Nanosail, een zeil en een anker « Wetenschapsblog.nl

6mrt/111

Nanosail, een zeil en een anker

Afb. 1: Nanosail-D

Ik vind satellieten erg interessant. Voor mij is het het toppunt van techniek. Om een gevoelig instrument te maken dat na een ruimtereis nog werkt en dat jaren blijft doen zonder enig onderhoud, daar doe ik mijn petje voor af. Laatst kwam ik een leuk onderwerp tegen over een 'klein' onderzoekssatelliet, de Nanosail-D. Deze satelliet zal het echter niet lang uithouden, over een paar maanden stort het alweer neer op aarde.

De Nanosail-D is een satelliet met een groot zonnezeil. Een zonnezeil kan gebruikt worden voor de aandrijving van een ruimteschip. Licht heeft geen massa maar het heeft wel impuls. Deze impuls word overgedragen als het licht ergens tegenaan botst. Deze constante impulsoverdracht word ook wel stralingsdruk genoemd en kan als volgt worden uitgedrukt: Met P is de druk, de stralingsconstante a en T de temperatuur. Het lijkt misschien raar om de stralingsdruk als functie van temperatuur te geven maar temperatuur is ook een raar iets in het vacuüm van de ruimte. Daar waar geen convectie of conductie is, wordt temperatuur enkel overgedragen door straling en hebben we het dus eigenlijk over het zelfde.

(Klik op 'Blijf lezen' voor de rest)

Afb 2. Komeet West (1975)

De stralingsdruk werd theoretisch gepostuleerd door mister-elektromagnetische-straling-himself James Maxwell maar werd al eeuwen daarvoor geobserveerd door Johannes Kepler. Kepler was een astronoom toen astrologie en astronomie nog synoniem waren en men dacht dat de aarde het centrum van het heelal was. Door zijn achtergrond in wiskunde had hij een erg goed oog voor detail. De volgende afbeelding (2) is van de komeet 'West', in deze foto is duidelijk te zien dat de komeet twee staarten heeft, een brede witte en een smalle blauwe. Kepler zag dat bij alle kometen de richting van de staart altijd loodrecht van de zon verwijdert was. De witte staart buigt echter af richting de baan van de komeet, zie afbeelding (3) voor meer informatie. Kepler redeneerde dat de staart door een soort zonnewind kwam die stof van de komeet af blies. Hij stelde zich al schepen voor die deze 'wind' gebruikte om van wereld naar wereld te zeilen.

Afb. 3: De twee staarten van een komeet

Gelukkig is niets simpel in de natuur, Kepler had geen uitleg voor het feit dat hij twee staarten zag, of waarom de ene staart blauw was. Terwijl de witte staart uit te leggen is door de stralingsdruk en het traagheidsmoment, is dat niet zo voor de blauwe. Als je meer wilt weten over de staart van de komeet stel ik voor dat je deze Wikipedia pagina bekijkt.

“Schepen en zeilen voor de hemelse lucht moeten worden gemaakt. En er zullen mensen zijn, die niet terugdeinzen voor de troosteloze uitgestrektheid van de ruimte.”

-Johannes Kepler (vrij vertaald)

De stralingsdruk is afhankelijk van de temperatuur in de ruimte. Hoeveel is dat? In ons zonnestelsel is de zon de grote bron van licht en dus temperatuur. De zon is een 'zwarte straler', we weten het uitgezonden vermogen van het licht per vierkante meter E via de wet van Stefan-Boltzmann: $[tex]E = \sigma \cdot T^4 [/tex]$ , waarin σ is de constante van Stefan-Bolzmann, T is de temperatuur. Deze vergelijking lijkt aardig veel op de vergelijking voor stralingsdruk, sterker nog, de stralingsconstante a is σ/c, met c de lichtsnelheid. Ofwel, P = E/c. Waarom in dit geval de stralingsdruk gelijk is aan het vermogen per vierkante meter gedeeld door de lichtsnelheid is wat moeilijk om uit te leggen, zelfs de bronnen aan het eind van deze pagina geven geen goed beeld. Als iemand echter geïnteresseerd is in een natuur-wiskundige uitleg hoor ik het graag.

