Je leest:

Exotische voortstuwingssystemen

Exotische voortstuwingssystemen

Heeft Stanley Kubrick, regisseur van de cultfilm 2001: A Space Odyssey, zich enkele jaren vergist? Was hij te optimistisch over de ontwikkeling van nieuwe manieren om ruimtevaartuigen voort te stuwen? Voortstuwingssystemen waarmee de Aardbewoners in enkele dagen of weken naar de grenzen van het zonnestelsel worden gestuurd …

Of ze nu dienen om satellieten in een baan om de aarde te brengen of tuigen door de ruimte te laten ‘vliegen’, de verschillende ruimtevaartmotoren hebben twee niet altijd gemakkelijk met elkaar te combineren parameters: stuwkracht en specifieke impuls.

Zoals om het even welke motor op aarde, zoals in een auto bijvoorbeeld, verbruiken de motoren aan boord van ruimtetuigen brandstof (propergol), die traditioneel van scheikundige oorsprong is. Bij lanceerraketten bestaat deze brandstof uit twee vloeistoffen of uit één enkele vaste stof. Een motor op vaste brandstof ontwikkelt een grote stuwkracht, maar slechts gedurende een zeer korte tijd. Bij de boosters van de Amerikaanse spaceshuttle of bij de zijraketten van de Europese Ariane 5-raket gaat het om enkele tientallen seconden. Bovendien kunnen ze slechts eenmaal ontstoken worden. Dat is niet bijzonder interessant voor satellieten of ruimtesondes die, eenmaal operationeel in de ruimte, het grootste deel van hun tijd zonder werkende motor vliegen. Waarnemings- en volgstations sturen slechts commando’s voor de ontsteking van een motor bij koerscorrecties, standregeling of bijsturing tijdens een interplanetair traject. In dat geval doet men beroep op kleine motoren die werken op vloeibare brandstof.

Ook bij lanceerraketten vinden we vloeibare brandstoffen terug. Zo gebruikt de Russische Semjorka-raket uitsluiten vloeibare brandstoffen. In het geval van de Semjorka gaat het om kerosine en vloeibare zuurstof. De centrale rakettrap van de Ariane 5 of de motoren van de spaceshuttle werken ook op vloeibare brandstof. Deze motoren kunnen naar wens worden afgezet en terug aangezet. Maar ze leveren daarentegen een kleinere stuwkracht dan de motoren op vaste brandstof. Anderzijds verslinden ze minder brandstof waardoor ze langer kunnen functioneren.

Dit brengt ons tot het prestatievermogen van deze verschillende motoren en bijgevolg tot de parameters stuwkracht en specifiek impuls. De stuwkracht is de massa van de gassen die de motor elke seconde uitstoot, vermenigvuldigd met de snelheid van de uitstoot. Het specifiek impuls geeft van zijn kant de tijdsduur aan waarin de motor een stuwkracht levert. Hoe groter deze tijdsduur, hoe hoger het rendement van de motor. Maar dat wil niet noodzakelijk zeggen dat ook de stuwkracht groot is! Naargelang de beoogde doelstelling of de noodzaak een ruimtetuig vlug en krachtig te versnellen, kiezen vluchtverantwoordelijken voor motoren die het meest geschikt zijn voor hun project. De tabel geeft enkele voorbeelden van het prestatievermogen van motoren.

Vergelijkende tabel van het prestatievermogen van enkele voortstuwingssystemen

De terugkeer van de grote zeilschepen

Een van de meest verrassende systemen om satellieten en sondes voor ruimteverkenning voort te stuwen is niets minder dan … het zonnezeil. Zoals de majestueuze opgetuigde schepen in voorbije eeuwen de zeeën en oceanen van onze planeet verkenden, alleen door windkracht voortbewogen, kunnen ook met zonnezeilen uitgeruste ruimtetuigen rekenen op een gunstig ‘briesje’.

Deze ‘ruimtewind’ heeft niets te maken met de wind die zeilschepen voortbeweegt. In de ijle ruimte kan men niet terugvallen op de beweging van luchtmassa’s. Wat de zonnezeilen ‘bol’ zet is niets anders dan een stroom van fotonen, lichtdeeltjes, die permanent door onze ster – de zon – worden uitgezonden. Zo werd in 1993 het Russische zonnezeil Znamja gelanceerd. De met zonnezeilen uitgeruste ruimtetuigen steunen voor hun versnelling en voortstuwing dus allemaal op de uiterst kleine druk van fotonen. Op de aarde kan men met deze krachtbron niets beginnen. Ze is zo zwak – in de orde van 9 micronewton per vierkante meter – dat men er vanwege de zwaartekracht geen gebruik van kan maken. Maar in de ruimte kan deze energiebron wel zijn diensten bewijzen. Hij kan zelfs gebruikt worden om ruimtetuigen andere planeten te laten verkennen op voorwaarde dat de zonnezeilen groot en … licht genoeg zijn.

De voordelen van deze zeilen zijn duidelijk. Er is helemaal geen brandstof nodig om een ruimtetuig op deze manier voort te stuwen. Dat betekent een aanzienlijke gewichtsbesparing bij de lancering. Bovendien kunnen ruimtetuigen die met dergelijke voortstuwingssystemen uitgerust zijn, snelheden halen die voor traditionele sondes nog onbereikbaar zijn. Hoewel de stuwkracht uiterst zwak is, levert een zonnezeil een continue versnelling. Ingenieurs menen dat ze na verloop van tijd een snelheid van meer dan 90 km/s kunnen bereiken. Met een dergelijke snelheid zou een zonnezeil na acht jaar de sonde Voyager 1 kunnen inhalen. Die verliet in 1977 de aarde!

De efficiëntie van een zonnezeil hangt natuurlijk af van de nabijheid van de energiebron: de zon. Hoe verder men zich ervan verwijdert, hoe kleiner de versnelling als gevolg van de zonnestraling. Vandaar het idee om de ‘natuurlijke’ fotonenmotor dubbel rendabel te maken met een laser aan boord. Door een laser aan de ruimtezeilen toe te voegen zouden bijna onvoorstelbare snelheden worden bereikt, waarover men alleen kan dromen: 30 000 km/s. Bij dit weerzinwekkende ritme komen interstellaire reizen binnen handbereik…

Momenteel loopt er een technologisch programma voor een zonnezeil in het Jet Propulsion Laboratory in Californië. Het gealuminiseerde mylar beantwoordt aan de eisen van stevigheid, soepelheid en lichtheid waaraan een goed zonnezeil moet voldoen. ESA en de Duitse ruimtevaartorganisatie DLR ondersteunen een project voor een zonnezeil. De Star of Tolerance is in feite een bestuurbaar zonnezeil met een oppervlakte van 1600 vierkante meter. Door zijn weerkaatsende panelen zou hij voor de aardbewoners zo helder moeten worden als de planeet Venus. Na een aantal jaar in een baan om de aarde wordt het zeil vervolgens richting kosmos gericht voor een reis zonder einde …

Aan een zijden draadje.

Alle satellieten die in de onmiddellijke omgeving van de aarde ronddraaien ondergaan de invloed van de magnetosfeer. Zoals een magneet veroorzaakt onze planeet een gigantisch magnetisch veld. In samenwerking met de NASA gingen twee Europese experimenten gebaseerd op elektrodynamische kabels de ruimte in. Vanaf een satelliet, een spaceshuttle of zelfs het internationaal ruimtestation wordt een lange dunne kabel in de ruimte uitgerold. Door de zwaartekracht heeft deze kabel de neiging zichzelf in een verticale positie te brengen. Met een snelheid van 7 tot 8 kilometer per seconde beweegt deze kabel zich door de veldlijnen van het magnetisch veld van de aarde.

In de geleider wordt op deze manier een spanning geïnduceerd. We bespreken even de situatie waarbij een homogeen magnetisch veld loodrecht staat op de bewegende geleider. Een geladen deeltje dat zich met een snelheid v door een magnetisch veld B verplaatst, ondergaat de Lorentzkracht F = q.*v*x*B*. De elektronen in de staaf uit de figuur verzamelen zich daardoor aan de onderkant, zodat het boveneinde van de geleider positief wordt. Ten gevolge van deze scheiding van ladingen ontstaat in de staaf een elektrisch veld. De spanning die aldus tussen de uiteinden van de geleider ontstaat, kan gebruikt worden om bijvoorbeeld een motor aan te drijven. Als de geleider stroom levert, stromen er elektronen uit de magnetosfeer de kabel binnen.

Tijdens missie STS 75 ontplooide een ESA-astronaut langzaam de TSS-satelliet in de richting van de aarde. Terwijl de kabel beetje bij beetje uitrolde verwijderde de eigenlijke satelliet, een bol met een diameter van 1,6 meter, zich met behulp van een kleine motor verder en verder van de spaceshuttle. Maar plots brak de kabel die al tot een afstand van ongeveer 20 kilometer was afgerold. In de kabel had zich een spanning van 3500 volt ontwikkeld met een stroomsterkte van 480 milliampère. Het bewijs was geleverd. Lange kabels kunnen in de buurt van de aarde elektriciteit opwekken!

De ionenmotor

Dit ogenschijnlijk revolutionair voortstuwingssysteem is niet helemaal nieuw. Op het einde van de jaren ’50 trachtte de NASA reeds een ionenmotor te ontwikkelen.

Een ionenmotor werkt alleen in het vacuüm van de ruimte. In het apparaat wordt een edelgas, xenon, gebombardeerd door elektronen van stroom uit zonnepanelen. De ionen die daardoor ontstaan, spuiten vervolgens onder hoge spanning de ruimte in met een snelheid van bijna 100 000 kilometer per uur. De stuwkracht van dergelijke motoren is uitermate zwak en van de orde van een fractie van een newton tot enkele newton. Maar daar staat tegenover dat ze gedurende maanden kunnen blijven werken. Zoals men weet is de efficiëntie van een motor functie van het volume ‘gas’ dat door de straalpijp wordt uitgespuwd, maar eveneens van de snelheid waarmee dat gebeurt. Deze parameter is bij de ionenmotor van het hoogste belang.

De ionenmotoren verbruiken weinig brandstof. Deep Space 1 beschikte bijvoorbeeld over slechts 81 kilogram xenon, genoeg om onophoudelijk gedurende 20 maanden te werken (fig. 1). Een zwakke, maar regelmatige en langdurige stuwkracht: precies dat is interessant voor automatische interplanetaire missie. Dat heeft Deep Space 1 bewezen. Hoewel zwak leverde de constante versnelling uiteindelijk een bijkomende snelheid van 4,5 kilometer per seconde op.

Figuur 1. De ionenmotor van Deep Space 1 Bron:NASA

Naar een artikel uit Space Connection

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 3 uit de jaargang 2003 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.