OD 95

DOOR H.E.E. VAN ASBECK
M. DE VISSER

Van 1973 tot 1999 exploiteerde de tu delft, ten behoeve van de faculteit Geodesie, in Kootwijk (Gld.) een observatorium voor satellietgeodesie. Wat deden Delftse ingenieurs op deze buitenpost van de tu? Welke bijdrage heeft het observatorium in die periode aan de geodesie geleverd?
Een verhaal over de jacht naar steeds grotere nauwkeurigheid.

In het depot van het Techniek Museum Delft staan twee raadselachtige instrumenten. Tussen de stoommachines, gasmotoren, turbines en de onderdelen van een vergeten torenuurwerk, vallen deze instrumenten vooral op door hun relatieve ‘nieuwheid’. Een willekeurige leek ziet ze waarschijnlijk aan voor telescopen, om de een of andere duistere reden plotseling overbodig geworden. De meterslange, aan assen hangende cilinders lijken ontworpen voor één taak: het richten van hun lenzen naar boven, naar een doel dat weinig met het aardoppervlak te maken heeft. Niets is minder waar, zo blijkt uit een gesprek met Danny van Loon, geodeet van de faculteit Geodesie te Delft. De instrumenten stonden weliswaar op de hemel gericht, maar hun onderzoeksdoel was de aarde. Het ene is een Bouwers Maksutov camera, het andere een laserafstandmeter. Ze zijn zo’n tien jaar lang gebruikt door de afdeling Geodesie in het streven de aarde zo precies mogelijk op te meten.

Verbetering van het driehoeksnet
Het meten van een afstand op het aardoppervlak, vooral in hobbelig landschap is niet eenvoudig. Vanaf de pogingen van de eerste landmeetkundigen zijn er heel wat methoden, met wisselend succes, de revue gepasseerd. Een echte doorbraak was het principe van de driehoeksmeting, in het begin van de 17de eeuw.
Daarbij werd gebruik gemaakt van de eigenschap, dat wanneer van een driehoek twee hoeken en één zijde bekend zijn, de beide andere zijden berekend kunnen worden. Die ene zijde, de basis, moet uiterst nauwkeurig liefst over een recht traject gemeten worden. De hoeken konden met behulp van een geodetisch instrument, de theodoliet, eenvoudig worden gemeten. Eerst werd een aantal hoge punten uitgezocht die in elkaars zicht lagen. In het vlakke Nederland waren kerktorens de meest voor de hand liggende keuze. Tussen drie kerktorens kon een denkbeeldige driehoek gelegd worden. Door toevoeging van een vierde referentiepunt kon er een aansluitende driehoek bij gevormd worden.
Door steeds referentiepunten toe te voegen, ontstond een netwerk van driehoeken. Bij deze methode werden grotere afstanden afgeleid uit de afstanden in vele kleine driehoeken. Men werkte van klein naar groot. Door optelling van de onvermijdelijke fouten, leidde dit aan de randen van het driehoeksnet tot onnauwkeurigheden. Voor de lengte van een land als Nederland was een onnauwkeurigheid van zo’n 100 meter niet ongewoon.
Eeuwenlang bleef driehoeksmeting, weliswaar in steeds verbeterde vorm, de meest geavanceerde methode om de aarde op te meten. Pas in de 20e eeuw werd het mogelijk om de driehoeksnetten van verschillende landen over de oceanen heen te koppelen.

Landmeten vanuit de ruimte
Toen de Spoetnik in 1957 als eerste satelliet zijn baantjes om de aarde trok, kreeg het instrumentarium van de landmeetkundige er een dimensie bij. Met behulp van een satelliet konden driehoeken naar een punt in de ruimte geconstrueerd worden die de uiterste punten van een driehoeksnet op het aardoppervlak in één klap met elkaar verbonden. Nu werd het mogelijk om van grote naar kleinere driehoeken te werken, een volgorde waarmee de nauwkeurigheid aanzienlijk verbeterde.
De driehoeksnetten die verschillende landen in de loop der tijd hadden opgezet sloten in de grensgebieden niet altijd even goed op elkaar aan. Satellietgeodesie maakte het mogelijk de basispunten van elk van die netten, die vaak honderden kilometers van elkaar lagen, onderling met elkaar in verband te brengen.

