CubeSats zijn kleine kubusvormige satellieten die voornamelijk in een lage baan om de aarde worden gebracht om de aarde te observeren, nieuwe communicatietechnologie te testen of mini-experimenten uit te voeren. In het begin werden ze vooral gebruikt voor het testen van nieuwe technologieën maar de laatste jaren worden deze ook ingezet voor de verkenning van ons zonnestelsel of de studie van onze planeet. CubeSats zijn ondertussen niet meer weg te denken en deze worden nu in grote aantallen ontwikkelt en gebouwd door tal van bedrijven en wetenschappelijke instellingen over de hele wereld.
Vanwaar het idee?
Het kubusvormige ontwerp van een CubeSat werd eind jaren negentig voor het eerst voorgesteld door twee professoren: Jordi Puig-Suari van de California Polytechnic State University en Bob Twiggs van de Stanford University. Ze wilden studenten helpen technische ervaring op te doen met satellieten, die traditioneel duur zijn om te bouwen en te lanceren. Het idee voor de kubusvormige satelliet kwam volgens Spaceflight Now deels van de toenmalige rage van miniatuurspeelgoed, Beanie Babies. Geïnspireerd door de geïndividualiseerde knuffeldieren was het idee van Twiggs om studenten hun eigen miniatuursatellieten te laten bouwen. Het basisontwerp van deze kleine satelliet is een kubus van 10 centimeter met een massa van minder dan 1,33 kilogram. Maar variaties op dit ontwerp zijn ondertussen ook mogelijk en worden vaak toegepast. Zo kunnen CubeSats ook worden ontworpen om twee, drie of zes 10-centimeter eenheden te omvatten voor meer gecompliceerde missies. Op deze manier worden CubeSats groter dan de klassieke 1 Unit (10x10x10 centimeter) waardoor er meer instrumenten of apparatuur kan ondergebracht worden in een dergelijke CubeSat. De komst van deze kleine satellieten werd uiteindelijk mogelijk gemaakt door de voortdurende miniaturisatie van elektronica waardoor instrumenten zoals camera’s en communicatieapparatuur nog slechts een fractie van de grootte zijn als toen de verkenning van de ruimte begon in de jaren ’60 en ’70 van de vorige eeuw.
Onderdelen shoppen voor een CubeSat
Hoewel 1U CubeSats een breed scala aan toepassingen hebben, zijn ze door hun grootte beperkt, vooral als een satelliet complexer is en extra vermogen nodig heeft of zijn stand moet regelen. Daarom zijn grotere formaten met verschillende vormfactoren populair geworden, zoals de 1,5U, 2U, 3U, 6U en 12U CubeSats. Sommige zijn zelfs 16U groot. De enige vereiste is dat hun vormfactor een lange doosvorm moet zijn, zodat ze door een dispenser kunnen worden vrijgegeven op dezelfde manier als de basis 1U CubeSat. Momenteel zijn de 3U CubeSat, gevolgd door de 6U en 1U, de meest voorkomende CubeSats. De gestandaardiseerde specificaties voor CubeSats maken het voor technologische bedrijven mogelijk om standaardonderdelen te maken die van de plank verkocht kunnen worden. In de CubeSatShop zijn bijvoorbeeld meer dan 90 producten beschikbaar, waaronder zonnepanelen, communicatiesystemen en standbepalings- en regelsystemen. Er zijn echter enkele uitdagingen bij het ontwerp van kubussats. De elektronica is kleiner en daardoor gevoeliger voor straling. Omdat ze klein zijn, kunnen ze geen grote ladingen of complexe instrumenten meenemen. Als je wilt dat een CubeSat in een bepaalde richting wijst, bijvoorbeeld naar het aardoppervlak om foto's te maken of om zonnepanelen naar de zon te richten, heb je een standbepalings- en standregelsysteem (ADCS) nodig. Het ADCS bestaat uit standsensoren die bepalen waar de satelliet zich in de ruimte bevindt en standactuatoren die de satelliet in de gewenste richting draaien. Voor een satelliet die in een baan om de aarde draait, zou dit systeem constant in actie zijn om de satelliet naar het aardoppervlak gericht te houden. Een ADCS neemt heel wat ruimte in beslag en verklaart waarom de meeste CubeSats die nu gebouwd worden groter zijn dan 1U.
