Het Mir ruimtestation

Het Mir ruimtestation C.M. van den Berg

Op 23 maart 2001 kwam het ruimtestation Mir in een vurige uiteenspattende bal door de dampkring naar de aarde terug. Dit betekende het einde van een ruimtevaarttijdperk waarin vooral Rusland nationale ruimtestations exploiteerde. De exploitatie van het ruimtestation Mir leek te zijn afgesloten vlak voordat de een na laatste bemanning eind augustus 1999 terugkeerde naar aarde. Hierna bleef Mir tot 6 april 2000 onbemand, waarna een particuliere organisatie, Mircorp, de exploitatie overnam met de bedoeling het station verder commercieel te gaan gebruiken. Tijdens dit particulier initiatief werden ook nog een aantal experimenten uitgevoerd. In dit artikel zal in kort bestek worden samengevat wat de oorspronkelijk voornamelijk door de Sovjet resp. Russische overheid gefinancierde exploitatie inhield en wat de betekenis van het Mir-station is geweest. Niet alleen voor de ruimtevaart in het algemeen, maar ook voor de vele takken van wetenschap en technologie, die daarmee direct of indirect een relatie hadden of die het station konden gebruiken voor hun onderzoek.

Eerste en tweede generatie ruimtestations Het is niet mogelijk om het begin van het Mir-project los te zien van de al sinds het begin van de zeventiger jaren aan de gang zijnde ontwikkeling van echte ruimtestations. De geschiedenis van deze stations de Salyuts-1 t/m -7, werd gekenmerkt door het streven om te komen tot een volmaakt ruimtestation. Er werd echter heel inefficiënt gewerkt. De eerste Salyut kon dan ook worden gebouwd, omdat de voor militair gebruik bestemde Almaz stations vertraging hadden ondervonden.Voor de Salyut-1 werd de romp van een Almaz gebruikt. De bouwers van de Salyut-1 en die van de Alzmaz-stations (OKB-52 van Chelomei) waren geen vrienden van elkaar, maar gezien de enorme prestaties van Chelomei en de zijnen konden de concurrenten niet om zijn scheppingen heen.

RUIMTEVAART APRIL 2001

Salyut-1 was op zichzelf direct al een succes, maar helaas kwam de eerste bemanning om tijdens de afdaling naar de aarde. De Salyut-2 (in feite Almaz-1) raakte alle lucht kwijt en was dus een regelrechte mislukking. Daarna volgde de tweede Almaz (Salyut-3). De eerste vijf Salyuts worden tot de eerste generatie ruimtestations gerekend, omdat zij slechts over één koppelpoort beschikten. De Almaz stations (beter bekend als Salyut-3 en -5) gingen vooraf aan de succesvolle Salyuts-6 en -7 die door de concurrentie werden gebouwd en geëxploiteerd, omdat politieke ontwikkelingen Chelomei op een zijspoor hadden gezet. Salyut-6 en -7 behoorden tot de tweede generatie ruimtestations, omdat zij beschikten over twee koppelpoorten. Deze bereikten het stadium, waarin met ups en downs bewezen werd, dat een zinvolle exploitatie mogelijk was. Het zou te ver voeren om, zelfs in kort bestek, de Salyut-

Het einde van een tijdperk Op 23 maart (00:33 UTC) gaf het aangekoppelde vrachtschip Progress M1-5 de eerste, kleine, vuurstoot waarmee de baan van het Mir ruimtestation van 212 km * 218 km tot 190 km * 219 km werd verlaagd. Een tweede kleine vuurstoot vond plaats om 02:01 UTC en deze verlaagde de baan van Mir tot 150 km * 215 km. De belangrijkste vuurstoot begon op 05:07 UTC en deze verlaagde het perigeum tot minder dan 80 km. Om 05:50 UTC rapporteerden toeschouwers in Fiji dat er een aantal heldere brokstukken overkwamen waarmee werd bevestigd dat het station in stukken was gebroken die in het zeegebied 160°W 40°Z neerkwamen. DOS 7 [Ruimtestation voor lange duur, nummer 7], werd omgedoopt tot Mir na de lancering in februari 1986. Het station werd door 111 ruimtevaartuigen bezocht. Kosmonauten waren 4591 dagen aanwezig en maakten 79 ruimtewandelingen vanuit dit station. Bijna tien jaren achtereen was het station permanent bemand. Het record verblijf (437 dagen) werd gevestigd door Valery Polyakov in 1994-1995.

3

Op de voorgrond staat het oefenmodule Priroda in het Ts PK. Daarachter staat het oefenmodule Spektr. [C.M. van den Berg]

geschiedenis te herschrijven. Lang voordat het succes verhaal van de Salyuts-6 en -7 werd afgesloten (1985/1986), werkten de geleerden, constructeurs en technologen in de Sovjet-Unie al aan een concept voor een volgende generatie ruimtestations. In 1978 werden de eerste plannen en de daarbij behorende maquettes gemaakt. Parallel hieraan werd veel hardware (o.a. rompen voor ruimtemodules) afkomstig uit het OKB-52 (de latere NPO Mashinestroyeniye) van Chelomei voor verder gebruik ten behoeve van de volgende generatie ruimtestations verzameld. Een groot aantal constructiebureaus en industrieën werden bij deze ontwikkelingen ingeschakeld. De gehele Sovjet ruimtevaartindustrie was behoorlijk overbelast, omdat er ook andere grote projecten moesten worden verwezenlijkt, zoals het ‘voor meerdere malen bruikbare ruimtetransportmiddel’, later bekend als Buran. Alhoewel het eigenlijk, gezien het steeds verder voortschrijdende verval van de sovjeteconomie, onverantwoord was, konden de constructeurs en technologen doorgaan met deze projecten door de ruime steun van het Politburo van de C.P.S.U. en de stimulans van het militair industriële complex. Het Politburo dacht nog steeds dat de ruimtevaart een bruikbaar ideologisch middel was, terwijl de militaire leiding alles wilde doen om de ontwikkelingen

4

in het Westen, vooral waar het eventuele militaire toepassingen betrof, voor te blijven of in ieder geval bij te houden. Wat de uitvoerders van dit alles presteerden, was enorm. Rustig kan worden gesteld dat zij heel vaak met succes bezig waren om allerlei missions impossible met sciencefictionachtige trekken te volbrengen.

