Het alziend oog van Sciamachy

Sciamachy is een ingenieus instrument om vanuit de ruimte sporen van ozon en broeikasgassen in de aardatmosfeer met ijzingwekkende nauwkeurigheid te meten.

Sky magic. Zo noemt atmosferisch chemicus en Nobelprijswinnaar prof.dr. Paul Crutzen het nieuwe Nederlands-Duitse ozonmeetinstrument Sciamachy. Sciamachy is een acroniem voor Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography. Het gaat om een geavanceerde spectrometer, die naast ozon ook andere broeikasgassen in de atmosfeer zal opsporen, zoals stikstofoxiden, kooldioxide, koolmonoxide, zuurstof, waterdamp, methaan, broomoxide, zwaveldioxide en aërosolen. Het wordt gebruikt voor metingen aan het gat in de ozonlaag en aan de bewolking op aarde.

Het bestaande ozoninstrumentarium was nogal verouderd. Het nieuwe instrument werkt met een ijzingwekkende nauwkeurigheid, waar je je als buitenstaander haast geen voorstelling van kunt maken. In 1999 vliegt Sciamachy mee aan boord van de Europese milieusatelliet Envisat. Gasmoleculen in de aardatmosfeer zullen straks vanuit de ruimte worden aangetoond tot in concentraties van vijf deeltjes per biljoen (10). Klimaatonderzoekers hebben deze gegevens hard nodig.

De grote voordelen van aardonderzoek per satelliet zijn de wereldwijde dekking, de herhaalbaarheid van de metingen en de betrouwbaarheid, ook over langere perioden. Gezien het grote maatschappelijke belang van het aardatmosfeer onderzoek heeft TNO-Technische Physische Dienst (TNO-TPD) in Delft in sneltreinvaart al een kleiner broertje van Sciamachy gebouwd voor een ander aardobservatieproject: het Global Ozon Monitoring Experiment (GOME). Dat werd in 1995 gelanceerd aan boord van de ESA-satelliet ERS-2. De satelliet volgt een polaire baan om de aarde op zo'n 900 kilometer hoogte en de ozondetector aan boord bouwt, net als Sciamachy straks, een wereldomvattend beeld op van de aardatmosfeer. De Envisatsatelliet passeert in zijn omloopbaan iedere 72 uur hetzelfde stukje aarde en kan dus ook snelle veranderingen registreren.

Het ozononderzoek richt zich zowel op de troposfeer als op de stratosfeer. Onder de troposfeer verstaan we de aardatmosfeer tot 12 kilometer boven de aarde. Hierin speelt zich het weer af. Men meet hier vooral gassen die het gevolg zijn van menselijke activiteit op aarde, zoals industriële emissies, het verbranden van biomassa, bosbranden en stofwolken. In de stratosfeer (dat zijn de hogere luchtlagen op 12 tot circa 50 kilometer boven de aarde) bevindt zich de ozonlaag, die ons beschermt tegen schadelijke uv-straling afkomstig van de zon. In de stratosfeer komen stoffen terecht die bijdragen aan het afbreken van de ozonlaag, zoals stikstofoxiden (uit uitlaatgassen van vliegtuigen) en chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's)

Sciamachy analyseert de gassen in de atmosfeer door het zonlicht te meten over een zeer breed spectrum. 'Wit' licht bevat in werkelijkheid alle kleuren van de regenboog. Als het zonlicht op de dampkring schijnt, absorberen de moleculen van ieder gas een aantal specifieke kleuren uit dat spectrum. Na passage van het licht zijn die kleuren uit het spectrum verdwenen, wat met een absorptiespectrometer is te zien.

Om een scala van verschillende broeikasgassen te kunnen meten wordt het zonlicht bekeken over een breed spectrum met een golflengte van 240 tot 2385 nanometer, uiteenlopend van onzichtbaar ultraviolet via zichtbaar licht tot onzichtbaar infrarood.