Tegen de achtergrond van de sterren
In 1961, zo’n vier jaar na de Spoetnik, begonnen de Delftse landmeetkundigen met satellieten te werken. Bovenop het gebouw van Werktuigbouwkunde, de tegenwoordige faculteit ocp, stond een koepeltje met een astronomische camera. Hiermee werden zowel actieve als passieve satellieten tegen de achtergrond van de sterrenhemel gefotografeerd. Actieve satellieten, zoals geos 1 en 2, gaven om de zoveel seconden een lichtsignaal af. Een passieve satelliet, bijvoorbeeld de lageos, was voorzien van reflectoren. Vijf jaar later nam de afdeling Geodesie deel aan internationale campagnes van satellietdriehoeksmeting. Observatoria in verschillende landen fotografeerden op exact hetzelfde moment dezelfde satelliet. Elk van die observatoria zag de satelliet tegen de achtergrond van een ander stukje sterrenhemel. Door naderhand de foto’s te analyseren kon men de hoeken bepalen waaronder die observatoria de satelliet hadden gezien, en daarmee de richting van de lijn die de beide observatoria verbindt.

Rond 1967 ontstond het idee voor het verplaatsen van de activiteiten naar een nieuw te bouwen observatorium in de buurt van Kootwijk, dat zou worden opgenomen in het Nederlandse driehoeksnet.
In de praktijk van de driehoeksmeting kwam het er op neer zo nauwkeurig mogelijk de plaats van het op te zetten satellietobservatorium te bepalen ten opzichte van soortgelijke observatoria in andere delen van de wereld.

De locatie moest aan de volgende criteria voldoen:

> de plaats moest op z’n minst een aantal kilometers verwijderd zijn van bewoond gebied of drukke wegen, om verstoring door kunstlicht te voorkomen;
> de reistijd naar Delft moest redelijk zijn, maximaal 1 tot 2 uur met de auto;
> vanaf het observatorium diende er een goed overzicht te zijn op het omringende terrein, om satellieten te kunnen observeren die zich tot 20° boven de horizon bevonden;
> de lucht moest er aanzienlijk schoner zijn dan in het randstedelijke Delft; door de vereiste grote precisie van de metingen, mochten er zo weinig mogelijk trillingen voorkomen, veroorzaakt door verkeer, bovendien moest de plaats voldoende beschut zijn tegen wind;
> de onderzoekers moesten ervan uit kunnen gaan dat al deze gunstige eigenschappen ook op langere termijn zo bleven bestaan.

Een voordeel was dat van bepaalde voorzieningen van het daar reeds gevestigde radiostation gebruik gemaakt kon worden.
Er waren bij de opzet van het meetstation nog meer voorwaarden die een rol speelden.
Kootwijk zou niet alleen als oefenterrein fungeren voor studenten geodesie, er was ook een duidelijke behoefte de faculteit mee te laten spelen in een internationaal samenwerkingsverband van overeenkomstige instituten. In zijn hoogtijdagen werkte het observatorium samen met de nasa, het Institut für Angewandte Geodäsie en het Agenzia Spatiale Italia. Tot 1976 werd deel genomen aan de internationale campagnes voor driehoeksmeting.
In 1969 werd het waarnemingsstation van Delft nog tijdelijk verplaatst naar de vliegbasis Ypenburg en in mei 1972 gaf het ministerie van Onderwijs het groene licht voor de bouw van het nieuwe observatorium. Het stervormige gebouw, gelegen in de bossen bij Kootwijkerzand, heeft drie miljoen gulden gekost en kon na anderhalf jaar in gebruik genomen worden. Een gedeelte van het personeel kon worden aangetrokken uit de omgeving. Ondanks de acceptabele reistijd, besloot het merendeel van de Delftse technici naar Apeldoorn te verhuizen. Om toch het noodzakelijke contact met de afdeling Geodesie in stand te houden, werd regelmatig op en neer gereisd tussen Delft en het observatorium in Kootwijk.