Overgang naar de derde generatie De derde generatie ruimtestations, waarvan Mir het eerste station zou moeten worden, verschilde in hoge mate van de eerste twee generaties. Parallel aan de ontwikkeling en bouw van Mir, werkte men aan een tweede, reserve exemplaar. Mocht de lancering van Mir slagen dan kreeg het tweede exemplaar de status van opvolger. Deze Mir-2 is lang in reserve gebleven en maakt nu deel uit van het ISS als het Service Module Zvezda. Volkomen nieuwe toepassingen waren onder meer een koppelstuk met één axiale en vier radiale koppelpoorten, om het uitbreiden van het basisblok met vier dwars geplaatste laboratorium modules mogelijk te maken, terwijl aan de andere kant zich een gewone axiale koppelpoort bevond. Verder kwamen er voor de standregeling van het complex, naast de gebruikelijke stuurraketten, 12 gyrodyna’s.


Dit zijn complexe gyroscopen die, geïnstalleerd in twee van de geplande modules, voor een stabiele computergestuurde standregeling moesten zorgen. Buiten de kleine stuurraketten werd enkele jaren na het begin van de exploitatie nog een externe motor, de VDU, in een mast geplaatst voor het in toom houden van bewegingen rond de X-as. Nog maar enkele jaren geleden werd deze motor tijdens een serie gecompliceerde ruimtewandelingen vervangen. Hier bleef het niet bij. Er werd eveneens overgegaan op een beter naderingsysteem, het systeem Kurs. Met het oudere systeem Igla moest het ruimtestation als het ware worden opgelijnd met naderende vrachtschepen, met Kurs was dit niet nodig. Dit systeem leidde het schip automatisch naar de koppelpoort. Het station hoefde alleen nog maar in de laatste fase stabiel te zijn. In het begin van het gebruik van Kurs had Mir nog beide naderingsystemen ter beschikking. Dit kwam doordat de projecten Salyut-7 en Mir elkaar overlapten en er voor Salyut-7 nog taken moesten worden uitgevoerd, waarvoor de eerste Mir-bemanning moest worden ingeschakeld. Hun ruimtevaartuig (Soyuz-T15, de laatste in de T-reeks) was nog met Igla uitgerust en kon dus zowel aan Mir als aan Salyut-7 vastmaken. De astrofysische

module Kvant (Module-E) was oorspronkelijk bedoeld om aan de Salyut-7 te koppelen. Deze module beschikte ook over beide naderingsystemen. Een grote vooruitgang in Mir was het gebruik van de Elektron zuurstofgenerator. Door middel van elektrolyse, het splitsen van water in zuurstof en waterstof, kon een permanente productie van zuurstof worden gewaarborgd. In de Salyuts moest men het hebben van aangeleverde zuurstof of het verhitten van lithium-perchlorideschijfjes. Voorts werd voorzien in een betere filtering van CO2 met het zogenaamde Vozdukh systeem. Dit filterde CO2 uit de mini-atmosfeer van het complex om dit te lozen in de ruimte. Bij de Elektron generator werd dit gedaan met de afgesplitste waterstof. Met Mir werd een extra communicatiesysteem ingevoerd met de mogelijkheid om via geostationaire satellieten met de aarde te communiceren. Het systeem aan boord van Mir werd Antares genoemd. Een grote op een draaihek lijkende antenne werd op een van de schotelantennes van een geostationaire satelliet gericht en op haar beurt zorgde deze satelliet ervoor dat het signaal werd omgevormd naar Ku-band (en omgekeerd naar Mir toe van Ku-band naar een hoge UHF

De Marina spectrometer onder het Kristall module. [C.M. van den Berg]


5

band). Het systeem werd Luch genoemd. Later werden ook speciaal voor dit doel te gebruiken satellieten gelanceerd, die Altair werden genoemd. Het gebruik van geostationaire communicatiesatellieten maakte de vluchtleiding minder afhankelijk van de vloot van volgschepen die het communicatieverkeer van de Salyuts en later Mir konden relayeren als de ruimtestations buiten bereik van de volgstations in de Sovjet-Unie c.q. Rusland waren. Evenals de Salyuts was Mir uitgerust met het besturingssysteem Argon-16. Dit bestuurde de werking van de stuurraketjes voor de standregeling. Om de besturing van de bewegingen mogelijk te maken met de gyrodyna’s, werd Mir uitgerust met een moderner systeem, de Salyut-5B. Deze computer werd aangeduid als TsVM-1, de Centrale Computer en stuurde via het SUD, (het systeem voor de bewegingen van het complex) de gyrodyna’s aan. Gedurende het eerste jaar in de ruimte van Mir was het dus de Argon-16 die voor de controle via stuurraketjes zorgde. Pas na het operationeel worden van de Kvant-2 of Module-D, die de Salyut-5B computer had afgeleverd, kwamen de gyrodyna’s in gebruik. Dit kwam goed uit voor de controle van het toen L-vormige en dus asymmetrische complex. De gyrodyna’s werden gelijk verdeeld over de twee Kvant modules, die in die tijd de beide poten van genoemde L vormden.

Vermoedelijk zouden de ruimtevaartindustrieën wat meer tijd hebben genomen bij het in de ruimte brengen van het Mir-basisblok, als niet in september 1984 een besluit was genomen door het Politburo waarin werd geëist dat Mir aan de vooravond van de opening van het 27ste congres van de C.P.S.U. in februari 1986 moest worden gelanceerd. Als in de toekomst de hele ontwikkeling van het Mir ruimtestation aan de hand van alle beschikbare documentatie nog eens wordt geëvalueerd, zal blijken dat veel problemen, waarmee men in de exploitatie van Mir heeft geworsteld, achterwege zouden zijn gebleven als de nijvere enthousiastelingen meer tijd hadden kunnen nemen. Gesteld kan worden dat er eind 1978 van Mir nog niet veel meer bestond dan een aantal maquettes waarover allerlei commissies zich bogen. Regelmatig moesten er wijzigingen in worden aangebracht en dit proces ging door tot 21 oktober 1980 toen het besluit werd genomen om geen wijzingen meer aan te brengen. Dit besluit werd nooit geheel nageleefd want herhaaldelijk moesten oude plannen worden herzien.

De opbouw van Mir Het is goed dat het nieuwe ruimtestation niet de geschiedenis is ingegaan als Salyut-8 maar als Mir. Te beginnen met Mir werd er een aantal zaken radicaal veranderd en werden nieuwe toepassingen ingevoerd. Zo werd het

Soyuz TM-16. [Energia]

6


complex modulair van opbouw door de mogelijkheid er vijf laboratoriummodules aan vast te maken. De eerste module, overigens zeer afwijkend van de daarop volgende vier, was de Kvant, ook wel genoemd Module-E. Dit was een astrofysische module. Bij de bouw van deze module was immers nog rekening gehouden met het eventuele gebruik in de configuratie van de Salyut-7. Naast een actief koppelmechanisme om zelf te koppelen aan zowel Salyut-7 als Mir, had de Kvant ook een passief koppelmechanisme om transporten vrachtschepen te kunnen ontvangen. Mir werd helemaal voorbereid op het ontvangen van vier extra modules door de aanbouw aan het basisblok van een bolvormige doorgangssectie, voorzien van één axiale koppelpoort en vier radiale koppelpoorten. De later aan het complex gekoppelde module Kristall was ook voorzien van een passieve koppelpoort.


De Kvant-1 was de enige module, die nog een sleper nodig had om na de lancering naar Mir te vliegen. De overige vier modules deden dit met eigen motoren.

Het Mir ruimtestation in rendezvous met space shuttle Atlantis (29 juni 1995). [Energia]

Bij de Salyut-6 en -7 was al een begin gemaakt met het gebruik van 18 ton wegende elementen, die zowel konden dienen als laboratorium, vrachtschip, tanker en als systeem voor het onder controle houden van het hele station. Tevens waren zij voorzien van een grote terugkeercapsule voor het op aarde afleveren van resultaten van experimenten en voor zaken die men graag, o.a. voor onderzoek op aarde, wilde terugkrijgen. Deze elementen verschilden echter van de later voor Mir gebruikte modules. Eind 1985, toen al vaststond dat het Mirbasisblok binnen enkele maanden zou wor-

7

EuroMir 95 (3 september 1995 - 29 februari 1996). ESA astronaut Thomas Reiter en zijn Russische collega Sergei Avdeev gedurende de tweede ruimtewandeling van de missie op 8 februari 1996. [ESA]

8


den gelanceerd, was de Salyut-7 nog volop in bedrijf. Op 17 september 1985 werd er een bemanning naar de Salyut-7 gelanceerd, die zes maanden aan boord zou moeten blijven. Hun eerste opdracht was het ontvangen van een gemodificeerd transportschip, de Kosmos-1686. Verdere opdrachten konden niet worden uitgevoerd omdat door ziekte van commandant Vasyutin de missie vroegtijdig moest worden afgebroken. Het is (nog) onduidelijk hoe de samenloop tussen de operaties met Salyut-7 en Mir in de oorspronkelijke planning was geregeld. Er zijn in ieder geval plannen geweest om nog in 1986 een volledig uit vrouwen bestaande expeditie naar de Salyut-7 te sturen. Om onduidelijke redenen heeft men deze, ongetwijfeld als propagandastunt bedoelde operatie, niet opgenomen in het Mir-programma. De eerste Mir-bemanning volbracht een operatie die praktisch geen aandacht in de wereldpers kreeg. Ze vloog van Mir naar de Salyut-7, verrichtte daar allerlei werkzaamheden en maakte zelfs twee ruimtewandelingen die oorspronkelijk voor de laatste, vroegtijdig teruggekeerde Salyut-7 bemanning op het schema had gestaan. De werkzaamheden bestonden uit het samenstellen en installeren van een 12 meter lange structuur op de Salyut-7, het uitvoeren van een reeks experimenten met een oven voor het bakken van kristallen, het conserveren van het station, en tenslotte het verzamelen van apparatuur, instrumenten en de bibliotheek om deze af te leveren in Mir. Dit uitstapje naar Salyut-7 duurde bijna twee maanden. In de tussentijd waarin Mir onbemand was, koppelde het eerste Soyuz-TM transportschip, onbemand en automatisch aan Mir en hiermee werd de bruikbaarheid en de betrouwbaarheid van het Kurs naderingsysteem bewezen. De Soyuz-TM1 bleef zeven dagen gekoppeld en keerde toen naar aarde terug. Het was de eerste vlucht van een gemodificeerd type transportschip en daarom was het onbemand.

Experimenten In de aan de pers verstrekte bulletins over datgene wat aan boord van Mir werd gedaan, was zo goed als altijd sprake van experi-


menten op de gebieden medische biologie, biologie, technologie, geofysica en astrofysica. Dit is een ruwe indeling want sommige van deze terreinen overlappen elkaar en er waren experimenten die niet onder een van de genoemde categorieën gevangen kunnen worden. De uitrusting voor deze experimenten was verdeeld over de vijf laboratoriummodules en het basisblok. Gedurende de gehele exploitatie werd ook de buitenkant van het complex voor experimenten gebruikt. Voor het grootste deel bestonden deze uit materiaalonderzoek. Allerlei legeringen, metalen en substanties werden tijdens ruimtewandelingen aan de buitenkant van het station geïnstalleerd en na enige, soms zelfs lange tijd weer naar binnengehaald. Een deel van het aan de barre invloeden van de ruimte blootgestelde materiaal werd door kosmonauten mee naar de aarde teruggenomen. Het uitdenken en uitvoeren van experimenten was voor de Sovjet-Unie en later voor de Russische Federatie geen puur nationale zaak meer toen de exploitatie van Mir begon. Al tijdens de vele en lange expedities met de Salyuts-6 en -7 was er een toevloed van experimenten uit het buitenland, die door gastkosmonauten uit die landen samen met de stambemanningen werden uitgevoerd. Aanvankelijk betrof het hier deelname uit landen, die tot het zogenaamde Sovjetblok behoorden, maar aan boord van de Salyut-7 was de Fransman Jean Loup Chrétien manifest aanwezig. De samenwerking met andere landen, ook buiten het Sovjetblok, ging versterkt door toen Mir operationeel was geworden. De exploitatie van Mir was in feite een onmogelijke opgave. Dat het toch kon, kwam doordat de partijleiding van een totalitaire staat dit wilde en door middel van het Militair Industrieel Complex deze exploitatie krampachtig ondersteunde. Hierbij kreeg deze staat veel steun van andere landen, die uit eigen belang positief stonden tegenover het ruimteonderzoek van de Sovjet-Unie. Al of niet vertegenwoordigd door hun ruimtevaartorganisaties, wetenschappelijke instituten en industrieën sloten deze landen verdragen af waarin goed werd betaald voor de opleidingen van hun ruimtevaarders en voor de

9

ruimtevluchten zelf, waarbij de experimenten (geleverde hard- en software) Russisch eigendom werden. De hierbij verworven inbreng was wetenschappelijk gezien zeer waardevol, ook van kleine landen zoals Tsjecho-Slowakije, Oostenrijk en Bulgarije. Alle landen die gebruik maakten van de mogelijkheden die Mir bood, voldeden ruim aan hun verplichtingen. Een uitzondering was Engeland. Er werd slechts een kwart van het afgesproken bedrag betaald en het enige experiment dat werd geleverd, was de astronaute Helen Sharman: de Russen mochten haar vóór, tijdens en na de vlucht medisch onderzoeken.

Een technologisch en operationeel complex Met Mir werd een veelheid van doelen nagestreefd. Het moest dienen als een veelzijdig laboratorium, maar ook als een praktisch studieobject om ervaring op te doen voor toekomstige ruimtestations. Het operationeel

Chris van den Berg, de auteur van dit artikel, heeft gedurende lange tijd via zijn inmiddels beroemd geworden MIRNWS boodschappen de wereld verteld van de belevenissen van het Mir ruimtestation en haar bewoners. Bijna vijfhonderd van deze berichten waren te zien op Bulletin Boards en Internet. Anderen die informatie behoefden, konden altijd bij Chris terecht en vaak werd hij als deskundige bron aangehaald. Als fervent radioamateur en de Russische taal meester, kon Chris rechtstreeks inluisteren in de communicatieverbindingen tussen het Mir ruimtestation en het Russische controlecentrum en had vaak wereldnieuws te melden nog voor dat de officiële nieuwsmedia daar lucht van kregen. Inmiddels is Chris een nieuwe serie berichten gestart, genaamd IRSCOM die, hoe kan het anders, het International Space Station tot onderwerp hebben. Deze berichten zijn te lezen op http://www.muurkrant.nl/ irscom_nl.htm. [Henk H.F. Smid, Hoofdredacteur Ruimtevaart]

10

houden van het station in de bemande status vergde een enorme infrastructuur op aarde. Hiertoe behoorde een goed werkende vluchtleiding, welke moest kunnen steunen op volgstations en meetstations voor het afwikkelen van het radioverkeer in allerlei vormen, zoals normale radiotelefonie, het ontvangen en verwerken van telemetrie en analoge en digitale telecommunicatie, maar ook op geavanceerde rekencentra voor het berekenen en onder controle houden van de baan en gedragingen van Mir en alles wat te maken had met operaties van zowel onbemande als bemande ruimtevaartuigen die voor het station nodig waren. Naast dit enorme bedrijf waren er zaken als de opleidingscentra, de toeleveringsbedrijven van alles wat in Mir nodig was en natuurlijk de lanceerinstallaties voor de draagraketten op de basis Baikonur. In dit opzicht heeft Mir als studieobject uitstekend gefunctioneerd. Alle organisaties die verantwoordelijk waren voor het in leven houden van Mir en de daar aan boord zijnde bemanningen, moesten 13 jaren lang, dag en nacht alert zijn en goed met elkaar coördineren. Deze studie leverde een gedegen inzicht op in de zwakke schakels in het geheel. Omdat het een vlucht was van zo’n lange duur kon men ook verbeteringen aanbrengen en nagaan of deze het verlangde effect sorteerden. Op de vraag welke van de twee aspecten, het menselijke of het technologische, het zwakst was, moet hier worden geantwoord dat dit het technologische aspect was. Natuurlijk werden er door kosmonauten en specialisten op aarde fouten gemaakt. Omdat het een periode van zoveel jaren betrof, was het aantal fouten en blunders niet onaanzienlijk. Het aantal bij Mir betrokken kosmonauten was over 28 expedities verdeeld en die kregen voor hun specifieke missies grondige opleidingen. Bemanningen werden dus als het ware ververst, iets wat met veel technische zaken onmogelijk was. Daarom kunnen over de technologie heel wat meer kritische opmerkingen worden gemaakt. Bij ieder tot nu toe gebruikt ruimtestation waren heel veel systemen al verouderd als het station in bedrijf kwam. Tussen het begin op de tekentafels en het vliegen lagen altijd ongeveer twee decennia. Bij de ontwikkelin-


