Om innovatie te stimuleren zijn er binnen de negen topsectoren “Topconsortia voor Kennis en Innovatie” (TKI’s) opgezet. Deze TKI’s stimuleren publiek-private samenwerkingsprojecten. In de TKI’s zoeken ondernemers en wetenschappers samen naar manieren om vernieuwende producten en diensten op de markt te brengen.

MXS-TKI

Voor het MXS-TKI project hebben we vier röntgen-kalibratiebronnen gebouwd, getest en gekarakteriseerd.

De aanleiding voor dit proof of principle was dat voor het X-IFU-instrument voor ESA’s Athena-missie referentiebronnen nodig zijn met andere energieniveau’s dan die gebruikt zijn voor ASTRO-H, een eerdere röntgenmissie. Er zijn simulaties uitgevoerd met verschillende materialen waar we tot zover geen ervaring mee hadden. Om de simulatiemodellen te valideren hebben we bronnen gebouwd op basis van molybdenum en zirconium.

De bronnen zijn qua ontwerp geïnspireerd op de bronnen van ASTRO-H, hoewel de materialen verschillend zijn. We hebben aangetoond dat het aanbrengen van de geselecteerde materialen mogelijk is met de apparatuur en de processen die bij SRON beschikbaar zijn.

Verschillende onderdelen zijn gemaakt bij partnerbedrijven. Bij SRON zijn deze geassembleerd in een testbehuizing en getest en gekarakteriseerd. Hiermee hebben we aangetoond dat de gekozen materialen bruikbaar zijn om röntgenkalibratiebronnen mee te maken. Er waren wel enige verschillen met de simulaties. Die konden we deels verklaren door variaties in de modellen aan te brengen, en deels is verder onderzoek en verfijning van de modellen nog wenselijk.

Bij het bedrijf cosine zullen nog aanvullende testen worden gedaan op industriële applicaties. Hiermee wordt ook data verzameld over levensduur en of de versies met en zonder zuurstofbindende component hierin verschillen.

SPEX airborne – Bepalen van aërosol eigenschappen met SPEX airborne meetgegevens

SRON en AIRBUS Defence & Space NL (ADSN) hebben samen met andere Nederlandse kennisinstituten en MKBs het prototype-instrument SPEX ontworpen en gerealiseerd, als onderdeel van de roadmap voor optische instrumenten van het Netherlands Space Office ter ondersteuning van milieu- en klimaatonderzoek.

SPEX is een compacte en zeer nauwkeurige polarimeter om de eigenschappen van atmosferische aërosolen te meten vanaf een vliegtuig of satelliet. Het nauwkeurig bepalen van de microfysische en optische eigenschappen van aërosolen is een speerpunt van het atmosferisch onderzoek in Nederland vanwege hun invloed op het klimaat en luchtkwaliteit (zie deze link). Een van de actuele doelstellingen is om onderscheid te maken tussen verschillende typen aërosolen aan de hand van hun optische en microfysische eigenschappen. Die eigenschappen kunnen bij uitstek met de vereiste nauwkeurigheid worden bepaald met polarimeters zoals SPEX.

Het SPEX-prototype vormt het hart van een configuratie “SPEX airborne”, die door SRON is ontwikkeld om metingen te doen vanaf de ER-2 — een onderzoeksvliegtuig van NASA dat op 21 km hoogte waarnemingen doet aan de atmosfeer. SPEX airborne nam in 2017 deel aan een groots opgezette aerosol-meetcampagne genaamd ACEPOL. De ruwe data afkomstig van het instrument zijn niet direct bruikbaar; ze moeten via een keten van bewerkingen worden omgezet in gegevens over aërosolen. Dat gebeurt in drie stappen:

• Omzetting van ruwe data naar gekalibreerde polarisatie- en intensiteitmetingen
• Het samenbrengen van metingen vanuit de negen kijkrichtingen van SPEX op een geografisch grid
• Het bepalen van aerosolparameters uit de samengevoegde data (multi-hoek en multi-spectrale)

We hebben de complete architectuur van deze drie stappen opgezet en verder uitgewerkt in de TKI-studie en vervolgens alle metingen uit de ACEPOL-campagne verwerkt. Bij diverse stappen van de dataverwerkingsketen zijn kalibratiegegevens (Calibration Key Data, CDK) nodig. Die leiden we af uit kalibratiemetingen. In de TKI-studie hebben we ook de algoritmen gerealiseerd waarmee we de ruwe kalibratiemetingen hebben omgezet naar een collectie van bruikbare CKDs.

De kennis die dit project heeft opgeleverd vond vrij snel na de studie een toepassing in de ontwikkeling van de dataverwerkingsketen voor SPEXone, het polarimeter-instrument dat Nederland ontwikkelt voor de PACE-missie, die gelanceerd zal worden in 2022 (zie deze link).

