb onder de bezielende leiding van Prof. Karei Wakker en Prof. Boudewijn Ambroslus meegewerkt en bijgedragen aan een sterke groei van deze sectie en haar brede onderzoeksportfolio. Onze activiteiten bestrijken nu een multidisciplinair onderzoeksveld gekoppeld aan de astrodynamica: Missieanalyse en satellietbanen, Voortstuwing, opstijg- en terugl<eerbanen, en Planeetexploratie.

H o o f d t h ema's Astrodynamica en satellietmissies • Missieanalyse en satellietbanen

• Voortstuwing, opstijg- en terugkeerbanen

• Planeetexploratie f£ • Planeetexploratie

kan het afsmelten van poolkappen en het uitdrogen van bepaalde gebieden op aarde In kaart worden gebracht. Tevens zijn technieken ontwikkeld om met behulp van GPS de onderlinge afstand van In formatie vliegende satellieten tot op een millimeter nauwkeurig te bepalen, een noodzakelijke voorwaarde om nauwkeurige mondiale hoogtekaarten te maken met bijv. de Duitse Tandem/ TerraSAR-X missie.

Vinger aan de pols van moeder Aarde

Multldisciplinjir, o.a, zeeniveau en bodem daling

GOCE (2009-2013) Kleinschalige zwaartekracht GRACE (2002) Massa veranderingen CryoSat 2 (2010) Poolkappen^ zee-ijs en zeeniveau MetOp (2006) Meteorologie Swarm (2013) Aardmagnetisch veld

GRACE

Tandem/TerraSAR-X

Afsmelten ijskap Groenland

DLWEADS

Hoogtekaarten

Schrama et al., 20

Voortstuwing, opstijg- en terugl(eerbanen

De astrodynamica biedt tevens de gereedschappen om de metingen van zeer nauwkeurige versnellingsmeters aan boord van satellieten te verwerken en deze Instrumenten te ijken of kalibreren, Diverse satellieten zijn en worden uitgerust

tevens manen die om deze planeten vliegen. Hieronder bevinden zich tevens zogenaamde ijsmanen, die waarschijnlijk ondergrondse oceanen bevatten. Een gedegen kennis over deze manen leert ons meer over de prevalentie van gunstige omstandigheden voor leven in niet alleen ons zonnestelsel, maar het gehele heelal.

Europa (Jupiter) Enceladus (Saturnus)

De astrodynamica vertelt ons hoe we naar de Maan kunnen vliegen of Mars, of - reeds eerder vermeld - hoe we met behulp van zwaartekrachtslingers naar kometen kunnen reizen: vergeet hierbij niet de recente spectaculaire reis van de Europese Rosetta sonde naar de komeet 67P/Churyumov-Geraslmenko.

Grote schotelantennes voor o.a. volgen planeetmissies

GRAIL concept

Zwaartel<racht Maan

Onderwijs

Voor alle satellietmissies geldt dat expertise op het gebied van astrodynamica nodig is en diverse ruimtevaartagentschappen en -bedrijven hebben behoefte aan personeel dat in deze discipline een gedegen opleiding heeft genoten. Zo werken vele van onze alumni in het vluchtcentrum van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA in Darmstadt (het European Space Operations Centre), en bij centra van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA. Het is van groot belang dat deze opleiding gedegen blijft. De TU Delft heeft hiertoe alles in huls, maar ik wil hier graag een kanttekening bij plaatsen: er Is sprake van maatschappelijke druk tot kostenbesparing en verhoging van rendementscijfers. Hogere slagingspercentages kunnen een indicatie zijn van betere onderwijsvormen en beter getrainde docenten, waartoe wel degelijk Indicaties zijn, maar de tegenwoordig van bovenaf opgelegde prestatieafspraken kunnen tevens leiden en dan druk Ik me voorzichtig uit -tot perverse prikkels. Laat ons voor ogen houden dat het niveau van onze afgestudeerden het belangrijkste criterium is, en dat daarna pas het rendement van het onderwijsproces komt.

Gelukkig is sprake van een toenemende interesse en groei van studenten voor ruimtevaart. De poel van talent wordt steeds beter gevuld en dat biedt mogelijkheden tot een verdere en verbeterde ontwikkeling van het ruimtevaartonderwijs. Onderzoek begint In het algemeen bij goed onderwijs aan jonge mensen. Onze studenten een gedegen opleiding bieden en reeds mee laten draaien in onderzoeksprojecten is een noodzakelijke voor-waarde voor de verdere ontwikkeling van de ruimtevaart en haar relevantie voor de maatschappij.

ontwikkelen en testen. Het accepteren van mislukkingen hoort hierbij. Ik hoop dus van harte dat in Europa geld beschikbaar blijft voor nieuwe missieconcepten om nog steeds grote gaten in onze kennis van het systeem Aarde en ons heelal te vullen.