gen gedurende het bouwproces kon men vaak nog iets verbeteren door modificaties, maar in de structuur van het station waren teveel zaken, zelfs tijdens de bouw al niet meer te vervangen zoals de in de romp geïntegreerde systemen. Het operationeel houden van het station, terwijl geworsteld werd met allerlei niet voorziene technische problemen kan worden beschouwd als een experiment op zichzelf en dit zal later blijken van grote betekenis te zijn geweest voor de ontwikkeling van toekomstige ruimtestations, om te beginnen met het internationale ruimtestation ISS.

De mens als experiment Een groot aantal experimenten werd samengevat onder de noemer medisch-biologisch of medisch. Iedere kosmonaut was gedurende zijn verblijf in de ruimte permanent een studieobject. Alleen al zonder onderworpen te zijn aan gerichte experimenten was het steeds langer durende verblijf in microzwaartekracht en tegelijkertijd het verblijf in een grote ijzeren long, op zichzelf al een waardevol experiment. De verschillen tussen de lichamelijke gesteldheid voor, tijdens en na een vlucht, vaak een langdurig verblijf van maanden in de ruimte, leverden een schat aan gegevens op. Vooral het grote aantal expedities aan boord van Mir, waarbij vergelijkingen konden worden gemaakt tussen minder goed geoefende mensen, die maar kort in de ruimte verbleven, met geroutineerde, vaak zwaar beproefde kosmonauten, waren zeer waardevol. Na enige tijd onder invloed van microzwaartekracht te hebben verkeerd, verandert de mens als het ware van aardmens naar ruimtewezen en dit zet een degeneratieproces in werking. Deze degeneratie betreft voornamelijk de bot- en spiermassa’s. Het beendergestel wordt ziek. Deze ziekte, botontkalking of osteoporose, is op aarde bekend en een normaal verschijnsel bij de ouder wordende mens. Het onderzoek naar osteoporose bij ruimtevaarders is voor de wetenschap enorm belangrijk geweest en zou zonder het gebruik van de ruimte veel minder ver zijn gevorderd. Hierin speelde Mir een belangrijke rol. Vanaf de eerste bemande vlucht werd hier al onder-


zoek naar gedaan, maar die eerste vluchten van ruimteschepen, ruimtestations en space shuttles duurden hoogstens tien dagen. Lang voordat genoemde degeneratie zich begon te manifesteren waren de ruimtevaarders al weer terug op aarde. Pas bij langer verblijf in de ruimte, en dat was alleen mogelijk in de Russische ruimtestations, kon hiernaar uitgebreid onderzoek worden opgestart. Pas toen Amerikanen aan boord van Mir gingen verblijven, konden ook zij voor onderzoek op dit gebied worden gebruikt. Een groot aandeel in dit onderzoek is geleverd door Europa. Voor het osteoporose onderzoek leverde ESA twee instrumenten voor metingen van de botmassa: de Bone Densitometer (BDM), die werkt met ultrasoon geluid en het Bone Stiffness Measurement Device (BSMD), waarbij de schokgolfjes van een tikje met een hamer tegen het bot wordt gemeten. De BDM is een goed voorbeeld van een aan een experiment in de ruimte ontleend medisch instrument op aarde. Bij de studie naar botontkalking wordt ook gezocht naar medicijnen en preparaten om dit proces te stoppen of op zijn minst af te remmen. Hierbij worden goede resultaten geboekt op basis waarvan calcium medicijnen, maar bijvoorbeeld ook vitaminen werden gevonden. De Universiteit van Maastricht beproefde een bepaald soort vitamine E op zich in de ruimte bevindende kosmonauten. Biologisch Mir was een uitgelezen platform voor allerlei vormen van biologisch onderzoek. Een onontgonnen terrein was het gedrag van cellen, gewassen en dieren in gewichtloze toestand. De nodige ervaring was inmiddels opgedaan tijdens de missies van de Salyut-6 en -7. In Mir kon het onderzoek worden voortgezet onder veel gunstigere omstandigheden; er was meer ruimte en meer apparatuur. Vernuftig geconstrueerde broeikassen, terraria en glove boxes (couveuse waarin experimenten kunnen worden uitgevoerd zonder dat deze in aanraking komen met de omringende atmosfeer) werden voor allerlei vormen van onderzoek gebruikt. Buiten Rusland bestond voor deze mogelijkheden veel belangstelling en een groot aantal projecten werden verwezenlijkt in samen-

11

werkingsverbanden met buitenlandse instituten. Als proefdieren werden onder meer salamanders en Japanse kwartels gebruikt. Deze kwartels en de eieren daarvan zijn zeer eiwitrijk. Het voornaamste oogmerk van dit onderzoek was dan ook gericht op de zelfverzorging tijdens langdurige ruimtemissies. Er werd daarom ook veel onderzoek verricht naar de levensvatbaarheid en productiviteit van gewassen.

de ruimte. Ook, maar dit was meer gericht op de bescherming van de gezondheid van de ruimtevaarders, werd gecontroleerd hoe groot de toelaatbare stralingintensiteit binnen het complex was. Een groot en apart studieterrein was het invangen en bestuderen van uit de ruimte afkomstige deeltjes. Aan de buitenkant van het complex werden materialen aangebracht die de zulke deeltjes vasthielden voor verdere studie op aarde.

Materiaalonderzoek Een aantal ovens, verdeeld over enkele modules, werd gebruikt voor het maken van kristallen die bestemd waren voor elektronische circuits. Onderzoek op dit vlak heeft niet geleid tot effectieve industriële toepassingen, maar de resultaten ervan zijn bemoedigend voor de toekomst. Het onderzoek zal worden vervolgd in het ISS. De ovens werden eveneens gebruikt voor het experimenteren met allerlei metaallegeringen.

Geofysische onderzoek Vanaf het begin van de ruimtevaart werden de bovenste lagen van de atmosfeer en de verschillende geïoniseerde lagen en gordels bestudeerd. De verschillende spectrometers in de Priroda en de Kvant-1 zijn daar eveneens permanent voor gebruikt. Bij al het onderzoek was het altijd een probleem dat geringe bewegingen en trillingen in het complex de onderzoeksresultaten beïnvloedden. Gedurende de hele exploitatie werd dan ook onderzoek gedaan naar mogelijkheden om de geringste trillingen vast te leggen en onderzoeksresultaten daarmee te corrigeren. Dit gebeurde met micro versnellingmeters. De evolutie van technologische mogelijkheden op dit gebied ging gedurende de hele exploitatie door en de micro versnellingmeters werden steeds nauwkeuriger. Praktisch ieder bij het ruimteonderzoek betrokken land leverde op dit gebied bijdragen.

Op zoek naar methoden om medicijnen te maken, die op aarde vanwege de invloed van de zwaartekracht niet of nauwelijks te produceren zijn, is veel gewerkt aan het samenstellen van eiwitkristallen. Natuurkundige proeven Het gedrag van vloeistoffen in gewichtloosheid is gedurende de exploitatie van Mir eveneens onderwerp van onderzoek geweest. Het betrof hier proeven die gericht waren op stroming- en convectie-experimenten en op het verschil van bijvoorbeeld mengsels en emulsies van verschillende vloeistoffen in de ruimte en op aarde. Astrofysisch onderzoek Mir was ruim voorzien van telescopen om astrofysische waarnemingen te doen. Allerlei bronnen van straling uit de ruimte, verdeeld over een breed spectrum zoals gamma- en röntgenstraling, werden jaar in jaar uit geregistreerd. Hiervoor werd niet alleen apparatuur in de astrofysische module Kvant gebruikt, maar ook middelen in andere modules zoals de Kvant-2 en de Priroda. Gevoelige sensoren en stralingmeters observeerden permanent de verschillende stralingen vanuit

12

Mir als promotor van onderzoek De lijst van hier gememoreerde onderzoeken en experimenten is verre van volledig en in onvoldoende mate gespecificeerd. De onderzoeken die in Mir zijn gestart zijn dan ook nog niet afgelopen. Gedeeltelijk worden resultaten van onderzoek nog steeds bestudeerd. Hierover zal mettertijd nog veel worden gepubliceerd. Wat echter veel belangrijker is, is dat onderzoek dat in Mir is gestart, vervolg zal krijgen in het nieuwe internationale ruimtestation ISS. Zoals de eerste Mir-2 module voortleeft in ISS als de Zvezda module, zo zal ook de onderzoeksgeest van Mir in ISS en haar bewoners worden uitgedragen.


De Soyuz U draagraket vormde het werkpaard voor de verbinding tussen aarde en het Mir ruimtestation. Het vervoerde zowel Soyuz-TM bemande ruimtevaartuigen als Progress-M vrachtruimtevaartuigen. [Energia]


13

Herschel, een nieuwe infrarood ruimtetelescoop Dr. J.J. Blom

Het heelal is op vrijwel alle golflengten van het elektromagnetische spectrum inmiddels matig tot relatief grondig bestudeerd. Dit heeft vele nieuwe inzichten in de natuurkunde van o.a. de vorming en evolutie van planeten, sterren, interstellaire materie, sterrenstelsels en bouw van het heelal opgeleverd. In de 21e eeuw is nu de tijd aangebroken om de opgedane kennis te verbreden door het doen van waarnemingen met gevoeligere instrumenten.

De infrarood hemel: drie belangrijke bronnen dragen bij tot de ver-infrarood hemel: ons zonnestelsel, de Melkweg en het heelal. Deze figuur toont de hemel op golflengten van 60-240 micron, gemaakt door de COBE satelliet. De S-vormige lichte zweem is afkomstig van stof en gruis in ons zonnestelsel (zodiakaal licht). Het vlak van onze Melkweg loopt als een lichte horizontale streep van stralend stof door het midden van de afbeelding. Wolken en stofslierten lopen verder duidelijk zichtbaar over de hele hemel. Uit analyses blijkt dat er op de achtergrond ook een zachte gloed aanwezig is, die afkomstig is van stralend stof dieper in het heelal. Dit stof is waarschijnlijk ook een overblijfsel van stervorming. [NASA]

14

De Hubble ruimtetelescoop en de combinatie van grote telescopen op aarde zoomen steeds verder in om de ware aard van objecten in het zichtbare licht te onthullen. Een hele vloot aan nieuwe Röntgen/gamma satellieten zal steeds duidelijker de hoogenergetische processen in het heelal blootleggen. Ook in de radioastronomie gaan de ontwikkelingen snel met nieuwe telescopen en gecombineerde waarnemingen met satellieten. In dit artikel zullen de vooruitzichten van de infrarood astronomie samengevat worden aan de hand van de onderzoeksdoelen van de Herschel Space Observatory satelliet die wordt gebouwd door de European Space Agency (ESA). Herschel heeft als werktitel Far-Infrared and Submillimetre Telescope (FIRST) en zal in 2007 gelanceerd worden.