PACE-SPEX phase-0

Het TKI-project “PACE-SPEX phase-0” was geïnitieerd naar aanleiding van de sterke interesse van NASA om een Nederlandse polarimeter gebaseerd op het zogenaamde “SPEX” concept te plaatsen op hun PACE-satelliet. De NASA PACE (Plankton, Aerosol, Cloud ocean Ecosystem) missie heeft als hoofddoel het observeren van de oceaan biologie, atmosferisch fijnstof en wolken. Een zeer nauwkeurige spectro-polarimeter, een instrument dat naast de kleur en intensiteit van het licht ook de mate van polarisatie meet, biedt de mogelijkheid tot ongeëvenaarde karakterisatie van fijnstof ten behoeve van klimaat en luchtkwaliteit onderzoek en kan de metingen van de oceaankleur door het hoofdinstrument verbeteren.

Het hoofddoel van het TKI-project “PACE-SPEX phase-0” was het onderzoeken van de technische en organisatorische haalbaarheid van een Nederlandse polarimeter met een groot blikveld dat de gehele aarde in 2-3 dagen kan observeren. Het TKI-project was een samenwerking tussen SRON, Airbus Defence and Space Netherlands, en TNO. Deze partijen hebben veel ervaring op het gebied van instrumentontwikkeling voor satellieten.

Samengevat zijn de resultaten van dit TKI-project:

• Een optisch ontwerp is ontwikkeld voor twee complementaire optische modules die samen voldoen aan de polarimeter aspecten zoals gedefinieerd door NASA. Een module werkt in het zichtbaar licht en is gebaseerd op zogenoemde ‘spectrale polarisatie modulatie’ en biedt zeer hoge polarimetrische nauwkeurigheid met hoge spectrale resolutie bij vijf kijkrichtingen. De andere module werkt in het infrarood bij één enkele kleur en tientallen kijkrichtingen.
• Een analyse van de optische performance toont aan dat de ontwerpen voldoen aan de eisen voor polarimetrische nauwkeurigheid en signaal-ruis-verhouding.
• Specifieke essentiële optische componenten alsook de opto-mechanische montage van deze componenten zijn geïdentificeerd als kritische componenten waarvoor aparte (korte) ontwikkelprogramma’s nodig zijn.
• Het basis concept voor het instrument en de architectuur zijn geconsolideerd en geïtereerd met het NASA PACE team. Alle budgetten (massa, volume, vermogen en data volume) vallen binnen het PACE missie budget. Twee onafhankelijke kostenschattingen zijn gemaakt voor het instrument, waarbij de onzekerheid het grootst is voor de optische modules.
• De projectorganisatie (status einde TKI-project) omvat een leidende rol voor SRON op het gebied van het bewaken van de wetenschapseisen, de instrument performance op systeem niveau en de levering van sub-units. Voor de ontwikkeling van de optische modules is een gezamenlijke inspanning voorzien door TNO en SRON in een nauwe samenwerking met SRON-verantwoordelijkheid van de kwalificatie van de modules en TNO verantwoordelijkheid voor optisch ontwerp, productie en assemblage. Voor productie van optische componenten en testinstrumentatie wordt Nederlandse MKB ingeschakeld. Airbus DS NL is verantwoordelijk voor het thermisch ontwerp op systeem niveau, alsmede de ontwikkeling van de Instrument Control Unit (ICU) en ondersteuning op instrument en lage niveau.

De conclusie van deze TKI-studie is dat een satellietinstrument met de complexiteit van PACE-SPEX haalbaar is gezien de mogelijkheden en ervaring van Nederlandse industrie en instituten. Echter, de financiële dekking van een dergelijk instrument binnen het Nederlandse ruimtevaartprogramma kon tijdens de looptijd van het TKI-project niet worden geconsolideerd.

Experimental validation of a novel aerosol measurement technique from space

This project led to rewarding results. The project team succeeded in reaching these results despite the outbreak of the COVID-19 pandemic, the move of the SRON lab from Utrecht to Leiden and the changed programmatic boundary conditions with OHB/TAS selected by ESA as CO2M prime and in parallel SRON and ADSN to develop a smaller polarimeter “SPEXone” for CO2M as funded by the Netherlands. The successful work realized in this project by ADSN and SRON will benefit the SPEXone instrument on CO2M. In particular, the experience gained through the design and modelling phases and stray light and tolerance analysis will benefit the new instrument. Furthermore, the experience gained on the alignment and use of coupled OAPMs will benefit future projects where similar optical components will be used. The optical setup presented in WP5 and WP6 will be used to perform characterization tests on the PMO assembly for the SPEXone for CO2M instrument and it will also be used for stray light measurements and characterization with projects involving metasurfaces and detector characterization. Overall, the equipment built and experience gained in this project will have a positive impact for future instrument developments for Earth Observation.