Samenwerking

Onderzoek bestaat bij de gratie van samenwerking en communicatie. Het succes van een goede onderzoeksgroep valt of staat met het vermogen van haar leden om samen te werken, uiteraard als eerste met elkaar. Aan een mooi perspectief kan ook alleen Invulling worden gegeven door getalenteerde en gemotiveerde wetenschappers en docenten. Het lijkt voor de hand liggend, maar Ik wil toch zeggen dat het scheppen van aantrekkelijke voorwaarden en omstandigheden om onderzoek te doen en onderwijs te geven binnen de sectie astrodynamica en ruimtemissles een conditio sine qua non is. Dit geldt tevens voor het aantrekken van enthousiaste en talentvolle studenten: zij zijn de toekomst en een voorwaarde voor niet alleen het in stand houden van onze kennis, maar ook de verspreiding en vergroting daarvan.

De wetenschappelijke staf van de sectie astrodynamica en satellletmissies heeft reeds excellente en complementaire contacten binnen uiteraard de sectie zelf, maar tevens binnen de afdeling Space Engineering met de sectie Space Systems Engineering, de andere afdelingen van de faculteit Luchtvaart-en Ruimtevaarttechniek Luchtvaart-en met andere faculteltLuchtvaart-en binnLuchtvaart-en onze universiteit. Daarnaast zijn er vele contacten en samenwerkingsverbanden met andere universiteiten, zowel in Nederland, als daarbuiten in andere Europese landen en de Verenigde Staten. D.m.v. de Chinese Science Council en het Braziliaanse

Allereerst wil ik een tweetal zeer belangrijke grote ontwikkelingen in de ruimtevaart benoemen: commercialisering en opkomende landen. Ronduit spectaculair vind ik de activiteiten van een bedrijf als SpaceX. Daarnaast begeven een aantal andere bedrijven zich op het grensvlak van luchtvaart en ruimtevaart, zoals Virgin Galactic en XCOR. Daarnaast ontstaan steeds meer kleine en grotere bedrijven die waarde toevoegen aan satellietmetingen en software ontwikkelen ter ondersteuning van satellietmissies.

Wereldwijd bouwen steeds meer landen aan een grote capaciteit op het gebied van ruimtevaart, zoals met name China, Indië en Brazilië. Deze landen zenden hun talent naar o.a. onze universiteit In hun onverzadigbare honger naar kennis en technologie. Dit biedt kansen indien daar verstandig mee wordt omgegaan.

Chinese maanrover

"Jaden Konijn"

De recente film Gravity brengt dit zeer mooi en plastisch in beeld. Mooi Is het echter geenszins. Steeds meer brandstof is vereist om te voorkomen dat satellieten in botsing komen met ruimtepuin, vaakdoorde mens gegenereerd. Dlt reduceert de levensduur van satellieten en maakt de ruimtevaart dus duurder.

•'..Vr • •^'(<^i:f>i^ '• •

• - • • ' • - - . • • ) , •

i

verbetering mogelijk en iedere verbetering vertaalt zich nog steeds direct in betere bepaling van bijv zeespiegelveranderingen, bodemdalingen en afsmelten van poolkappen.

Grotere nauwkeurigheden kunnen ook worden verwacht met het toevoegen van andere navigatiesystemen zoals het Russische GLONASS, het Chinese Beldou en het Europese Galileo. Op termijn zullen ontvangers worden gebouwd die misschien wel meer dan 150 verschillende navigatiesatellieten kunnen volgen. Het optimaal gebruiken van dergelijke netwerken van satellieten vormt een uitdaging en is een Interessant onderzoeksterrein. Een belangrijke niche voor de toekomst is baanbepaling van zeer kleine of nano-satellieten. Deze satellieten zullen niet altijd worden uitgerust met GPS ontvangers en dan dient gebruik te worden gemaakt van andere meettechnieken en berekeningsmethoden.

In verband met de verwachte groei van satellietformaties en -netwerken, zal het belang van precieze relatieve plaatsbepaling toenemen. Ik verwacht verdere verbeteringen op het gebied van de relatieve plaatsbepaling van laagvllegende aardsatellieten. Dlt is van groot belang voor bijv. gedistribueerde satellietmeetsystemen waar verschillende met elkaar samenwerkende instrumenten op verschillende satellieten worden geplaatst. Door zeer precies de onderlinge afstand te bepalen, kan men stellen dat Instrumenten zich virtueel op één platform bevinden, zodat ze optimaal met elkaar kunnen samenwerken. De astrodynamica speelt een belangrijke rol bij het ontwerpen van toekomstige ruimtemissies rond de aarde. Het succes van formaties of constellaties van satellieten hangt af van een juiste keuze van de banen, waarin deze satellieten gaan vliegen. De keuze van de banen bepaalt nl. het samenspel van satellieten en hoe bijv. de aarde in tijd en plaats wordt waargenomen.