Groot financieel voordeel
Het enorme voordeel aan CubeSats is dat deze veel goedkoper zijn dan klassieke, grote satellieten. Cubesats verlagen de lanceerkosten op twee fundamentele manieren. Ze wegen niet zoveel, wat betekent dat een raket niet veel brandstof nodig heeft om ze te tillen. In de meeste gevallen delen ze ook een raket met een grotere satelliet of vele andere kleine satellieten, waardoor het mogelijk is om de ruimte in te gaan in het kader van een grotere missie. Hun lage kosten betekenen ook dat ze over het algemeen ontworpen zijn om maar een paar weken, maanden of jaren mee te gaan voordat ze stoppen met werken (en voor die in een lage baan om de aarde, terugvallen in de atmosfeer). De eerste zes CubeSats werden in juni 2003 gelanceerd vanaf de Russische lanceerbasis Plesetsk. Volgens een artikel op Space.com uit 2004 kostte de lancering van een CubeSat toen ongeveer 40.000 dollar, wat een koopje is vergeleken met een doorsnee satelliet (die vaak miljoenen dollars kost). Door hun lage kostprijs en het feit dat veel onderdelen voor CubeSats makkelijk te verkrijgen zijn, is dit concept zeer aantrekkelijk voor universiteiten, bedrijven en onderzoeksinstellingen die geen miljoenen dollars willen investeren in de ontwikkeling van een satelliet.
Iedereen toegang tot de ruimte
Dankzij het grote succes van CubeSats en de vele bedrijven die zich hierin hebben gespecialiseerd, hebben nu ook heel wat onderzoeksinstellingen, universiteiten en overheden op een goedkopere manier toegang tot de ruimte gekregen. Het ontwerp van een CubeSat blijkt zeer succesvol te zijn bij universiteiten waardoor heel wat studenten over de hele wereld zelf een satelliet kunnen ontwerpen en zelfs bouwen. Zo lieten landen als Moldavië (TUMnanoSAT), Zimbabwe (ZimSat 1), Uganda (PearlAfricaSat 1), Paraguay (Guaranisat 1), Tunesië (ChallengeOne), Koeweit (KuweitSat 1), Nepal (SanoSat 1), Rwanda (RWASAT 1), Guatemala (Quetzal 1), Ghana (GhanaSat 1) en Solvenië (TRISAT) de afgelopen jaren CubeSats in de ruimte brengen die vooral ontwikkeld werden door studenten. Op deze manier kunnen jongeren en studenten meer geïnspireerd raken in technologie en ruimteonderzoek in landen waar ruimtevaart in het verleden ondenkbaar was. Enkele belangrijke bedrijven die CubeSats of onderdelen er voor verkopen zijn: EnduroSat, CubeSatShop en NanoAvionics. Naast universiteiten en bedrijven hebben de laatste jaren ook belangrijke overheidsinstellingen en militaire instellingen in de Verenigde Staten het nut van CubeSats ingezien. Zo ontwikkelde de US Navy, de US Naval Academy, het Los Alamos National Laboratories en de US Army Space Missile Defense Command al tal van CubeSats voor diverse doeleinden. Dankzij educatieve projecten als het Educational Launch of Nanosatellites (ELeNa) van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA of het Fly Your Satellite! programma van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA krijgen studenten makkelijk toegang tot de ruimte doordat ze samen met deze ruimtevaartorganisaties CubeSats ontwikkelen in het kader van wetenschappelijk of technologisch onderzoek.
