CubeSat: hoe schoenendoosjes de ruimtevaart betaalbaar maken
Een CubeSat is een satelliet zo klein dat hij in een schoenendoos past, maar toch volwaardig werk doet in een baan om de aarde. Het basisformaat is een kubus van 10 bij 10 bij 10 centimeter, ongeveer zo groot als een pak koffiemelk, met een gewicht van ongeveer anderhalve kilo. Toch kan zo'n minisatelliet camera's, radio's en meetinstrumenten aan boord hebben die vroeger alleen in satellieten ter grootte van een auto pasten.
Het idee is te vergelijken met Lego: in plaats van voor elke missie een uniek, duur ruimtetuig te bouwen, gebruiken ingenieurs standaardblokjes die je kunt combineren en die passen in een standaard lanceermechanisme. Daardoor is een CubeSat-project vaak honderden keren goedkoper dan een klassieke satelliet, en kunnen ook universiteiten, kleine bedrijven en zelfs middelbare scholen een eigen satelliet de ruimte in sturen.
Wat is het precies?
De basiseenheid van een CubeSat heet '1U' (spreek uit: één-oe, van 'unit'). Dat is de kubus van 10x10x10 centimeter met een massa van ongeveer 1,33 kilogram. Door meerdere van die eenheden aan elkaar te koppelen ontstaan grotere varianten: 2U, 3U (de meest gebruikte maat), 6U en zelfs 12U, die dan als een langwerpig blok of een stapeling van blokjes wordt gebouwd.
Deze standaard is niet toevallig ontstaan. In 1999 bedachten de hoogleraren Jordi Puig-Suari (California Polytechnic State University, kortweg Cal Poly) en Bob Twiggs (Stanford University) een vaste maatvoering, zodat elke universiteit dezelfde afmetingen en dezelfde bevestigingsrails kon gebruiken. Dat maakte het mogelijk om één standaard lanceermechanisme te ontwerpen dat past bij satellieten van heel verschillende makers.
Dat lanceermechanisme heet de P-POD, kort voor Poly-Picosatellite Orbital Deployer: een soort verenmechanisme dat de CubeSat als een blikje uit een frisdrankautomaat de ruimte in duwt zodra de raket op de juiste hoogte is. Tegenwoordig worden CubeSats ook vaak vanaf het internationale ruimtestation ISS uitgezet, via een luchtsluis (de Japanse Kibo-module) en een robotarm.
Een andere sleutel tot de lage kosten is het gebruik van kant-en-klare, niet-speciaal-voor-de-ruimte-ontwikkelde onderdelen, in het Engels 'commercial off-the-shelf' of COTS genoemd: chips, sensoren en zonnepanelen die oorspronkelijk voor gewone elektronica zijn gemaakt, maar goedkoop en snel beschikbaar zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is toegang tot de ruimte democratiseren: niet alleen grote ruimtevaartorganisaties met miljardenbudgetten, maar ook universiteiten, start-ups en zelfs individuele onderzoeksgroepen kunnen met een CubeSat eigen experimenten in een baan om de aarde brengen.
Voor het onderwijs is dat van grote waarde: studenten bouwen, testen en besturen een echte satelliet van begin tot eind, iets wat bij een klassieke missie van honderden miljoenen euro's ondenkbaar zou zijn. Voor bedrijven en onderzoeksinstituten is een CubeSat vaak een snelle en relatief goedkope manier om nieuwe technologie te testen voordat die in een grotere, duurdere satelliet wordt ingebouwd.
Daarnaast zijn CubeSats de bouwstenen geworden van commerciële constellaties: netwerken van tientallen tot honderden kleine satellieten die samen de hele aarde dagelijks fotograferen of wereldwijd datacommunicatie verzorgen, iets wat met een handvol grote satellieten niet te betalen zou zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
MarCO (Mars Cube One, NASA JPL, 2018): twee CubeSats van het formaat 6U die meereisden naar Mars en tijdens de landing van de InSight-lander in real time communicatiesignalen doorstuurden naar de aarde. Het waren de eerste CubeSats die ooit interplanetair vlogen, ver buiten de baan om de aarde waarvoor het concept oorspronkelijk bedacht was.
Delfi-C3 (TU Delft, 2008): een van de eerste Nederlandse studentensatellieten, gebouwd door studenten van de Technische Universiteit Delft om zonnepanelen en radiotechniek te testen. Delfi-C3 bleef jarenlang actief, veel langer dan verwacht.
Planet Labs Doves (sinds ongeveer 2013): een commerciële constellatie van honderden 3U CubeSats die samen dagelijks vrijwel het hele landoppervlak van de aarde fotograferen, gebruikt voor onder meer landbouw, milieumonitoring en rampenrespons.
OPS-SAT (ESA, 2019): een experimentele CubeSat van het Europese ruimtevaartagentschap, bedoeld als vliegend testplatform waarop onderzoekers nieuwe software en besturingsalgoritmes in de praktijk konden uitproberen zonder een operationele missie in gevaar te brengen.
Hoe ver is de techniek?
Sinds de eerste lanceringen in 2003 zijn er wereldwijd al duizenden CubeSats de ruimte in gestuurd, met een sterke versnelling in het afgelopen decennium. Die groei komt vooral doordat raketlanceringen goedkoper zijn geworden en satellieten vaak als 'meelifter' (rideshare) naast een grotere lading worden meegenomen.
Tegelijk kent de techniek duidelijke grenzen. De meeste CubeSats hebben weinig of geen eigen voortstuwing aan boord, waardoor ze nauwelijks van baan kunnen veranderen en na verloop van tijd vanzelf de dampkring in vallen. Ze zijn ook kwetsbaarder voor kosmische straling dan grote, zwaar afgeschermde satellieten, wat de levensduur en betrouwbaarheid beperkt.
Een groeiend punt van zorg is ruimtepuin: doordat er zoveel kleine satellieten tegelijk in een baan om de aarde zitten, neemt het risico op botsingen en op extra ruimteschroot toe. Ruimtevaartorganisaties werken daarom aan strengere regels voor het tijdig laten verbranden of opruimen van CubeSats na afloop van hun missie.
Wie werken eraan?
De CubeSat-standaard is ontstaan bij Cal Poly en Stanford University in de Verenigde Staten, en wordt sindsdien wereldwijd gebruikt. Grote ruimtevaartorganisaties zoals NASA (met name het Jet Propulsion Laboratory) en de Europese ruimtevaartorganisatie ESA gebruiken CubeSats voor experimenten en technologiedemonstraties.
Ook universiteiten spelen een grote rol, waaronder TU Delft in Nederland, naast tientallen andere technische universiteiten wereldwijd. Op commercieel vlak zijn Planet Labs en Spire Global (beide Verenigde Staten) toonaangevend in CubeSat-constellaties, terwijl gespecialiseerde bouwers zoals ISISPACE (Innovative Solutions In Space, gevestigd in Delft) en GomSpace (Denemarken) onderdelen en complete CubeSats leveren aan klanten over de hele wereld. Ook ruimtevaartagentschappen als het Japanse JAXA en het Indiase ISRO zijn actief met eigen CubeSat-programma's.