Hoe verder van de zon, hoe kleiner de stralingsdichtheid. Bij een verdubbeling van de afstand word het licht over het kwadraat van het oppervlak verdeeld. De stralingsdruk als functie van de afstand tot de zon is als volgt:

$[tex]P(d) = a \cdot T_z^4 \frac{r_z^2}{d^2}[/tex]$ , waarin d de afstand is, T_z de temperatuur van het oppervlak van de zon en r_z de straal van de zon.

De straal van de zon is 0.00465 AU (een AU is de afstand van het midden van de zon tot het midden van de aarde), de temperatuur van de zon is 5778 Kelvin. De stralingsdruk bij de aarde is dus:

$[tex]P(1) = a \cdot T_z^4 \frac{r_z^2}{1}[/tex]$

Even invullen geeft: = 1.8915·10^-16 x 5778⁴ x 0.00465² = 4.560·10^-6 Pascal. Dat klinkt weinig en dat is het ook. Maar in de ruimte is er geen wrijving en kan het zeil dus eeuwig door versnellen. Zelfs binnen ons zonnestelsel zou een reis naar Pluto twee tot vier keer zo snel gaan met een zonnezeil dan met conventionele middelen. Het meest interessante is natuurlijk het reizen tussen zonnestelsels, op deze afstanden kan een zonnezeil snelheden tot een tiende van de lichtsnelheid behalen.

De Nanosail-D gaat echter nergens naar toe, ook al is het zonnezeil gemaakt om de stralingsdruk experimenteel te meten. De satelliet is in een te lage baan rond de aarde geplaatst, er is een erg dunne atmosfeer aanwezig. Deze atmosfeer zorgt voor wrijving en zal de satelliet uit zijn baan rond de aarde halen en laten neerstorten op aarde (lees: verbranden in de atmosfeer). Deze techniek kan gebruikt worden om satelieten die niet meer nodig zijn uit hun baan rond de aarde te halen. Dit is nodig omdat er steeds meer rotzooi rond de aarde bevind dat een gevaar kan zijn voor andere satellieten. Het idee is dus om nieuwe satellieten met een zeil uit te rusten die uit klapt als de satelliet niet meer nodig is.

Het doel van de Nanosail-D is dus tweedelig, het zeil en het laten uitklappen van het zeil word getest, er word onderzocht of zo'n zeil kan gebruikt worden voor voortstuwing, en als anker om satellieten uit hun baan te halen.

De Nanosail-D van NASA werd gelanceerd op 19 november 2010. Na 20 minuten ontkoppelde het van de lanceer raket als onderdeel van een groep kleine satellieten genaamd FASTSAT. Na 7 dagen zou de Nanosail-D los moeten koppelen van de FASTSAT, maar er gaat iets niet goed. De Nanosail-D dat nu ter grote is van een lunch box wil niet uit de FASTSAT. Dean Alhorn, leider van het project in het NASA Marshall Space Flight Center te Huntsville Alabama houdt zijn hart vast. Al die jaren van onderzoek en miljoenen dollars investeringen hangt af van een hengeltouw dat niet door wil branden 650km boven de aarde. Weken gaan voorbij en het ding blijft maar vast zitten. Tot 17 Januari, anderhalve maand later de Nanosail-D plotsklaps uit de FASTSAT schiet. De computer begint te werken en stuurt gegevens terug naar aarde, daar word het opgevangen door een amateur radiograaf die het doorstuurt naar Alabama. Het bericht wordt vertaald en alles blijkt in orde te zijn. Na drie dagen word het sein gegeven om het zeil uit te klappen. Het zeil heeft een oppervlakte van bijna 10 vierkante meter. Bekijk het uitklappen van het zeil in het volgende filmpje.

Link naar filmpje op Youtube over NanoSail-D

Dit gaat ook zoals gepland en nu is het zeilschip rondjes aan het maken rond de aarde, steeds dichterbij afgeremd door de dunne atmosfeer op 650km hoogte. De batterij is nu leeg van de satelliet dus er word geen informatie meer teruggestuurd. Om toch informatie te verkrijgen over de satelliet heeft NASA een prijs uitgereikt voor de beste foto. Je kunt $500 winnen als je een foto maakt van de Nanosail-D. Je kunt op deze website kijken wanneer het bij jou in de buurt komt. De volgende foto is alvast een goede kanshebber: