OSCAR-QUBE en OSCAR-QUBE+: kwantumtechnologie als nieuw academisch erfgoed

De OSCAR-reis begon in het academiejaar 2015-2016 en groeide in het voorbije decennium uit tot een studentgedreven ecosysteem waarin educatie, onderzoek en technologische ontwikkeling samenkomen in een missiegerichte aanpak. Dankzij de interdisciplinaire samenwerking tussen studenten met uiteenlopende achtergronden - met steun van UHasselt, onderzoekers van IUMAT (het vroegere imo-imomec) en partners zoals ESA en de ruimtevaartindustrie - kon het team de stap zetten van concepten en labo-ideeën naar echte, volledig operationele ruimte-experimenten. Mijlpalen zoals OSCAR-QUBE en OSCAR-QUBE+, twee diamantgebaseerde kwantummagnetometers die in de ruimte werden ingezet, tonen hoe ver jonge, gemotiveerde mensen het samen kunnen brengen wanneer talent, begeleiding en ambitie elkaar versterken.

Wat is een diamant-kwantumsensor?

In het hart van de sensor zit een kunstmatige diamant met zogenaamde NV-centra (stikstof-leegte-defecten). Deze microscopische defecten gedragen zich als kwantumsensoren: ze functioneren als uiterst kleine magnetische veldmeters binnenin de kristalstructuur van de diamant. In essentie werkt de sensor daardoor als een zeer nauwkeurig kompas dat magnetische velden in drie dimensies kan meten, met hoge gevoeligheid en stabiliteit. Prof. dr. Jaroslav Hruby verduidelijkt: “De meting gebeurt door de diamant met groen laserlicht te belichten. Daardoor worden de NV-centra aangeslagen en zenden ze rood licht uit. Tegelijk wordt een microgolfveld (MW) om de kwantumtoestanden van de NV-centra te manipuleren.” De frequentie waarbij deze microgolven resoneren met de NV-centra hangt af van het omringende magnetische veld. Wanneer die resonantie optreedt, neemt de intensiteit van het uitgezonden rode licht licht af. “Door de microgolffrequentie te scannen en het uitgezonden licht met een fotodetector te meten, ontstaat een karakteristiek spectrum. De positie van de resonantie in dit spectrum verschuift evenredig met het magnetische veld. Zo kunnen zowel de sterkte als de richting van het veld worden bepaald, vergelijkbaar met een uiterst gevoelig driedimensionaal kompas.”

Van idee tot ruimteproject

De OSCAR-reis begon toen het team in december 2015 werd geselecteerd voor een stratosferische ballonvlucht binnen het REXUS/BEXUS-programma (Rocket/Balloon Experiments for University Students) van SNSA, DLR en ESA. Het eerste project, OSCAR-BEXUS, omvatte diamantgebaseerde kwantumsensoren en organische zonnecellen en onderzocht de haalbaarheid van deze twee technologieën in een veeleisende ruimteomgeving. Een tweede stratosferische ballonmissie, OSCAR-QLITE (2017/2018), bouwde daarop voort en toonde voor het eerst de mogelijkheden voor verdere miniaturisatie van de technologie. Dankzij het REXUS/BEXUS-programma deed het team praktijkervaring op met de volledige levenscyclus van een ruimtevaartproject. Die ervaring legde de basis voor een sterke teamcultuur, gekenmerkt door iteratieve ontwikkeling, zorgvuldige tests en de overdracht van kennis tussen opeenvolgende studententeams. Dat fundament maakte het mogelijk om later ook stappen te zetten naar missies in een hogere baan om de aarde.

De weg naar het ISS

In april 2020 werd het team geselecteerd voor het Orbit Your Thesis!-programma van ESA. Deze mijlpaal markeerde de overgang van experimentele prototypes naar een volledig geïntegreerd ruimtevaartexperiment. Voor de inzet van OSCAR-QUBE aan boord van het Internationaal Ruimtestation (ISS) moest de technologie verder worden verfijnd en onderworpen aan strikte omgevings- en veiligheidstesten. Het team doorliep daarbij alle ontwikkelingsfasen van een ruimtevaartproject: het ontwerp, de ontwikkeling, de bouw en de kwalificatie van het experiment. Na deze intensieve voorbereiding werd het instrument in april 2021 naar het lanceercomplex verscheept, klaar voor gebruik in de ruimte.

OSCAR-QUBE op het ISS

De grote doorbraak kwam met OSCAR-QUBE. In augustus 2021 werd de sensor gelanceerd naar het ISS, waar ESA-astronaut Thomas Pesquet het instrument installeerde in de in de Space Applications Services ICE Cubes-faciliteit. Van daaruit voerde het toestel gedurende tien maanden metingen uit. De missie combineerde wetenschappelijke metingen van het aardmagnetisch veld vanuit een lage baan rond de aarde met een technologische demonstratie. Ze toonde aan dat diamantgebaseerde kwantumsensoren betrouwbaar kunnen functioneren buiten een laboratoriumomgeving. Tijdens de missie werd 231 GB aan data verzameld, wat leidde tot een wetenschappelijke publicatie waarin voor het eerst een diamant-kwantumsensor in de ruimte werd gedemonstreerd.

Terug naar UHasselt

Na de ruimtemissie keerde OSCAR-QUBE in 2022 terug naar UHasselt. Tijdens een speciaal evenement werd het toestel verwelkomd door het team, partners en een grote groep supporters. Nadien kreeg het een permanente en zichtbare plaats bij de ingang van gebouw D op de campus in Diepenbeek. Daar begon voor OSCAR-QUBE een nieuwe missie: de volgende lichting studenten inspireren. Als tastbaar resultaat van jarenlange samenwerking toont het instrument wat mogelijk wordt wanneer interdisciplinaire teams samen ontwerpen, testen en voortbouwen op kennis die van generatie op generatie studenten wordt doorgegeven. Zo groeide een ruimte-experiment uit tot een stukje levend academisch erfgoed van UHasselt.

De opvolger: OSCAR-QUBE+

Het verhaal kreeg al snel een vervolg met de OSCAR-QUBE+-missie (2022–2024), een wetenschappelijk experiment binnen de ESA YPSAT-missie die werd getest tijdens de eerste vlucht van de Ariane 6-raket. Op basis van de lessen uit de ISS-missie ontwikkelde het team een compactere en performantere sensor: 60% kleiner, ongeveer 100 gram lichter en tot tien keer nauwkeuriger dan zijn voorganger. Waar OSCAR-QUBE aan boord van het ISS nog relatief beschermd was, werd OSCAR-QUBE+ tijdens een kortere missie volledig blootgesteld aan de ruimteomgeving. Het instrument functioneerde meer dan 2,5 uur succesvol in de ruimte en voltooide twee banen rond de aarde. Tegelijk vormde de missie de eerste test van concepten voor magnetische navigatie (MagNav). Dit werk kreeg een vervolg in november 2025, toen een verbeterde OSCAR-QUBE+-sensor werd getest aan boord van de MAPHEUS-16-sonderingsraket van de Duitse ruimtevaartorganisatie (DLR). Tijdens deze vlucht werden operationele gegevens verzameld onder extreme omstandigheden, met versnellingen tot 16 g (ongeveer 160 m/s²).

De innovatiereis gaat verder

Samen tonen OSCAR-QUBE en OSCAR-QUBE+ hoe studentgedreven innovatie kan uitgroeien tot technologie die betrouwbaar functioneert in veeleisende omgevingen zoals de ruimte. De erfgoedwaarde van OSCAR ligt daarbij niet alleen in de hardware, maar ook in het ecosysteem eromheen: documentatie, testresultaten, projectorganisatie en de opgebouwde expertise in kwantumsensoren en ruimtevaarttechnologie die van generatie op generatie studenten wordt doorgegeven. In het afgelopen decennium droegen meer dan honderd studenten bij aan OSCAR-projecten. Zij deden praktijkervaring op met het ontwerpen, bouwen en bedienen van geavanceerde detectiesystemen. Tegelijk stimuleert deelname aan OSCAR hun professionele ontwikkeling: studenten werken in interdisciplinaire teams, nemen verantwoordelijkheid binnen complexe engineeringprojecten en opereren in een realistische missiecontext. De nauwe samenwerking met ESA en partners uit de ruimtevaartindustrie speelt daarin een sleutelrol, via mentoring, technische evaluaties en de mogelijkheid om nieuwe technologieën in echte missies te testen.

Met de ervaring van OSCAR-QUBE en OSCAR-QUBE+ breidt het programma zich nu uit in verschillende richtingen. Nieuwe projecten verkennen toepassingen van diamantgebaseerde kwantumdetectie voor aardobservatie (OSCAR-PINQ), ruimteweer, magnetische navigatie (OSCAR-MAGNAV), geofysisch onderzoek en ruimtewetenschap (OSCAR-BLINQ). Zo onderzoekt OSCAR-BLINQ bijvoorbeeld hoe NV-diamanttechnologie kan worden ingezet om chemische en fysische processen in microzwaartekracht te bestuderen. In de toekomst wil OSCAR verder bouwen aan een geïntegreerd ecosysteem voor magnetische veldmetingen, dat zich uitstrekt van laboratoriumonderzoek en grondmetingen tot toepassingen in lage aardbanen en daarbuiten. Daarmee blijft het programma tegelijk een motor voor technologische innovatie én een inspirerend voorbeeld van levend academisch erfgoed aan UHasselt.