Satellite Laser Ranging
Nog nauwkeuriger dan het fotograferen van satellieten tegen de achtergrond van een bepaalde stand van de sterren, was de inmiddels in Frankrijk en de Verenigde Staten ontwikkelde techniek van Satellite Laser Ranging (slr). Op een exact afgesproken tijdstip schoten de onderzoekers, vanaf ten minste twee punten op aarde, een puls laserlicht naar een satelliet. Reflectoren op de satelliet, die elk bestaan uit drie loodrecht op elkaar staande spiegels, kaatsten de lichtstraal in precies dezelfde richting terug naar de aarde, waar het licht werd opgevangen door een telescoop. Uit de tijd die het licht onderweg was leidde men af hoe ver de satelliet op dat moment van het uitzendende station verwijderd was. Drie zulke metingen, vlak na elkaar uitgevoerd, leverden in combinatie met de baangegevens van de satelliet de afstand tussen de beide stations op, ook al stonden die op verschillende continenten.
De afwijking in de afstandmeting tot de satelliet werd met dit apparaat teruggebracht tot zo’n 5 cm. Een dergelijke mate van precisie bood de nieuwe mogelijkheid het uiteendrijven der continenten daadwerkelijk te meten. Door de afstanden tot de geos satelliet te meten kon ook de vorm van het zwaartekrachtveld van de aarde nader bepaald worden. Immers de baan van de satelliet wordt beïnvloed door de verdeling van de massa in de aarde.

Samenwerking
Het in de praktijk toepassen van de Satellite Laser Ranging bracht een aantal problemen met zich mee. Met een ander observatorium moest een tijdstip worden afgesproken voor de laserpuls. Om dit zo nauwkeurig mogelijk te kunnen doen, beschikte het observatorium Kootwijk over een rubidium frequentiestandaard die dagelijks met de nationale tijdstandaard in het Van Swinden Laboratorium werd gesynchroniseerd. Als er een tijdstip bekend was, moest het observatorium om toestemming vragen aan de Rijksluchtvaartdienst. De mogelijkheid bestond dat bemanning en passagiers van passerende vliegtuigen door de laser oogletsel zouden kunnen oplopen. Om dit te voorkomen ontwierp men een speciaal vliegtuig detectiesysteem, waarmee in een ruime kegel rondom de laserstraal kon worden gekeken of er een vliegtuig aankwam. Als dat gebeurde, werd de laser gestopt.
Aanvankelijk zag de afdeling Geodesie de satellietmetingen als een zuiver geometrische activiteit. Daardoor was het noodzakelijk de waarnemingen van de beide stations precies gelijktijdig te laten plaatsvinden. Omdat dit in de praktijk vaak niet haalbaar bleek, wendde men zich in 1975 tot de faculteit Luchtvaart en Ruimtevaarttechniek. De afdeling Orbital Mechanics onder leiding van prof. Ir. K.F. Wakker, de huidige rector-magnificus van de tu delft, bleek in staat te zijn de lengte van de baan die de satelliet tussen de verschillende opnames door aflegde, te berekenen. Deze vindingrijkheid bleef niet onopgemerkt; de onderzoekers van Kootwijk verwierven al snel de kwalificatie ‘het onderzoeksteam par excellence’.

