Bedrijven versturen signaal naar satelliet met sensor op plantenenergie

Bedrijven Plant-e en Lacuna Space hebben samen een sensor ontwikkeld die volledig werkt op plantenenergie. Deze sensor heeft succesvol een signaal verstuurd naar een satelliet in lage aardbaan. Het project wordt ondersteund door ESA.

De set-up van beide bedrijven verstuurde op 20 november 2019 succesvol een eerste bericht, dat maakten de bedrijven dinsdag bekend. Hiervoor werd nog wel een aardse verbinding gebruikt. Hierna werd de gehele set-up naar het dak van een kantoor verplaatst. Op 21 november om 9:00 uur 's ochtends kwam het eerste signaal succesvol via een satelliet in lage aardbaan binnen.

De sensor van Lacuna Space en Plant-E verbruikt bij het versturen van het bericht via een antenne op aarde zo’n 0,075mW. Bij het versturen van een satellietbericht is dit ongeveer 0,138mW. Tegelijkertijd kon de plantenenergie voldoende energie leveren om iedere drie uur berichten via aardse netwerken te versturen.

De sensor is vooralsnog een proof-of-concept, en is momenteel dus nog niet bedoeld voor grootschalig gebruik. Volgens de twee bedrijven moet het systeem op termijn de kosten, onderhoudskosten, en de invloed op het milieu van iot-apparaten verminderen. De sensor kan bijvoorbeeld gebruikt worden in de landbouw, in rijstvelden, of op andere gebieden met veel water in de grond, zonder dat daar externe stroombronnen voor nodig zijn.

Lacuna Space maakte voorheen al sensoren voor iot-apparaten die signalen naar cubesats kunnen versturen, maar deze hadden een batterij nodig. Het bedrijf heeft nu echter een samenwerking gestart met het Wageningse Plant-e. Plant-e produceert een zogeheten plant microbial fuel cell, ook wel een p-mfc, waarmee de energie die levende planten uitstoten, wordt omgezet in bruikbare elektriciteit.

Planten produceren door zonlicht organische materie. Een deel van deze materie wordt door de plant zelf gebruikt voor groei, maar niet alles. De rest wordt uitgestoten vanuit de wortels. Deze restmaterie wordt door omliggende bacteriën afgebroken, waarbij elektronen en protonen vrijkomen. De elektronen worden opgevangen door een anode van Plant-e, waarna ze door de bedrading stromen en functioneren als bruikbare elektriciteit. Hiervoor is ook een kathode nodig, een positieve pool; daar komen de protonen terecht. Energie blijft op deze manier door de draad circuleren. Als eindresultaat levert dit CO₂-negatieve elektriciteit op, omdat de plant blijft groeien en dus tegelijkertijd CO₂ opslaat.

De set-up van Plant-e en Lacuna Space bestaat uit een plantenbak met temperatuursensor, een p-mfc, een energy harvester, een supercondensator voor de opslag van reserve-energie, en een Lacuna-sensor die signalen verstuurt naar een cubesat van Lacuna of een antenne op de aarde, mits deze dichtbij genoeg is. De resulterende data kan via de satelliet bij een grondstation verstuurd worden naar een webinterface. Zo gebruikt Lacuna Space momenteel Slack.

Lacuna Space maakt gebruik van sensoren die via LoRaWAN data verzenden. LoRaWAN is een media-access-protocol voor wide-area networks. Het is volledig opensource en kan zonder licenties gebruikt worden, waardoor iedereen een eigen netwerk met LoRaWAN kan opzetten. LoRaWAN maakt gebruik van kanalen met een bandbreedte van 125kHz, 250kHz of 500kHz, afhankelijk van de regio of het frequentieplan. Het netwerk maakt in ieder geval altijd gebruik van de licensievrije sub-GHz-radiofrequenties. In Europa werkt het netwerk op de 868MHz-frequentie. De communicatie wordt versleuteld met 128bits aes-encryptie. LoRaWAN vergt erg weinig stroom, en heeft bovendien een bereik van enkele kilometers. Dit maakt het volgens Lacuna Space erg geschikt voor het verzenden van data tussen verschillende iot-apparaten.

Momenteel heeft Lacuna een enkele satelliet in lage aardbaan. Het gaat hierbij om een compacte cubesat, die een ontvanger als payload heeft. Deze ontvanger kan zeer zwakke signalen van iot-apparaten opvangen, waardoor data over de hele wereld verzonden kan worden. Deze satelliet van Lacuna zit op een hoogte van ongeveer 500km.

Volgens Lacuna is het dekken van de aarde al met een enkele satelliet mogelijk: de satelliet komt over de sensor, waarna data binnenkomt op de ontvanger. De satelliet draait vervolgens om de aarde, terwijl de aarde zelf ook draait. Hierdoor kan de satelliet de complete aarde van connectiviteit voorzien, met als kanttekening dat dit niet in realtime is. De satelliet kan alleen data versturen wanneer het in de buurt van een grondstation op de aarde is. De satelliet kan dan ook maximaal twee keer per dag een signaal overbrengen, met dus tot maximaal 12 uur wachttijd. Overigens is dit met meer satellieten wel schaalbaar. Dit jaar wil Lacuna nog drie satellieten lanceren. Mits deze ieder op het juiste moment worden gelanceerd, kan de wachttijd bijvoorbeeld verlaagd worden naar maximaal drie uur.