In vrije val

Wat zorgt er eigenlijk voor dat de ruimtevaarders samen met niet vastgemaakte voorwerpen ‘zweven’ terwijl ze rond de aarde draaien? In feite zweven ze vrij rond omdat ze in vrije val zijn: ze ‘vallen’ als het ware om onze planeet.

Belangrijk hierbij is dat gewichtloosheid niet betekent dat er geen aantrekkingskracht meer is. Daarom wordt beter de term microzwaartekracht gebruikt. Het is trouwens onmogelijk om de gravitatiekracht, die overal in het heelal aanwezig is, zo maar te doen verdwijnen. Gravitatie is het natuurkundig verschijnsel waarbij een massa een andere massa aantrekt.

Perfecte gewichtloosheid kan in een ruimteschip in vrije val niet verwezenlijkt worden. Kleine parasitaire krachten zorgen voor minieme versnellingen en veroorzaken storingen in de vrije val. De ‘kwaliteit’ van de microzwaartekracht wordt uitgedrukt in een fractie van g, de gemiddelde valversnelling aan het aardoppervlak. In valtorens bereikt men 1.10^-6. g of een miljoenste van de valversnelling. In het laadruim van een spaceshuttle op een hoogte van driehonderd kilometer wordt 1.10^-3. _g_bereikt.

Een toestand van microzwaartekracht wordt bereikt in ruimtelaboratoria, aan boord van vliegtuigen, met onbemande raketjes of in valtorens.

Gedurende enkele seconden gewichtsloos

In de valtoren van Bremen wordt de toestand van microzwaartekracht gedurende enkele seconden bereikt in een capsule met meetapparatuur. Eerst wordt de cilindervormige capsule, met een diameter van 80 centimeter en een hoogte van 1,5 tot 2,5 meter, naar de top van een 110 meter hoge buis gehesen. De buis wordt afgesloten en praktisch luchtledig gepompt. De vrije val in deze vacuümbuis duurt 4,7 s. De zwaartekracht in de capsule wordt gedurende die tijd tot een miljoenste van de waarde op aarde herleid. De capsule, die ongeveer 300 kilogram zwaar is, wordt onder aan de toren opgevangen in een 10 meter lange cilinder gevuld met bolletjes polystyreen.

De metingen in de capsule worden tijdens de val vastgelegd in het geheugen van een boordcomputer maar ook met een zendertje naar het ‘vluchtleidingscentrum’ gezonden. Het onderzoek in de Fallturm is vooral gericht op verbrandingsprocessen en stromingsverschijnselen. Deze processen verlopen zo snel dat een gewichtloze periode van enkele seconden al voldoende is om een reeks metingen te verrichten. Ze verlopen onder microzwaartekracht heel anders. Bij vloeistoffen gaan in gewichtloze toestand de oppervlaktespanning of de capillaire krachten overheersen, terwijl bij gassen de opwaartse kracht ten gevolge van thermische convectie verdwijnt.

Ook Japanse wetenschappers doen op het gebied van de microzwaartekracht onderzoek in valtorens. Ze beschikken over een schacht in een verlaten kolenmijn. De schacht wordt niet vacuüm gepompt. Hierdoor ondervindt de capsule luchtweerstand met als gevolg dat de resterende microzwaartekracht een factor tien tot honderd keer groter is dan in de valtoren in Bremen.

Onbemande raketjes

Een sondeerraket volgt een ballistische baan en wordt gelanceerd tot boven de atmosfeer. Op het einde van de vlucht volgt de raket een parabool waarbij er gedurende vijf tot twintig minuten waarden van 1.10^-4. g tot 1.10^-5. g worden bereikt. Aan een parachute komt de neuskegel terug op aarde.