Aanvullende techniek
De eerste generatie vast opgestelde laserafstandmeters stond vooral opgesteld in geïndustrialiseerde landen. Deze maakte het mogelijk de metingen van het aardoppervlak met steeds grotere precisie uit te voeren. Verbeteringen op het gebied van lasers en de techniek van lichtdetectie maakten een mobiele laserafstandmeter mogelijk. In 1985 bouwde de Technisch Physische Dienst van tno, in opdracht van de afdeling Geodesie, een opvolger van de vaste laserafstandmeter. De nieuwe mobiele meter werd vooral gebruikt rond de Middellandse Zee, een gebied waar de aardkorst veel meer in beweging is dan in Nederland.
Inmiddels had de invoering van het Global Positioning System (gps), waarmee de positie op aarde tot op enkele millimeters kan worden bepaald, ingang gevonden. In 1990 werd een door nasa ontwikkelde gps-ontvanger in het observatorium Kootwijk geplaatst. Deze ontvanger kon tegelijkertijd acht satellieten volgen en maakte deel uit van een wereldwijd netwerk van volgstations. De nauwkeurigheid van het gps-systeem staat of valt met de nauwkeurigheid waarmee de banen van de gps-satellieten bekend zijn. Door de onregelmatige vorm van dat soort satellieten worden hun banen onvoorspelbaar beïnvloed door de zonnewind. De gladde satellieten die voor laserafstandmeting worden gebruikt hebben een beter voorspelbare baan. De laserafstandmeting kan daardoor de ijkgegevens opleveren voor de positie van Kootwijk waarmee de plaatsgegevens, verkregen uit het gps-systeem, vergeleken kunnen worden. Hiermee draagt het laserafstandmeten bij aan de nauwkeurigheid van het gps-systeem.
In 1990 was de rol van het observatorium Kootwijk toch uitgespeeld. De afdeling Geodesie heeft haar mobiele laserafstandmeter, als die niet elders in de wereld in gebruik is, opgesteld op het terrein van de radiotelescoop in Westerbork. Radiotelescopen op verschillende plekken op de wereld kunnen hun onderlinge posities tot op enkele millimeters nauwkeurig bepalen. Zij doen dit door de radiogolven van dezelfde quasar waar te nemen en leggen daarmee hun positie vast ten opzichte van de sterren. De laserafstandmeting is de enige methode om de positie te bepalen ten opzichte van het massacentrum van de aarde. De beide methodes vullen elkaar hiermee aan. De laserafstandmeter kan via internet vanuit de faculteit in Delft bediend worden. Westerbork is nu een referentiepunt voor het Nederlandse driehoeksnet. Het observatorium in Kootwijk staat nu leeg, het personeel is terug in Delft. De twee mysterieuze instrumenten zijn ook terug in Delft. De Bouwers Maksutov camera en de laserafstandmeter maken nu onderdeel uit van de collectie van het Techniek Museum Delft. Hun precieze positie doet er niet meer toe, maar ze zijn nog steeds gemakkelijk te herkennen.

H.E.E. van Asbeck (54) studeerde elektrotechniek aan
de TU Delft. Sinds 1978 was hij verbonden aan het
voormalige Technisch Tentoonstellingscentrum van de TU Delft. Vanaf 1993 is hij conservator van het Techniek Museum Delft.

Drs. M. de Visser (39) studeerde maatschappijgeschiedenis aan de Erasmus Universiteit in Rotterdam.
Hij publiceerde in 1998 een boek over de geschiedenis
van overzetveren. Sinds 1999 is hij medewerker beheer en behoud van het Techniek Museum Delft.

Literatuur
- William H. Havens, Karel F. Wakker e.a.(1974) Description
of the Satellite Ranging Station at Kootwijk, Delft, TPD TNO-TH Delft, TH Delft, niet uitgegeven.
- Th.J. Poelstra (1974) A New Satellite Observatory at Kootwijk, Delft, Rijkscommissie voor Geodesie.
- William H. Havens e.a. (1975) A Design Description of the Satellite Ranging Station at Kootwijk, Acta Astronautica
Vol 2, pp. 891-895
- Ir. H. Visser e.a. (1976) Meting van de afstand tot satellieten met laserpulsen, Ned. Tijdschrift voor Natuurkunde Vol 12
- Position on Kootwijk, The Role of the Observatory for Satellite Geodesy at Kootwijk in the Nineties, Delft, Faculteit der Geodesie, 1990
- H.C. Pouls (1997) De landmeter van de Romeinse tot de Franse tijd, Alphen a/d Rijn, Samsom.

Oude Delft nummer 95 is een markant punt in de geschiedenis van wat inmiddels is uitgegroeid tot de Technische Universiteit Delft.
od 95, zoals de locatie al snel heette, was het oorspronkelijke Delftse academiegebouw dat werd betrokken nadat koning Willem II in 1842 het startsein gaf tot de oprichting in Nederland van een ‘Koninklijke Akademie ter opleiding van Burgerlijke Ingenieurs zoo voor ’s Lands Dienst als voor de Nijverheid en van Kweekelingen voor den Handel’.