Wat gaat Herschel waarnemen? Een belangrijk modern onderzoeksdoel betreft het ontstaan van sterrenstelsels. De ontstaansperiode van de eerste sterrenstel-

sels valt samen met de vroege ontwikkeling van het heelal. Wanneer men diep het heelal inkijkt, kijkt men terug in de tijd en zou men in principe de beginfase van het heelal kunnen zien. Echter, gas en stof op de voorgrond zorgen voor verduistering en verzwakking van het verre licht. Door stof dringt vrijwel geen zichtbaar licht, zodat maar weinig informatie verkregen kan worden over de fysische condities van het jonge heelal. Het ontstaan van de eerste sterrenstelsels is daarom letterlijk in stofnevelen gehuld. Echter, op infrarode golflengten kijkt men dwars door het stof heen, het wordt er nauwelijks door tegen gehouden. Bovendien kan men naar het stof zelf kijken omdat het een bron van infrarode straling is. Indirect leert men dan iets over de door het stof tegengehouden en opgenomen straling. Inderdaad hebben waarnemingen met bijvoorbeeld de Infrared Space Observatory (ISO) en de Cosmic Background Explorer (COBE) al wat van de sluier opgelicht.


De allereerste sterren in het heelal vormden zich waarschijnlijk in kleine groepjes (clusters) waar de materiedichtheid hoger was dan gemiddeld. Deze clusters groeiden aan door samenvoeging met andere clusters en door aantrekking van meer materie waaruit weer extra sterren gevormd werden. De eerste sterren stootten zelf ook gas en stof uit, waaruit weer nieuwe generaties sterren konden ontstaan. De inmiddels gegroeide clusters botsten en klonterden samen tot volwassen sterrenstelsels. Dit eenvoudige scenario kan wellicht verfijnd en duidelijker worden door de infraroodstraling waar te nemen van het stof rondom de eerste clusters van sterren. Het stof begint zelf in het infrarood te stralen doordat het wordt opgewarmd door het licht van jonge sterren. Het ontstaan van de eerste sterrenstelsels is dus gekoppeld aan de vorming van de eerste sterren. Men weet inmiddels dat sterren in de jongste vormingsfase gehuld gaan in een dikke stofnevel. Binnen de stofnevel (cocon) trekken gas en stof zich samen door de zwaartekracht. In feite zorgen koelingmechanismen via zo’n stofnevel ervoor dat de jonge ster bij dit samentrekken niet te snel opwarmt. Een snelle opwarming zou de samentrekking hinderen en dus een voortijdig einde van de geboorte van de jonge ster veroorzaken. De stofcocons rond jonge sterren zijn zeer koud (-260 graden Celsius) en daardoor vrijwel onzichtbaar. Er bestaan al wel voorbeelden van waarnemingen van stervorminggebieden, maar met Herschel zullen veel meer details op kleinere schaal zichtbaar worden, zodat het mechanisme van stervorming duidelijker zal worden.

netenstelsels als resultaat. Zowel protoplanetaire schijven als gruisringen rond sterren zijn waarneembaar in het infrarood. De waarnemingen met Herschel zullen tonen hoe de zich vormende planetenstelsels in verschillende stadia van ontwikkeling eruit zien. Hierdoor zal een beter inzicht in het hele proces van planeetvorming verkregen worden. Het planetenstelsel dat we het best kennen, is uiteraard ons eigen zonnestelsel. Infrarood waarnemingen aan de bekende planeten en kometen binnen het zonnestelsel kunnen op een groter detailniveau ook bijdragen aan de kennis over de vorming van een planetenstelsel. Waarnemingen met Herschel van bijvoorbeeld waterconcentraties op en rond planeten en in kometen zullen waardevolle informatie opleveren. Zo is het ontstaan van de oceanen op aarde misschien het gevolg van een heftige inslagperiode van vele kometen die waterijs bevatten. Deze theorie zou bevestigd kunnen worden wanneer er inderdaad water gevonden wordt op kometen.

Andere onderzoeksdoelen Behalve water, stralen ook heel veel andere moleculen op heel bepaalde golflengten in het infrarood of sub-mm gebied. Dat maakt Herschel tot een uniek instrument waarmee de chemie in het heelal bestudeerd kan worden. In tegenstelling tot wat men misschien zou verwachten in een heelal vol vernietigende straling, komen tamelijk ingewikkelde

Dit is een opname van een jonge zware ster gemaakt met de infrarood camera NICMOS aan boord van de Hubble telescoop. In het zichtbare licht is er niets te zien, omdat de ster dan schuil gaat achter grote stofwolken. Rond de ster zijn een stuk of zes andere kleine sterren in wording zichtbaar. Waarschijnlijk zijn die ontstaan doordat snelle gasen deeltjeswinden van de zware ster materie heeft samengedrukt in zijn omgeving. De strepen en ringen op de foto zijn hoofdzakelijk instrumentele effecten. [NASA]

Hoe ontstaan planeten? Planetenvorming is een ander hot topic in de sterrenkunde. Het eenvoudigste vormingsmodel gaat uit van steeds verdergaande verdichtingen in de stofschijf rond een jonge ster (een protoplanetaire schijf). De verdichtingen vegen deze stofschijf schoon, zodanig dat planeten, ringen met gruis en komeetwolken overblijven. De details van dit proces zijn echter niet bekend. Tot nog toe lijken de waarnemingen zeer verschillende scenario’s toe te laten, met zeer verschillende pla-


15

Dit zijn Hubble opnamen in het infrarood van stofringen rond twee jonge sterren. “Star”geeft de positie van de centrale sterren aan. De cirkels daaromheen geven het gebied aan waar licht door het instrument is afgedekt, om de veel zwakkere straling uit de omgeving van de sterren te kunnen vastleggen. Ter vergelijking van de afstandsschalen is de baan van Neptunus rond de zon ingetekend. Er is in beide stofringen of –schijven duidelijk structuur te zien, die mogelijk veroorzaakt wordt door planeten. [NASA]

moleculen op veel plaatsen voor. Ze worden gecreëerd rond sterren en hopen zich op in donkere beschermende gasen stofwolken. Infrarood straling heeft een lagere energie dan zichtbaar licht en wordt daarom geassocieerd met relatief koele bronnen: koude objecten die in zichtbaar licht niet kunnen worden waargenomen, kunnen in het infrarood helder genoeg zijn om ontdekt te worden. Herschel zal daarom op zoek gaan naar nieuwe koele bronnen. Behalve de bronnen die eerder genoemd zijn, staan ook planetoïden, bruine dwergen en protosterren op het verlanglijstje van Herschel.

De Herschel telescoop (Herschel Space Observatory). [ESA]

16

De instrumenten van Herschel De Herschel satelliet is ongeveer 7 meter hoog en 4,5 meter breed en weegt bij lancering 3,25 ton. Aan boord bevindt zich de infrarood telescoop en drie wetenschappelijke instrumenten. De hoofdspiegel met een diameter van 3,5 meter is duidelijk zichtbaar bovenaan in de figuur linksonder. Een tweede kleine spiegel boven de hoofdspiegel bundelt licht in de richting van gevoelige detectoren die in een soort grote thermosfles (de cilinder direct onder de telescoop) op zeer lage temperatuur gehouden worden. Deze cryostaat wordt gekoeld door meer dan 2000 liter vloeibaar Helium tot een paar graden boven het absolute nulpunt (–271 graden Celsius). Dit Helium verdampt langzaam en bepaalt daardoor de levensduur van het observatorium (geschat op minstens drie jaren). De lage temperatuur is nodig om geen last te hebben van thermische ruis, ofwel de infraroodstraling van de instrumenten zelf in plaats van de hemelobjecten. Duidelijk is ook een groot zonnescherm te zien achter de telescoop. Onder de cryostaat zit de service module (achthoekig) voor o.a. de warme elektronica en communicatie. Het HIFI (Heterodyne Instrument for FIRST) instrument is een hoge-resolutie spectrometer die gelijktijdig het licht in zeer veel frequenties uiteen rafelt tussen 480-1250 GHz en tussen 1410-1910 GHz. De detectoren bestaan uit supergeleidende mixers, welke


gebouwd worden door een consortium dat geleid wordt door SRON in Groningen. De PACS (Photoconductor Array Camera and Spectrometer) is zowel een infrarood camera als spectrometer. Dit instrument neemt in het golflengte gebied van 60-210 micron waar en wordt onder leiding van het Max-Planck instituut in Garching (Duitsland) gebouwd. De SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) zijn camera’s en spectrometers die simultaan afbeeldingen kunnen maken in drie golflengtebanden rondom 250, 350 en 500 micron. Dit instrument wordt onder leiding van het Queen Mary en Westfield College (Londen) gebouwd.

Welke baan? Herschel zal samen met een andere ESA missie (Planck) met een Ariane-5 gelanceerd worden in 2007. Het gezamenlijke lanceergewicht zal ongeveer 5300 kg bedragen. Snel na de lancering worden Planck en Herschel gescheiden en volgt iedere satelliet haar eigen baan. Herschel zal dan vier maanden op weg gaan naar het tweede Lagrange punt (L2) van het aarde-zon systeem. L2 is ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de aarde verwijderd, in tegenovergestelde richting van de zon. Herschel zal feitelijk een baan rond L2 volgen, waardoor de afstand tot de aarde zal variëren tussen 1,2 en 1,8 miljoen kilometer. Deze baan is licht onstabiel, waardoor iedere maand kleine baancorrecties nodig zullen zijn. Toch is een baan rond L2 ideaal voor infrarood waarnemingen; het is ver genoeg weg van de infraroodstraling van aarde en maan. Bovendien staan de felle zon


en de aarde vanuit de satelliet altijd in hetzelfde deel aan de hemel, zodat altijd een groot deel van de rest van de hemel vrij waarneembaar is.

Conclusie Met Herschel zal ESA een belangrijk instrument hebben om eindelijk meer licht in de duisternis te werpen op het ontstaan van planeten, sterren en melkwegstelsels. Het instrument zal waarnemingen verrichten in een zeer breed infrarood – submillimeter golflengtegebied van 80 tot 670 micron. Nog nooit eerder is dit gedeelte van het spectrum zo goed bestudeerd als met Herschel mogelijk zal zijn. We moeten tot 2007 wachten, maar dan zullen de kranten zeker vol staan met nieuwe ontdekkingen.

Opname van de komeet Hale-Bopp die in het voorjaar van 1997 op veel plaatsen in de wereld met het blote oog goed waarneembaar was. De opname toont Hale-Bopp boven het Joshua Tree National Forest in Californië (VS). De foto toont zowel een gebogen heldere stofstaart als een zwakkere rechte staart van geïoniseerd gas die met de magneetvelden van de zonnewind wordt meegevoerd. Herschel zal gasen stofcomponenten in kometen bestuderen zodat we meer te weten komen over de samenstelling van de materie waaruit het zonnestelsel is gevormd. [NASA]

17

Het Mir ruimtestation

Recommend Documents