Europæisk satellit mellemlander i Lyngby

En europæisk satellit er netop landet i Lyngby – eller i det mindste størstedelen af en europæisk satellit. Mandag d. 29. maj ankom den 150 kg tunge såkaldte hub, som udgør kernen af den europæiske rumfartsorganisation ESA’s kommende satellit, der skal bestemme jordens vandholdighed og havenes saltholdighed, til Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

På hub’en sidder en række små antenner. I et særligt radiodødt rum skal forskere på instituttet Ørsted-DTU gennem de kommende uger måle meget præcist, hvordan hver enkelt antenne modtager signaler. Vel at mærke er der ikke tale om kopier af hub’en og antenner, men om de faktiske dele, der skal sendes op i rummet til næste år.

”Vi har modtaget mange antenner fra ESA til karakterisering gennem årene, men dette projekt slår alt. Både fordi kravene til nøjagtighed er særdeles høje, og fordi det er nødvendigt at hente så stor en del af satellitten til Danmark. Det siger måske lidt om omfanget af opgaven, at vi har været nødt til at tegne forsikringer for en samlet sum op til 120 millioner kr. for at kunne tage imod satellitdelene”, fortæller professor Olav Breinbjerg, leder af laboratoriet, der har været støttet af ESA siden midten af 1970’erne og derfor har både DTU og ESA i sit navn: DTU-ESA Spherical Near-Field Antenna Test Facility.

Mikrobølger sladrer om vand i jord

Satellitten, der planlagt til opsendelse i november 2007, får navnet SMOS. Det står for Soil Moisture and Ocean Salinity. Eller på dansk jordens fugtighed og havenes saltholdighed.

Fugtighed i jordbunden udgør kun en lille del af klodens samlede vandbeholdning. Men i modsætning til de andre former for vand er vores viden om mængden af vand i jorden særdeles mangelfuld. Det er en parameter, man i dag forsøger at gætte sig til, når man laver klimamodeller. Med andre ord er det vigtigste formål med SMOS at fjerne den største usikkerhed, som i dag tynger forudsigelserne om klimaet og om ekstreme vejrfænomener som orkaner og oversvømmelser.

Ideen til SMOS er inspireret af de metoder, som astronomerne har udviklet til at studere en speciel form fra stråling fra det ydre rum. I 1964 blev det opdaget, at alle dele af himlen sender stråling ned til os. Ca. en procent af den støj, som et almindeligt tv, der ikke er indstillet på en bestemt kanal, modtager, skyldes denne stråling, som kaldes den kosmiske baggrundsstråling. Det er stråling med lav energi – det vil sige lav frekvens – og dermed lang bølgelængde. Meget længere end for eksempel synligt lys. Stråling af denne type kaldes mikrobølgestråling.

På grund af den lange bølgelængde er man som udgangspunkt nødt til at have store antenner for at kunne studere mikrobølgestråling. Radioastronomerne har imidlertid fundet på en smart metode. Ved at køre målinger fra forskellige teleskoper, der står langt fra hinanden, sammen, kan man studere stråling med større bølgelængder, end det enkelte teleskop ellers ville være i stand til at måle på. Det kaldes interferometrisk databehandling.

For ca. tyve år siden opstod ideen om, at man også kunne udnytte mikrobølgestråling til at få informationer om Jorden. Alt stof udsender en smule mikrobølgestråling. De elektriske egenskaber af jord og vand er markant forskellige, så derfor sladrer mikrobølgestrålingen om forholdet mellem jord og vand i jordoverfladen. Problemet har tidligere været, at det ville være særdeles dyrt – og indtil for nyligt også teknisk umuligt – at opsende så stor en antenne, som skulle til for at måle denne type mikrobølgestråling. Antennen skulle være godt 8 meter i diameter. Men ved at bruge interferometrisk databehandling kan man i stedet forsyne SMOS med 69 små antenner på 3 slanke arme, der er orienteret som et stort Y. Det gør projektet både økonomisk og teknisk langt mere robust, da armene er relativt lette at folde sammen under opsendelsen.

Splittet op i fire dele

Så langt så godt. Problemet er imidlertid, at ved enhver type antenne er man nødt til at vide, hvad antennesystemet gør ved det signal, det modtager. Der findes ikke ”neutrale” antenner, så man er altid nødt til at trække antennesystemets indflydelse fra, inden man kan begynde at behandle de data, man har modtaget. SMOS skal registrere meget små forskelle i den stråling, som antennerne modtager. Derfor er man nødt til at have ekstremt godt kendskab til hver eneste af de 69 antenner ombord.

”Man kunne tro, at 69 antenner fremstillet helt på samme måde ville være ”ens”, men for det første er de ikke helt ens, og for det andet opfører strålingen sig anderledes, afhængigt af, om den rammer en antenne, der sidder tæt ved midten af satellitten eller længst ude på armene. Det har noget at gøre med, at den enkelte antenne ikke kun modtager ”sin egen” stråling, men også lidt af den stråling, der reflekteres fra naboantennerne og satellittens struktur”, forklarer Olav Breinbjerg.

Ideelt set skulle man derfor anbringe hele satellitten i det radiodøde rum og derefter måle på hver enkelt antenne. Men for det første er der ikke plads til hele satellitten – så store radiodøde rum findes simpelthen ikke noget sted. Og for det andet ville det medføre enorme tekniske vanskeligheder, fordi man ikke blot skal anbringe strukturen i det radiodøde rum, man skal også rotere den for at måle, hvordan antennerne opfanger stråling fra forskellige vinkler. Løsningen blev at splitte satellitten op i fire dele. De tre første – armene – har allerede været gennem undersøgelserne i Lyngby. Nu mangler så den centrale del – hub’en – som måles sammen med det inderste af armene.

Formelt har DTU-faciliteten ikke kontrakt direkte med ESA, men med det spanske firma EADS Casa, som er hovedleverandør af satellitten.

Facilitet i verdensklasse

For at kunne løfte projektet har faciliteten på DTU været nødt til at lave en række investeringer både i hardware og software. Den største og også mest synlige ændring består i, at det ene af laboratoriets to ”tårne” er skiftet ud. Det første tårn er det, hvor antennerne – og i dette tilfælde hele satellitdelen – anbringes på, mens det andet rummer en såkaldt probe, der udsender det signal, som antennerne modtager.

”Det nye probetårn kan tåle, at man anbringer en vægt på op til 50 kg i toppen, og alligevel vil det svaje mindre end 1/10 mm. Samtidig har vi fået en særlig probe bygget – i øvrigt hos den danske virksomhed TICRA – og vi har forbedret placeringen af absorbenter i rummet yderligere”, fortæller DTU-professoren.

Absorbenterne er pyramideformede, sorte strukturer, der beklæder alle overflader i rummet med det formål at opfange enhver form for stråling, så antennen kun modtager det rene signal fra proben og ikke alle mulige reflekterede signaler.

”Selvom vores absorbenter er gode, må vi erkende, at det fuldstændigt radiodøde rum findes ikke. Det vil altid komme en lille smule reflekteret stråling. Derfor har vi lavet en karakterisering af selve faciliteten, så vi kan korrigere for dette også. Alt i alt kan vi derfor sige, at SMOS-projektet på mange måder har løftet vores facilitet. I forvejen var den i verdensklasse, og nu er den endnu bedre”, siger Olav Breinbjerg.

Målingerne i Lyngby vil – hvis alt går vel – kunne afsluttes i løbet af juni måned.