Nieuwe ESA-satelliet Aeolus gaat weer voorspellen

Betere voorspellingen dankzij wereldwijde windprofielen van de Europese satelliet ESA Aeolus

Afgelopen augustus is de Europese satelliet Aeolus succesvol gelanceerd. Hij moet gaan zorgen voor een aanzienlijke verbetering van de weersvoorspellingen en ook nieuwe data gaan leveren voor het klimaatonderzoek. Na jaren van technische problemen, draait hij nu eindelijk in een baan om de aarde.

Met een gespannen koord worden wij op behoorlijke afstand gehouden van een witte stalen transportslee, die voor ons staat op de glimmende vloer van de hal. Op de slee ligt de windsatelliet ESA Aeolus, ongeveer zo groot als een kleine personenauto. Het is begin juni en ik ben een van de uitgenodigde journalisten – gekleed in knisperende witte cleanroompakken. We bevinden ons in de reusachtige hal van Airbus Space and Defence in Toulouse. De spanning zit er stevig in, want op 21 augustus zal de satelliet vanuit Kourou in Frans-Guyana gelanceerd gaan worden. Daarmee kunnen windprofielen worden samen gesteld vanaf de aardbodem tot op 30 kilometer hoog. Dat zal onschatbare data opleveren voor meteorologen en klimatologen.

De missie, genoemd naar de Griekse god van de wind Aiolos, moest meerdere keren worden opgeschort vanwege allerlei technische problemen. Deze konden uiteindelijk worden overwonnen en het resultaat is een kubus van twee meter hoog met een grondoppervlak van 1,74 bij 1,90 meter. De ontwikkelaars hebben hiervoor hetzelfde platform gebruikt als de bekende ruimtesonde Rosetta.

Aan de onderzijde heeft de kubus een ring met een doorsnede van 1 meter, waarmee de satelliet aan de raket wordt bevestigd. Aan de voorzijde steekt er een soort schuin afgesneden zuil uit. Glimmende metaalfolie beschermt de gevoelige binnenkant, waar Aladin in verborgen zit. Aladin is zo’n prachtige afkorting waar ze in de ruimtevaart zo goed in zijn. Aladin staat voor Atmospheric Laser Doppler Instrument. De instrumenten zijn zo gevoelig dat wij ondanks onze pakken op behoorlijke afstand moeten blijven. Onze mondkapjes moeten dan ook niet ons beschermen, maar zorgen dat onze adem de gevoelige instrumenten niet bevuilt.

Vanwege deze gevoeligheid kan de satelliet uitsluitend per schip van Toulouse naar Kourou worden getransporteerd. Per vliegtuig zou de satelliet tijdens de reis onherstelbaar beschadigd kunnen raken door een plotseling verlies van luchtdruk. De lancering vormt geen gevaar, want daarbij wordt de luchtdruk geleidelijk minder.

Het gevaarte weegt in zijn totaliteit 1360 kilo, waarvan 266 kilo brandstof en 13,4 kilo zuurstof. Waarom er zuurstof aan boord is, wordt later duidelijk. De twee zonnepanelen aan de zijkanten bestaan uit drie arrays met galliumarsenide- cellen en zullen in uitgeklapte toestand 16,5 meter lang zijn. In de ruimte zullen ze 2,4 kilowatt genereren en een 84 ampère-uur lithium-ion-accu voeden.

Bij ruimtevaartprojecten zijn vaak talloze instanties betrokken. Zo was Airbus Space and Defence verantwoordelijk voor het windmeetsysteem Aladin, wellicht ook de reden dat we hier zijn. Voordat ik de satelliet eindelijk mag fotograferen, wordt mijn camera eerst in een aparte hokje grondiger dan ooit gereinigd, terwijl wij in onze pakken worden gehesen.

Voordat we de hal betreden, worden we nogmaals gebrieft over wat we wel, en vooral niet mogen fotograferen. We worden in kleine groepjes door de hal geloodst richting de satelliet. Het Aladin-principe is snel uitgelegd: een neodymium-gedoteerde YAG-kristallaser stuurt in een frequentie van 50 hertz UV-impulsen met een golflengte van 355 nanometer in een specifieke hoek richting aardoppervlak.

Zowel de laser als de beide spectroscopen voor de ontvangst maken gebruik van de telescoop.

De signalen die op kleine deeltjes en moleculen in de atmosfeer botsen en weer terugkomen, worden opgevangen door de twee spectroscopen die de satelliet aan boord heeft. Op basis van de tijd die tussen het moment van het zenden en het ontvangen zit, berekent een computer de afstand van de deeltjes en met behulp van de door het dopplereffect gegenereerde verschuiving in de frequentie ook de snelheid van de deeltjes relatief aan de baan van de satelliet. De foutmarge in de metingen van de windgegevens bedraagt maximaal 0,7 meter per seconde.

De windrichting kan uit de snelheidsmeting alleen niet worden berekend. Daar zijn nog verdere data voor nodig.

Het klinkt allemaal redelijk eenvoudig, maar Josef Aschbacher, hoofd van ESA’s aardobservatieprogramma, vertelde herhaaldelijk dat het “de eerste keer is dat een dergelijk systeem in de ruimte wordt gebruikt.” Hij was duidelijk trots op de vastberadenheid van het team. Want ondanks de talloze problemen die tijdens het project optraden, resulteerde het niet in een enorme kostenexplosie. 481 miljoen euro is weliswaar niet niks, maar de informatie die de satelliet zal opleveren, kan bijzonder waardevol blijken.

De kleine computer in de satelliet is mogelijk nog een van de goedkoopste bouwstenen van het geheel. Daarmee vergeleken heeft een inmiddels verouderde iPhone 5 al 112 keer zoveel rekenkracht. De technische uitdagingen van Aeolus moet je in een andere hoek zoeken. Anders Elfving, de derde projectmanager in 16 jaar, belichtte enkele problemen die ze waren tegengekomen. In het begin was de constructie niet stevig genoeg, later ging de laser stuk. In 2008 werd ontdekt dat het reflecterende laserlicht storende deeltjes tegen de kristallijnen bedekking van de telescoop slingerde. Dit, in combinatie met verontreinigingen die tijdens het productieproces optraden, zorgden dat de lenzen inbrandden. Met andere woorden: de telescoop werd na verloop van tijd steeds blinder.

De Aeolus-satelliet vliegt op 320 kilometer hoogte in een zon-synchrone baan om de aarde. In zeven dagen maakt hij 111 omwentelingen, dus zo’n 16 per dag. Zijn laser zendt een straal haaks op de vliegrichting in een hoek van 35 graden naar het aardoppervlak en meet daarbij telkens een strip van 230 kilometer onder hem. Op die manier kan ook de richting worden bepaald waarin partikels zich in een horizontaal vlak in de atmosfeer verplaatsen.

Het projectteam zocht stad en land af naar kristallen met een extreem hoge zuiverheid, die de geraamde looptijd van drie jaar konden overleven. Waar ze deze uiteindelijk hebben opgesnord, houdt ESA geheim.

Bovendien neemt Aeolus een zuurstofvoorraad van 13,4 kilo mee op reis. Daarmee kunnen vreemde deeltjes die op het oppervlak van de telescoop terechtkomen worden weggebrand, zonder dat er roetdeeltjes achterblijven. Bij elk verbrandingsproces wordt een minimale hoeveelheid zuurstof verbruikt, ongeveer zo veel als een grote kamerplant per dag genereert.

De uitgebreide tests in de vacuümkamers van het testlaboratorium ESTEC in Noordwijk hebben ook veel tijd gekost, alleen al omdat het lang duurde om in de testruimtes een vacuüm te creëren dat de wisselende temperaturen in het heelal kon nabootsen en tegelijk te testen of de laser en de laag op de telescoop ook na langere tijd nog goed blijven werken. Uiteindelijk doorstond het systeem in januari 2016 een live-test met succes. Van dat moment af aan raakte het project in een stroomversnelling.

De Aladin-laser ondervond ook nog problemen met de koeling, die met een vernuftig systeem van heatpipes konden worden opgelost.

Dan is er uiteindelijk de vraag waar die windmetingen voor nodig zijn. Metingen met weerballonnen en vliegtuigen bieden alleen momentopnamen. Vaste weer stations meten de wind alleen op een bepaalde locatie en op vaste hoogte. Van grote delen van de aarde zijn helemaal geen metingen beschikbaar. Met de bestaande data in combinatie met andere gegevens zijn er weliswaar redelijke prognoses mogelijk, maar exacte windgegevens zouden letterlijk een frisse wind blazen door het bestaande systeem. Met een betere weersvoorspelling had ik bijvoorbeeld een regenjas mee naar Toulouse genomen, want de beloofde zonneschijn van het weerbericht bleek helaas uit te blijven.

Betere voorspellingen kunnen echter ook levens redden en materiële schade beperken door bijvoorbeeld de exacte locatie en beweging van een orkaan of zware neerslag aan te geven. Naast de meteorologische diensten zijn daarom ook de verzekeringsmaatschappijen zeer geïnteresseerd in de wind-informatie. Alle gegevens zullen vrij beschikbaar worden gesteld.

Elk windprofiel bestaat uit een strip van 90 kilometer lang en 2,9 kilometer breed, onderverdeeld in 30 stukken. De kleuren representeren de windsnelheid in 24 verschillende gradaties en 79 segmenten.

Aeolus zal in januari 2019 zijn standaard taken opvatten en vanaf maart gegevens leveren. Een station op Spitsbergen ontvangt de gegevens die de satelliet met 10 megabit per seconde naar de aarde zendt. De datapakketten moeten met intervallen van ongeveer 90 minuten binnenkomen. Dankzij de noordelijk gelegen positie van het ontvangststation kunnen de gegevens van de satelliet worden opgevangen, telkens als hij in zijn baan om de aarde over de noordpool komt.

Vervolgens verwerkt een rekencentrum in Tromsø de gegevens en stuurt deze door naar het ECMWF, het Europees Centrum voor Weersverwachtingen op Middellange Termijn in Reading in Engeland, en aan het ESRIN, het Europese ruimte onderzoekscentrum in het Italiaanse Frascati. Het ESOC (European Space Operations Centre) in Darmstadt, Duitsland, stuurt de satelliet aan via een station in het Zweedse Kiruna. Deze instructies zullen hooguit een keer per week worden verstuurd.

Er wordt nu al gespeeld met de gedachte om het systeem uit te breiden. De gegevens van Aeolus zouden een opstap kunnen zijn naar meer Aeolus-satellieten. Het Aeolus-project is sowieso slechts onderdeel van een veelvoud aan satellieten die de aarde observeren. In totaal zijn 25 satellieten bij ESA in de ontwikkelingsfase. Er draaien er daarnaast al 14 om de aarde, waaronder de sentinels van het Copernicus-project en de MetOp-weersatellieten.

Aeolus vervult twee taken, hij levert de genoemde windgegevens en met de tweede spectroscoop (Mie-receiver) registreert hij ook dynamische processen in de atmosfeer die de ontwikkeling bepalen van wolkenlagen en aerosolen. Voor het klimaatonderzoek zal Aeolus de periode overbruggen waarin de NASA-satellieten CloudSat en CALIPSO geen gegevens over aerosolen en wolken zullen leveren en het Europese project EarthCare nog niet gestart is. Naar verwachting zal dat pas in 2021 gebeuren.

Voor de hobbyisten onder ons: op de Aeolus-site van de ESA staat een bouwplan om een je eigen papiermodel van Aeolus te maken met een schaal van 1:40. Misschien duurt ook dat iets langer dan gepland.