Problemen met atoomklokken Galileosatelliet

Elke Galileosatelliet heeft vier atoomklokken aan boord: twee standaard rubidiumklokken en twee nieuwe waterstofmaserklokken. Dat laatste type is nog nauwkeuriger en levert een plaatsbepaling op die zeker tien keer zo accuraat is als het huidige global positioning system (gps). Dat Amerikaanse netwerk zit er vaak zo’n 6 tot 10 meter naast. Met de Galileosatellieten zou die afwijking minder dan een meter moeten zijn. (Zie ”Hoe werkt plaatsbepaling met satellieten?”.)

Het Europese netwerk telt op dit moment achttien navigatiesatellieten die in drie verschillende banen op 23.222 kilometer hoogte rond de aarde draaien. Voor een optimale wereldwijde dekking is een netwerk van 26 satellieten nodig. De komende jaren zullen die resterende kunstmanen worden gelanceerd. De klokproblemen kunnen echter voor vertraging zorgen.

In totaal hebben negen atoomklokken het begeven: drie rubidiumklokken en zes van het waterstofmasertype, liet Woerner onlangs tijdens een ontmoeting met de pers weten. Doordat elke satelliet vier klokken aan boord heeft, zijn ze nog wel allemaal operationeel.

Dilemma

Dat de klokken het sneller dan verwacht begeven, stelt de ruimtevaartorganisatie voor de lastige keuze of ze de lancering van de volgende satellieten moet uitstellen tot de oorzaak is achterhaald en verholpen, of niet. „Je kunt zeggen: wacht tot er een oplossing is gevonden. Dan lopen we het risico dat de capaciteit van het Galileonetwerk afneemt wanneer er nog meer klokken uitvallen”, zei Woerner. „Als we de lancering door laten gaan, vergroten we de capaciteit of houden we deze in ieder geval op peil, maar lopen we het risico dat er een structureel probleem onopgelost blijft. Wat de beste aanpak is, is op dit moment nog onderwerp van gesprek.”

De Europese ruimtevaartorganisatie ESA liet weten dat het probleem met de rubidiumklokken kortsluiting lijkt te zijn. Een testprocedure door het grondstation is daar mogelijk de oorzaak van.

Aanpassingen

De atoomklokken zijn niet allemaal tegelijk in bedrijf, met als gevolg dat ze soms langere tijd uitgeschakeld zijn. ESA-technici vermoeden dat dit problemen oplevert bij de waterstofmasers. „Het lijkt erop dat dit type klok niet herstart wanneer hij langere tijd uitgeschakeld is geweest doordat er veranderingen optreden in de klok.”

Om verdere problemen met de klokken te voorkomen, heeft ESA de nodige wijzigen al doorgevoerd in de volgorde en de tijd dat de vier klokken actief zijn.

Wel is het waarschijnlijk nodig het ontwerp van de waterstofmasers aan te passen, zodat ze minder gevoelig worden voor problemen door uitschakeling van de klok. Of die wijzigingen al worden doorgevoerd bij de satellieten die in de loop van dit jaar op de lanceerlijst staan, is nog onderwerp van gesprek.

Afgelopen november stuurde ESA vier Galileosatellieten in één keer de ruimte in. Als het even kan, wil de Europese ruimtevaartorganisatie dit jaar nog eens een kwartet aan het netwerk toevoegen.

Onafhankelijk Europees netwerk

Weinig mensen zullen het zich kunnen voorstellen, maar het Amerikaanse gps en het Russische Glonass –beide van oorsprong militaire netwerken– kunnen voor burgergebruik worden uitgeschakeld. Dat betekent: geen werkend navigatiesysteem meer in de auto. En talloze apps op de smartphone die niet meer goed werken omdat ze locatiegegevens nodig hebben.

Die kwetsbaarheid was een belangrijke reden voor de Europese Unie (EU) om een eigen navigatienetwerk te realiseren. (China bouwt sinds 2000 aan zijn Bei Dounetwerk.)

Niet alleen moeten de Galileosatellieten een beter signaal geven dan gps, het netwerk zal ook meer signalen uitzenden over een breder frequentiegebied. ESA denkt daarmee behalve autonavigatie ook satellietbesturing van vliegtuigen, schepen en treinen te kunnen bieden. Of SOS-apparatuur die de locatie van in nood geraakte zeilboten of bergbeklimmers automatisch doorgeeft aan hulpdiensten.

Toen de EU-ministers in 2002 groen licht gaven voor Galileo, was de verwachting dat de eerste satellieten in 2006 zouden worden gelanceerd en dat het systeem in 2008 operationeel zou zijn.

In de praktijk lanceerde ESA eind 2005 de eerste proefsatelliet, in 2008 pas de tweede. De eerste Galileokunstmanen gingen pas in 2011 de ruimte in.

De toekomst van het Europese satellietnetwerk hing in 2007 aan een zijden draadje. Het bedrijfsleven, dat 2,4 miljard in het project zou steken, haakte begin dat jaar af. Pas eind 2007 besloot de Europese Unie 3,4 miljard euro beschikbaar te stellen voor de bouw van Galileo.

Op dit moment draaien achttien satellieten in een baan om de aarde. Niet alleen liep het project flinke vertraging op. Het kampt ook met forse kostenoverschrijdingen. Naar verwachting zullen de kosten voor het volledige netwerk van dertig satellieten uitkomen op zo’n 7 miljard euro, het dubbele van het bedrag dat de EU in 2007 beschikbaar stelde.

Hoe werkt plaatsbepaling met satellieten?

Eigenlijk meet een navigatiesysteem geen afstanden, maar tijdsverschillen. Vandaar dat deze satellieten uiterst precieze atoomklokken aan boord hebben.

De rubidiumklokken aan boord van de Galileosatellieten lopen hooguit tien nanoseconden per dag uit de pas. De waterstofmasers zijn nog preciezer: zij zijn nauwkeurig tot op een nanoseconde (één miljardste seconde) per 24 uur. Dat zou resulteren in een afwijking van één seconde in 2,7 miljoen jaar.

Een digitaal polshorloge wijkt ongeveer één seconde per dag af – een waterstofmaser is ongeveer 1 miljard keer zo nauwkeurig, rekent ESA voor.

Het radiobaken van de navigatiesatelliet verstuurt met regelmaat de positie en de tijd – op heel wat cijfers achter de komma nauwkeurig. De radiogolven reizen met de lichtsnelheid, een vaste snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde.

Pikt een navigatiesysteem op aarde het satellietsignaal op, dan kan dit op basis van het verschil tussen verzend- en ontvangsttijd berekenen hoe groot de afstand tot de satelliet is. Met het signaal van vier verschillende navigatiesatellieten valt de locatie overal op aarde tot op enkele meters, of zelfs centimeters, vast te stellen.

Problemen met atoomklokken Galileosatelliet

Wetenschap & techniek

RD.nl in uw mailbox?