Precieze baanberel<enjng speelt bijna altijd een belangrijke ondersteunende rol, o.a. als enige mogelijk om precies instrumenten zoals de eerder genoemde versnellingsmeters nauwkeurig te ijken of kalibreren. Deze instrumenten leveren ons veel kennis op over de atmosfeer op lage satelllethoogtes. In de nabije toekomst zullen clusters van nano-satellieten zoals QB50 onze kennis van de atmosfeer op satelllethoogte gaan verbeteren. De astrodynamica levert het gereedschap om de metingen van dergelijke clusters te verwerken.

Nieuwe voortstuwingssystemen, zoals lonenmotoren, bieden de mogelijkheid om zeer lang een kleine stuwkracht te leveren, op een veel efficiëntere manier dan de meer klassieke systemen die gedurende korte tijd een grote stuwkracht geven. Veel vragen hoe dit soort systemen optimaal te gebruiken voor missles rond de aarde of in ons zonnestelsel zijn nog onbeantwoord en leveren veel Interessant onderzoek op voor de toekomst.

Het laatste Is zeer relevant voor de jongste poot in onze onderzoeksportfolio, de Planeetexploratie. Veel winst kan worden behaalt bij het optimaliseren van de reis naar objecten In ons zonnestelsel met nieuwe voortstuwingsystemen: hoe minder brandstof nodig Is, hoe meer nuttige lading we kunnen vervoeren, of we kunnen met dezelfde nuttige lading sneller en verder reizen bij een gelijke hoeveelheid brandstof.

Veel ontwikkeling Is mogelijk en nodig als het gaat om de precieze baanbepaling van planeetverkenners en missies in ons zonnestelsel. Een zeer beloftevolle ontwikkeling betreft: het meten met behulp van laser van de afstand tussen grond stations op aarde en satellieten die reizen door ons zonnestelsel. Het meten van de afstand met behulp van laser is een beproefde techniek voor kunstmanen rond de aarde en zelfs voor spiegels op de Maan die zijn achtergelaten door de Apollo missies. Het is echter mogelijk gebleken om over nog veel grotere afstanden de afstand te meten met laser, bijv. naar satellieten die niet alleen om

kunnen wij in de toekomst aangeven hoe tiet meest efliclënt gereisd kan worden met verschillende voortstuwingssystemen, variërend van heel lage tot zeer grote stuwkracht, en handig gebruik makend van zwaartekrachtslingers.

Dankwoord

Dank ben ik verschuldigd aan de benoemingsadviescommissie en het College van Bestuur van de TU Deltt voor het vertrouwen dat zij In mij stellen. Ik voel mij bevoorrecht dat Ik heb mogen - en mag - werken met veel enthousiaste collega's en studenten. Dit zijn er te veel om expliciet op te noemen. Ik weet dat Ik daarmee een aantal collega's te kort doe en daarvoor verontschuldig ik mij. Een aantal collega's wil ik echter wel expliciet benoemen die een belangrijke - zo niet cruciale - rol hebben gespeeld als mentor en motivator.

Zonder Prof. Karei Wakker had Ik hier vandaag niet gestaan. Hij heeft mijn interesse voor het vakgebied gewekt en mij de mogelijkheid geboden te promoveren eind jaren tachtig, begin jaren negentig van de vorige eeuw. Daarnaast heeft hij voor mij in 1993 d.m.v. zijn goede contacten een verblijf van een jaar aan het Center for Space Research van de University of Texas at Austin mogelijk gemaakt. Aldaar heb ik een jaar onder de auspiciën van Prof. Byron Tapley gewerkt. Daar ben ik zowel Karei als Byron nog steeds heel dankbaar voor: Ik heb daar vele nieuwe fijne collega's ontmoet waarmee ik nog steeds samenwerk en die een belangrijk onderdeel uitmaken van mijn professionele netwerk. Eén van hen is dr. Gerhard Kruizinga, een oud alumnus van mijn sectie en nu werkzaam bij het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena. Hij en zijn toenmalige vriendin - nu vrouw - Angelica vingen mij geweldig op in

ik van mijn vrienden tieb gekregen - satellieten-Pleier - als een eretitel, die tegelijkertijd een glimlach op mijn gezicht brengt. Dank voor de altijd gastvrije ontvangst, het luisterend oor, en de betrokkenheid: allemaal zo noodzakelijk voor de broodnodige ontspanning en motivatie.

Voor Nederlandse begrippen wonen mijn zus Verena en zwager Thijs, mijn broer Rick en schoonzus Saskia ver weg, maar wij hebben een goede band. Jullie belangstelling voor mijn werk geeft mij veel voldoening. Ik kan niet in woorden uitdrukken hoe belangrijk mijn ouders Nico en Aafke zijn: het huis in De Goorn Is nog steeds een onmisbaar thuis. Mijn moeder kan er vandaag helaas niet bij zijn, mijn vader gelukkig wel. En toen was daar Marleen, mijn high-school sweetheart, ook al duurde het 30 jaar voordat ik daar achter kwam. Geweldig dat jij hier op de eerste rang zit.

Dames en heren, ik dank u voor uw aanwezigheid en aandacht. Ik heb gezegd.