Meereizen met grote satellieten
CubeSats kunnen op verschillende manieren in de ruimte worden gebracht. De meeste van deze satellieten worden als ‘rideshare’ vrachten gelanceerd aan boord van een raket die als hoofdvracht een zwaardere of veel grotere satelliet in de ruimte moet brengen. Op deze manier worden kosten gedeeld en kunnen er meerdere CubeSats tegelijk worden gelanceerd. Het succesvolle ruimtevaartbedrijf SpaceX lanceerde in het verleden al verschillende Falcon 9 raketten met aan boord tientallen CubeSat satellieten afkomstig van tal van bedrijven en universiteiten. Via het rideshare-programma van SpaceX vraagt het bedrijf 275.000 dollar voor een SmallSat/CubeSat van 50 kg naar een zon-synchrone baan (SSO), met extra kosten van 45.500 dollar per kg voor een Falcon 9-lancering. Een andere succesvol ruimtevaartbedrijf, Rocket Lab, vraagt voor één lancering van zijn Electron raket ongeveer 7 miljoen dollar. Deze raket kan tot 300 kilogram in een lage baan om de aarde brengen. Een tweede manier hoe CubeSats in de ruimte kunnen worden gebracht is dat ze tijdens een onbemande bevoorradingsmissie voor het internationale ruimtestation ISS mee naar het ruimtestation reizen. Daar worden ze dan door middel van een speciaal ontworpen systeem zoals de Nanoracks CubeSat Deployer uitgezet in een lage baan om de aarde. In 2022 bedroeg de kostprijs van het uitzetten van een 1U CubeSat vanaf het internationale ruimtestation 90.000 dollar en een 6U CubeSat 540.000 dollar.
Waarvoor worden CubeSats gebruikt?
Sinds 1999 zijn er al meer dan 2.000 CubeSats gelanceerd. Naast universitaire projecten en experimenten worden ze steeds vaker ontworpen door commerciële bedrijven om te worden gebruikt voor een breder scala aan doeleinden, zoals landbouw, bosbouw, energie, media en entertainment, civiele techniek, verkeersmonitoring en archeologie. Zo liet het bedrijf Planet Labs de afgelopen jaren al tientallen CubeSats de ruimte in brengen die het aardoppervlak dagelijks in beeld brengen zodat veranderingen snel worden opgemerkt. De data afkomstig van dergelijke satellieten wordt onder andere gebruikt tijdens rampenbestrijding of bij de studie van het klimaat. Een ander bedrijf dat CubeSats gebruikt voor commerciële doeleinden is het Franse bedrijf Unseenlabs dat 6U CubeSats in een baan om de aarde heeft waarmee schepen op zee worden gevolgd. De laatste jaren worden ook heel wat CubeSats ontwikkelt voor zogeheten ‘Internet-of-Things (IoT)’ toepassingen. Via deze technologie kunnen apparaten via internetverbindingen met andere apparaten of systemen in contact staan en gegevens uitwisselen. Velen zien in de Internet-of-Things (IoT) technologie dan ook de toekomst voor alles wat met netwerken en verbindingen te maken heeft.
Twee CubeSats, MarCO-A en MarCO-B, maakten in 2018 ook deel uit van een missie naar Mars. Ze werden ingezet in een baan om Mars en zorgden voor een real-time communicatieverbinding met de aarde voor de InSight-lander tijdens zijn binnenkomst, afdaling en landing, toen InSight uit het zicht van de aarde was. Beide CubeSats waren 6U groot en werden ook gebruikt om te testen hoe ze het in de diepe ruimte zouden doen. Sarah Kessans van de Universiteit van Canterbury gebruikt ook een CubeSat om eiwitkristallen beter te laten groeien in microzwaartekracht wanneer haar CubeSat zich in een lage baan om de aarde bevindt. In juni 2022 gebruikte het ruimtevaartbedrijf Rocket Lab zijn Māhia Peninsula Launch Complex 1 om een 12U CubeSat genaamd CAPSTONE te lanceren in een baan om de maan. Tijdens deze missie van 6 maanden werd een special baan om de maan getest, de zogeheten ‘near-rectilinear halo orbit (NRHO)’. Deze CubeSat missie kwam er als voorbereiding voor NASA om een ruimtestation rondom de maan met de naam Gateway in die baan te sturen. Zoals de naam al doet vermoeden, zal het Gateway-ruimtestation astronauten een platform bieden om gemakkelijker toegang te krijgen tot het maanoppervlak. Ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA wil in de nabije toekomst een CubeSat de ruimte in brengen voor de verkenning van het zonnestelsel. Zo moet de CubeSat Juventas met behulp van radartechnologie de asteroïdemaan Dimorphos onderzoeken.
Meer info:
