ASPIICS aan boord van Proba-3

Belgisch wetenschappelijk onderzoek in de schaduw van een satelliet

Proba-3 is de nieuwste ESA-missie die op 4 december 2024 gelanceerd wordt. Proba-3 bestaat niet uit één, maar twee satellieten die in formatie rond de aarde zullen vliegen. Eén satelliet zal tijdens elke omwenteling 6 uur lang een schaduw op de andere satelliet werpen, waardoor deze laatste een zonsverduistering kan waarnemen. Tijdens een zonsverduistering wordt de zonneatmosfeer of de corona zichtbaar. De uitbating van ASPIICS, het instrument dat de zonnecorona in beeld brengt, is in handen van de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB), waar ook  het bijhorend wetenschappelijk onderzoek zal gecoördineerd worden.

Een artificiële zonsverduistering 

De kleinste satelliet draagt een schijf die de zon verduistert, net zoals de maan dat doet bij een natuurlijke zonsverduistering. Op de tweede satelliet staat het instrument ASPIICS, de Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun, dat gebruikmaakt van deze artificiële zonsverduistering om beelden te maken van de zonnecorona.

Credit: ESA - P. Carril

Blinde vlek wordt ingevuld

Andrei Zhukov (KSB), hoofdonderzoeker van ASPIICS: “In zichtbaar licht kunnen we verder weg van het zonneoppervlak goed waarnemen. In het extreem ultraviolet licht, kunnen we de corona dichtbij het zonneoppervlak goed zien. Het gebied ertussen is niet zichtbaar. Dit is een blinde vlek.“

Tijdens een natuurlijke totale zonsverduistering bedekt de maan de zon precies. Voor waarnemers op aarde die zich in de schaduw van de maan bevinden, is dit gebied wel zichtbaar. Een natuurlijke zonsverduistering is echter zeldzaam, duurt maar enkele minuten en er mogen geen wolken voor de zon hangen die het zicht blokkeren. Soms is een eclips ook enkel zichtbaar vanuit een ontoegankelijk gebied op aarde.

ASPIICS zal het gebied tussen het blauwe vierkant en de blauwe cirkel, dit is tussen 1.099 en 3.0 zonnestralen, in beeld brengen.

Het rode beeld werd in zichtbaar licht genomen door LASCO/C2 aan boord van de satelliet SOHO. Het gele beeld in extreem ultraviolet licht werd genomen door de SWAP telescoop aan boord van Proba-2.

Andrei gaat verder: “Het is de bedoeling dat Proba-3 langer dan een paar minuten een totale zonsverduistering nabootst. Dit kan wanneer de schijf op de kleine satelliet, gezien vanaf de tweede satelliet, de zon net bedekt gedurende een lange tijd.

Op een afstand van 144 meter is de schaduw van de schijf 7,5 centimeter breed. Het oog van de telescoop op de tweede satelliet is 5 centimeter breed en moet volledig in de schaduw van de schijf zitten om een zonsverduistering te zien. Om dit klaar te spelen, zullen beide satellieten tot op de millimeter nauwkeurig in formatie moeten vliegen. Dit is een enorme technologische uitdaging.” 

Baan om de aarde

Proba-3 wordt gelanceerd in een ellipsvormige baan rond de aarde. Alleen wanneer Proba-3 in het verste deel van de ellips zit, dit is apogeum, zullen de satellieten in formatie gebracht worden. In die fase van hun baan zijn ze, omwille van hun lagere snelheid, makkelijker te positioneren. In formatie vliegen gebeurt met stuwraketten en daarvoor is brandstof nodig. De hoeveelheid brandstof die kan meegenomen worden op een satelliet is natuurlijk beperkt en daarom moesten er afwegingen worden gemaakt. Proba-3 legt de volledige baan rond de aarde  af op 20 uur tijd. Het compromis is dat de satellieten in formatie zullen vliegen gedurende 6 uur van deze omlooptijd, enkele keren per week. De hoeveelheid brandstof is daarmee berekend voor een missie met een duur van 2 jaar.    

Andrei Zhukov: “We hebben brandstof bij voor zo'n 1000-tal uur formatievliegen en zullen gedurende 2 omwentelingen per week, telkens 6 uur ononderbroken de lage zonnecorona observeren met ASPIICS. Dit is 100 keer langer dan een totale zonsverduistering van slechts enkele minuten zoals we ze vanop aarde waarnemen.”  

Oog voor detail

Eén beeld van ASPIICS is samengesteld uit drie beelden. Het deel van de zonneatmosfeer dichter bij de zon wordt gefotografeerd met een kortere sluitertijd dan de  minder heldere delen verder weg van de zon. Op deze manier kan elk deel van de zonneatmosfeer duidelijk en met het beste contrast in beeld gebracht worden. 

Onderzoekers vermoeden dat de antwoorden van belangrijke wetenschappelijke vragen in de details van de beelden zitten. Ze willen weten waar en hoe de zonnewind ontstaat en versnelt, hoe zonneplasma zich losrukt en uiteindelijk als een wolk door de ruimte raast. Ze hopen ook meer inzicht te krijgen in de fysische processen die de zonneatmosfeer tot miljoenen graden verhitten, terwijl de temperatuur van het zonsoppervlak slechts enkele duizenden graden is.   

Van idee tot lancering

Het idee voor de Proba-3 missie ontstond al twintig jaar geleden: alles begon met een aantal studies in de Franse ruimtevaartindustrie en een eerste voorstel voor het instrument in 2009. In 2014 kwam het project in een stroomversnelling toen Andrei Zhukov van de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) werd aangesteld als de nieuwe hoofdonderzoeker en het Centre Spatiale de Liège (CSL) het instrument mocht bouwen. Ook op de KSB werd een team van wetenschappers, ingenieurs en software-specialisten samengesteld. Deze experten bepalen hoe en wanneer ASPIICS moet waarnemen, verwerken de waarnemingen en maken ze klaar voor wetenschappelijk gebruik. De software die hiervoor wordt gebruikt, is zeer specifiek en dus op maat van ASPIICS geschreven. Hier wordt al jaren aan gewerkt. Het team is nu klaar om na de lancering de testen van het instrument aan te sturen en na 4 maanden naar de operationele fase over te gaan. De eerste beelden van ASPIICS moeten dan aantonen dat het experiment is geslaagd.

Een speeltuin voor wetenschappers

Andrei Zhukov: “Toen ik voor het eerst over dit project hoorde, was ik meteen enthousiast. Ik heb kunnen samenwerken met specialisten van over de hele wereld, met gerenommeerde wetenschappers die hun strepen al verdiend hadden in vroegere ruimtemissies, met zeer getalenteerd ingenieurs en software-ontwikkelaars. Samen proberen we de huidige observatietechnieken te verbeteren. We verwachten ook dat de 6-uur-durende zonsverduistering unieke data zal opleveren. The best is yet to come!” 

Vele handen maken licht werk

In België werd ASPIICS gebouwd door:

• Een consortium onder de leiding van Centre Spatial de Liege (CSL). Het consortium bestaat uit 15 onderaannemingen en instituten uit vijf ESA-lidstaten. 
• OIP Sensor Systems (Oudenaarde) was als onderaannemer van CSL verantwoordelijk voor het ontwerp en ontwikkeling van het Focal Plane Assembly (FPA) en de Camera Electronic Box (CEB) van ASPIICS. 
• Andrei Zhukov (Koninklijke Sterrenwacht van België)  is de hoofdonderzoeker van ASPIICS. In die functie leidt hij het internationaal team van wetenschappers. 

De financiering van het Belgisch federaal wetenschapsbeleid (Belgian Science Policy Office, BELSPO) via het PRODEX en het GSTP-programma van het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA) was essentieel.

Andere wetenschappelijke instrumenten op Proba-3 en de Belgische bijdrage daaraan:

• DARA, een radiometer, staat onder leiding van het Zwitsers instituut PMOD. Andrei Zhukov en Marie Dominique (Koninklijke Sterrenwacht van België) maken deel uit van het onderzoeksteam.
• 3DEES onderzoekt energetische deeltjes. UCL levert de hoofdonderzoeker. Het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-aeronomie en Redwire Space maken deel uit van het 3DEES consortium.

Ruimte- en grondsegment

• De industriële ontwikkeling van de satelliet en het grondsegment wordt geleid door het Spaanse SENER Aerospace die het werk coördineert van een kernteam bestaande uit Airbus Defence and Space, Redwire Space (Kruibeke), GMV en Spacebel (Hoeilaart en Luik). 
• Amos (Luik) heeft bijgedragen aan de 'Fine Lateral and Longitudinal Sensor (FLLS)', als onderaannemer van MICOS, Zwitserland.
• CSL (Luik) ontwikkelde de Coarse Lateral Sensor (CLS), ondersteund door Deltatec (Luik) voor zijn Optical Head Unite (OHU).
• Makite heeft bijgedragen aan de PROBA-3 satellietvalidatie, in het bijzonder de GNSS-sensor.

Besturing en exploitatie

• De satelliet wordt bestuurd vanuit ESEC (Redu België) in the SmallSat Operations Centre 
• De wetenschappelijke activiteiten zullen worden uitgevoerd vanuit het Proba-3 Science Operations Center bij de Koninklijke Sterrenwacht van België.