Autonome satellieten: de autonome vloot van ruimteverkenners

• Auteur:
• auteursnaam

  Quantumrun-prognose
• 23 december 2022

Samenvatting inzicht

Kleine satellieten hebben enorme prestaties geleverd, variërend van het monitoren van asteroïden tot het verzamelen van gegevens. De toenemende budgettaire beperkingen hebben er echter toe geleid dat wetenschappers op zoek zijn gegaan naar alternatieve, kostenefficiënte oplossingen voor satellieten, waaronder zelfsturing en energiebesparing. De langetermijngevolgen van de ontwikkeling van autonome satellieten zouden betere verkenningsmissies naar andere planeten en een efficiënt beheer van ruimteafval kunnen omvatten.

Context van autonome satellieten

Volgens een studie van de in Nederland gevestigde Technische Universiteit Delft worden kleine satellieten doorgaans gedefinieerd als ruimtevaartuigen met een massa van 500 kilogram (kg) of minder. Deze modellen omvatten minisatellieten (100-500 kg), microsatellieten (10-100 kg), nanosatellieten (1-10 kg), picosatellieten (0.1-1 kg) en femtosatellieten (0.01-0.1 kg). Het slagingspercentage van satellietmissies is toegenomen dankzij de vooruitgang in de miniaturisatietechnologie. Als gevolg hiervan stellen meer universitaire groepen, bedrijven en ruimtevaartorganisaties kleine satellietmissies voor voor wetenschappelijk onderzoek.

Verschillende problemen kunnen het beheer van kleine satellietoperaties vanaf een grondstation echter moeilijk maken. Deze uitdagingen omvatten het gelijktijdig volgen van meerdere ruimtevaartuigen met beperkte middelen, het uitbreiden van missies met nog minder beschikbare volgbronnen, en energie- en operationele kosten voor deze missieteams. 

Met deze uitdagingen in het achterhoofd richten wetenschappers zich op autonome systemen. Navigatiesystemen zouden het meeste baat hebben bij autonomie, aangezien deze systemen gebaseerd zijn op het op de grond volgen van radiometrische waarnemingen (in wezen het schatten van de positie en snelheid van een ruimtevaartuig door middel van radiosignalen). Bovendien wordt het besturen van een ruimtevaartuig meestal gedaan door middel van commando's die worden verzonden vanaf grondstations, vaak onderhevig aan vertragingen; autonome systemen zouden dergelijke beperkingen kunnen omzeilen en sneller op obstakels kunnen reageren.

Disruptieve impact

Autonomie heeft het potentieel om missiekosten te verlagen of prestaties te verbeteren door minimaal gebruik van grondoperaties of hardware. Als alternatief kan het ruimtevaartuig een specifieke taak sneller uitvoeren dan een systeem op de grond als het onafhankelijk door de ruimte kan navigeren en informatie kan verzamelen. Ook kunnen taken zoals het verzamelen van exemplaren alleen autonoom worden uitgevoerd, vooral bij onderzoek in de diepe ruimte. 

Autonome navigatie is gebruikt bij verschillende deep space-missies, waaronder Deep Space 1, STARDUST en Deep Impact. Deze verkenningen werden ondersteund door het Autonomous Optical System (AutoNAV) van het Jet Propulsion Laboratory en SMART-1, ontwikkeld door de Amerikaanse National Aeronautics and Space Administration (NASA). Deze missies maakten voornamelijk gebruik van optische navigatie, die sensoren gebruikt om de positie, snelheid en andere toestanden van een ruimtevaartuig in relatie tot doellichamen te berekenen.

Er zijn verschillende experimenten gaande om zelfsturende satellieten onafhankelijker en veelzijdiger te maken. In 2022 begon het US Naval Research Laboratory bijvoorbeeld met het ontwikkelen van een plan om ontmantelde satellieten in staat te stellen terug naar de aarde te sturen en ruimteruis op te ruimen. Het voorstel suggereert dat nieuwe satellieten worden uitgerust met dunne 'navelstrengen' van ongeveer een kilometer lang. Door een elektrische stroom door het snoer te laten lopen, zou de satelliet zijn elektrische veld en het magnetische veld van de aarde kunnen gebruiken om zichzelf terug naar beneden te leiden in plaats van lukraak neer te storten.

Ondertussen waren in 2019 de Starlink-satellieten van SpaceX de eerste modellen die werden gelanceerd die autonoom botsingen met andere objecten in een baan kunnen voorkomen. Na ontvangst van een waarschuwing voor een van zijn Starlinks, zal SpaceX de informatie onmiddellijk naar de satelliet sturen, zodat deze op de juiste manier kan ontwijken door middel van elektrische stuwraketten.

Implicaties van autonome satellieten

Bredere implicaties van autonome satellieten kunnen zijn: 

• Verkennende missies naar nabijgelegen planeten en de maan zijn semi- of volledig autonoom, waardoor de operationele kosten dalen.
• Space Internet-satellieten kunnen botsingen vermijden, wat cruciaal is voor de steeds drukker wordende lage baan om de aarde (LEO).
• Universiteiten en andere openbare onderzoeksorganisaties kunnen hun minisatellietverkenningen in de ruimte tegen steeds lagere kosten uitvoeren.
• Ruimteagentschappen ontwikkelen meer autonome systemen om verkenningen op lange termijn en de vestiging van kolonies te ondersteunen.
• Het verminderen van de hoeveelheid ruimtepuin van satellietbotsingen. Deze trend kan ruimtevervuiling en afval minimaliseren.
• Verhoogde efficiëntie bij aardobservatie via satellieten, waardoor de realtime monitoring en het beheer van veranderingen in het milieu en de stad worden verbeterd.
• Verbeterde betrouwbaarheid en verminderde latentie in mondiale communicatienetwerken, wat vooral ten goede komt aan afgelegen en onderbediende regio's.
• Regeringen die nieuwe regelgevingskaders aannemen om het verkeer van autonome satellieten te beheren, waardoor veilige en duurzame ruimteoperaties worden gegarandeerd.

Vragen om te overwegen

• Wat zijn de andere potentiële voordelen van zelfrijdende satellieten en ruimtevaartuigen?
• Hoe denk je dat deze technologie ruimte-ontdekkingen gaat versnellen?