Ruimtelaboratoria

Een vijftiental landen nemen deel aan de bouw van het International Space Station (ISS), een ruimtelaboratorium die in 2004 volledig operationeel zal zijn. Het ISS neemt de fakkel over van de Russische MIR voor experimenten van lange duur. In dit nieuwe station dat 100 meter lang en 80 meter breed zal zijn, is er slechts in het massamiddelpunt een echte microzwaartekrachtomgeving van 1.10^-3. g tot 1.10^-4. g.

Vliegtuigen

Aan boord van een reactievliegtuig kan tijdens een parabolische vlucht 20 à 25 seconden lang een toestand van microzwaartekracht van 1,0.10^-2. g aanwezig. Bij elke vlucht worden meestal een dertigtal parabolen uitgevoerd. Onderzoekers kunnen hun waarnemingen en metingen voortdurend herhalen terwijl ze de testparameters laten variëren.

De parabolische vluchten zijn een goede voorbereiding voor de instrumenten die later aan boord van ISS worden gebruikt. De perioden van gewichtloosheid tijdens de vluchten worden afgewisseld met perioden van 2. g. Zo is het gedrag van brandstofdruppels waar te nemen, een verschijnsel dat moeilijk te bestuderen is in een bemand ruimtestation omwille van veiligheidsredenen.

De parabolische vluchten zijn goedkoper dan ruimtevluchten. Een vlucht van de spaceshuttle met een lab aan boord kost meer dan 400 miljoen dollar. De prijs per kilogram bedraagt ongeveer 20.000 dollar. Parabolische vluchten kosten enkele honderden euro per kilogram.

Osteoporose

Bij astronauten neemt de calciumuitscheiding tijdens een ruimtevlucht fors toe. Men onderzoekt de stofwisseling bij het beenderstelsel van ruimtevaarders tijdens een lang verblijf in de ruimte. Zo zijn de mechanismen die aan de oorsprong liggen van de aftakeling van het beenderstelsel beter te begrijpen. Professor Bouillon (KUL) heeft gedurende negen dagen osteoblasten, cellen die verantwoordelijk zijn voor de aanmaak van bot aan de microzwaartekracht blootgesteld. Zij maken de proteïnen (eiwitten) die de beendermassa vormen en scheiden ze af. Als men de oorzaken beter kent, kan men een therapie tegen osteoporose (botontkalking) ontwikkelen.

Ontwikkeling nieuwe proteïnen

Al verschillende jaren voert professor Joseph Martial van de Ulg onderzoek uit naar de ontwikkeling van nieuwe proteïnen, met een specifieke structuur en functie. Proteïnen bestaan uit aminozuren. De biologische activiteit van eiwitten wordt bepaald door hun ruimtelijke vorm: de ketens van aminozuren worden op allerlei manieren gedraaid en’ gevouwen. Om te weten te komen hoe de structurering van proteïnen verloopt, heeft men gekristalliseerde proteïnen nodig. In kristalvorm kan men met behulp van röntgenstraling de specifieke structuur onderzoeken. Nu is deze kristallisatie niet altijd gemakkelijk te realiseren. De kristallen die men in de ruimte krijgt zijn van merkbare betere kwaliteit dan de kristallen die op aarde gemaakt worden. Mede dankzij het onderzoek slaagde Professor Martial erin kunstmatige proteïnen te ontwikkelen en aan te maken. Deze proteïnen worden octarellines genoemd.

Ander onderzoek

Professor Lode Wyns van de VUB bestudeert antistoffen. Zijn team toonde de buitengewone structuur aan van antistofmoleculen in kamelen. En professor Jean-Paul Declercq van de UCL tracht het overleven van levende organismen onder extreme omstandigheden beter te begrijpen. Zo hoopt men beter te begrijpen hoe het leven op aarde ontstaan is.

Al deze onderzoekers moeten in beperkte ruimten samenwerken en zo ontstaan gemeenschappelijke belangen, gelijklopende methoden voor het uitvoeren van metingen en het maken van analyses en gelijke behoeften inzake systemen voor gegevensbeheer en voor het volgen vanop afstand van experimenten.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 5 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes. Naar een artikel uit Space Connection