Hoe verder het spectrum wordt uitvergroot, hoe groter en zwaarder het instrument. Maar in de ruimtevaart moet alles juist klein en licht zijn. Bovendien moet het instrument, eenmaal in de ruimte, jarenlang betrouwbaar blijven meten. Een verschuiving van een honderdste millimeter kan de metingen al bederven. Bovendien zal het gevoelige meetinstrument ongetwijfeld zware opdoffers oplopen tijdens de lancering van de satelliet. Om nog maar te zwijgen van de extreme temperatuurverschillen waaraan het wordt blootgesteld buiten de dampkring. Dat alles betekent een uitdaging voor de ontwerpers.

Het optisch systeem en het koelsysteem worden in Nederland ontwikkeld, terwijl de Duitse collega's het systeem voor besturing, de gegevensverwerking en de telemetrie voor hun rekening nemen.

Vorige week maandag gaf het consortium van Nederlandse bouwers - Fokker Space, de Stichting Ruimteonderzoek Nederland (SRON) en TNO-Technisch Physische Dienst-TU Delft - bij de Space Expo in Noordwijk een toelichting op de stand van zaken. Ongelukkigerwijs viel deze feestelijke bijeenkomst, die maanden tevoren was gepland, precies samen met de aankondiging dat Daimler Benz zijn handen aftrekt van Fokker. Een behoorlijke domper voor de collega's van Fokker Space in Leiden, ook al is deze tak van de vliegtuigenfabriek sinds kort verzelfstandigd.

Het optische en mechanische deel van de complexe spectrometer wordt gebouwd door TNO-TPD, die een wereldreputatie heeft op dit terrein. De optische onderdelen worden ondergebracht in een aluminium behuizing. Met twee scanspiegels kan Sciamachy in verschillende richtingen de atmosfeer aftasten. Via een telescoop bereikt het zonlicht uit de atmosfeer een prisma. Daar wordt het gesplitst in acht verschillende subspectra, ieder met een eigen kleurgebied, en naar de detectoren geleid. In de detectoren worden de stralingsmetingen vertaald in elektrische signalen, die vervolgens verder worden verwerkt in het elektronische gedeelte van het instrument. Van daaruit worden de gegevens naar de aarde verstuurd. Om het instrument klein te houden zit het vol met spiegels, die de lichtbundels 'opvouwen'.

Om de minieme hoeveelheden sporegassen en de nog kleinere schommelingen die in hun concentraties optreden goed te kunnen meten, moeten de metingen uiterst nauwkeurig zijn. TNO-TPD beschikt over speciale faciliteiten om ruimtevaartinstrumenten te kalibreren (ijken). Dat moet zowel van te voren, dus 'aan de grond', als tijdens de gehele ruimtevlucht voortdurend gebeuren. Sciamachy kan zichzelf voortdurend corrigeren, gebruikmakend van een lamp die een lichtbundel genereert met exact bekende samenstelling. Ook bij elke zonsopgang kan het systeem zichzelf opnieuw afregelen, gebruikmakend van het licht van zon en maan.

Om zo min mogelijk ruis in de metingen te krijgen moet men de detectoren op de juiste temperatuur houden. Terwijl de omgevingstemperatuur varieert van 120 ß8C tot -100 ß8C moeten de detectoren toch op exact -20 ß8C blijven, en de spectrometer op 20 ß8C. Het feit dat de ESA het meetinstrument in de satelliet een plaatsje heeft toegedacht dichtbij de radardetectoren, die veel hitte afgeven, vormt een extra complicatie. Fokker Space heeft een koelsysteem ontworpen dat de hitte van de detectoren afvoert naar de ruimte. Het gaat om passieve cryogene koeling, een technologie die het mogelijk maakt om extreem lage temperaturen te bereiken. Een grote koelplaat, die op de zwarte koude hemel is gericht, en door uitstraling zeer koud kan worden, net als de aarde in een heldere vriesnacht. Deze kou wordt via een met gas gevulde buis naar de detectoren geleid. Het gas condenseert tot een vloeistof, die warmte aan de infrarooddetectoren onttrekt.

De verschillende onderdelen van het instrument worden grondig gereinigd in een zogeheten Clean Room, die schoner is dan een operatiekamer in een ziekenhuis. Op een triltafel, die de effecten van de lancering nabootsen wordt het meetinstrument getest. In de loop van 1997 worden alle onderdelen bij Fokker Space samengebouwd. Daarna volgen nog meer testen, tot Sciamachy in 1999 de lucht in gaat.

    • Marion de Boo