Satellieten vormen een onmisbaar instrument om de aardatmosfeer te observeren en te bestuderen hoe het klimaat verandert. Ze vormen een continue en betrouwbare bron van onafhankelijke metingen. Het Nederlandse ruimte-instrument TROPOMI heeft bijvoorbeeld veel grote methaanlekken uit olie- en gasinstallaties, stortplaatsen en kolenmijnen geïdentificeerd.
Met zijn dagelijkse wereldwijde dekking ziet het elke grote methaanuitstoot op de planeet. Er is echter een hoge ruimtelijke resolutie nodig om de bron nauwkeurig te lokaliseren en kleinere emissies te detecteren. Dit is alleen mogelijk met een kleiner beeldveld, wat betekent dat er meer satellieten nodig zijn voor een wereldwijde dekking.
Aardobservatie-instrumenten op satellieten maken traditioneel gebruik van omvangrijke conventionele optica zoals lenzen, spiegels en diffractieroosters. Het gevolg is een groot fysiek volume en gewicht. Dit maakt de productie en installatie in de ruimte duur en belemmert de schaalvergroting naar constellaties met meer satellieten. Daarom zijn er nieuwe optische oplossingen nodig om vergelijkbare prestaties te bereiken met kleinere satellieten.
Figuur 1: Artist impression van een optisch systeem met een metalens en een fotonische kristallen array op een detector zoals ontwikkeld bij SRON.
Nanogestructureerde optische elementen
De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de productie van nanogestructureerde optische elementen. Zo werden conventionele lenzen vervangen door platte optische elementen die bestaan uit een reeks minuscule pilaartjes gemaakt van materialen zoals silicium of siliciumnitride. Dit wordt een metalens genoemd. Op dezelfde manier kunnen periodieke gaten in silicium of siliciumnitride tweedimensionale fotonische kristallen vormen die fungeren als optische filters.
Figuur 2: voorbeelden van gefabriceerde nanogestructureerde optische elementen. (a) fotonische kristallen array, (b) inzoomen met e-beam microscoop op fotonische kristallen array, (c) metalens, (d) inzoomen met e-beam microscoop op de metalens.
SRON onderzoekt of dergelijke nanogestructureerde optische elementen de grootte van satellietinstrumenten voor aardobservatie kunnen verkleinen. Voor de fotonische kristalfilters is het sleutelconcept om verschillende filters te gebruiken en uit de inkomende signalen op een detector een broeikasgasconcentratie af te leiden, rechtstreeks of via de polarisatie van het invallende licht. Theoretische analyse heeft aangetoond dat we op deze manier dezelfde prestaties kunnen bereiken als met een conventionele traliespectrometer, in een volume dat tien keer kleiner is. SRON werkt nu samen met nationale en internationale partners aan prototypes voor toepassingen zoals methaan- of aerosoldetectie vanuit de ruimte.
Figuur 4: Broeikasgasopsporingsmethode met directe aanpassing van een model voor stralingsoverdracht aan de gemeten geïntegreerde signalen van de detector met verschillende filters.
Relevante missies
Onze expert
-
Lees meerRalf Kohlhaas
Head of OptX section
