Ruimtevaart. Inhoud. Jaargang 54 Nummer 5. De toekomst van touw Ir. Michiel Kruijff. Introductie Redactie

Ruimtevaart

Oktober 2005 Jaargang 54 Nummer 5

Inhoud

2

Introductie Redactie

3

Ruimtetransportsystemen in de Evolutie of Revolutie Berry Sanders

8

Aardobservatie en Navigatie Toekomstverwachtingen Ir. G.D. Hazebroek

21ste

eeuw

14

C4ISR & Network Centric Warfare Militaire commandovoering en ruimtevaart Henk H.F. Smid

19

Het is allemaal de schuld van de bedrading Een andere kijk op Microsysteemtechnologie Johan Leijtens

24 29

Kleine satellieten Dr. Stuart Eves

34

De toekomst van touw Ir. Michiel Kruijff

38 42 46 48 53 57

Onbemande Exploratie van de Ruimte Harry Blom

62

Een toekomst voor Astrobiologie? Stefan Schröder Ruimteweer Torsten Bieler 21ste eeuw: De mensheid verkent het zonnestelsel Marco van der list Ruimtetoerisme Michel van Pelt Exploitatie van de ruimte Hoe ver zijn we van sciencefiction verwijderd? Bas Theelen Interstellaire missies Sciencefiction of een kwestie van tijd? Alessandro Atzei

Voortstuwingstechnologie in de 21ste eeuw Quo Vadis Ton Maree en Berry Sanders

RUIMTEVAART OKTOBER 2005

1

Introductie Redactie

De meeste artikelen in Ruimtevaart gaan over huidige gebeurtenissen en de nabije toekomst, over hoe het met het ISS staat, of over de ontwikkeling van de nieuwste generatie aardobservatiesatellieten. Er wordt over het algemeen maar weinig aandacht besteed aan de wat verdere toekomst, zo vanaf 2015 tot ongeveer het einde van deze eeuw. Er wordt echter door universiteiten, onderzoekinstituten, visionairs en allerlei lobbygroepen wel degelijk gewerkt aan het plannen en ontwikkelen van die toekomst.

De toekomst ligt niet vast. We wachten nog steeds op enorme ruimtebases en lijnvluchten naar de maan, waarvan in de jaren zestig iedereen verwachtte dat die in het jaar 2001 werkelijkheid zouden zijn. Internet en mobiele telefonie via satellietverbindingen hadden echter weinig experts destijds voorzien. Ook een aantal van de nu als realistisch gepresenteerde ideeën zullen in de tijd als achterhaald van het toneel verdwijnen, en andere niet te voorziene mogelijkheden zullen hun intrede doen.

In dit speciale nummer van Ruimtevaart wil de redactie daarom hieraan aandacht besteden. We hebben diverse mensen gevraagd hun visie te geven op de mogelijke ontwikkelingen in hun expertisegebied. Iedereen werd verder vrij gelaten in de precieze projecten en ideeën waarnaar werd gekeken, hun persoonlijke analyses, en de beschrijving daarvan. Het resultaat is een bijzonder interessante verzameling artikelen over de meest uiteenlopende onderwerpen, van bemande Marsreizen tot ruimteliften, van mogelijk haalbaar tot zeer waarschijnlijk onrealistische sciencefiction.

Uiteraard zal de mate van vooruitgang in de toekomst niet alleen afhankelijk zijn van ons technologische vernuft. Ruimtevaart wordt, zeker tegenwoordig, continu geconfronteerd met de politieke en maatschappelijke implicaties van de vaak hoge kosten. Toegegeven, in een tijd van economische tegenvallers kan niet worden verwacht dat een discipline als ruimtevaart, die sterk afhankelijk is van openbare steun, ongemoeid wordt gelaten. Echter, het is belangrijk te beseffen dat de grote invloeden van de ruimtevaart niet kunnen worden uitgedrukt in vaak kortzichtige en korte termijn kosten-batenanalyses. Ter illustratie: indien men altijd zo naar de ruimtevaart zou hebben gekeken, zouden we ons vandaag niet realiseren hoe belangrijk het is dat we voorzichtig omgaan met het milieu. Het besef dat onze aarde een relatief klein en fragiel schip is, dat door een flinterdunne en uiterst kwetsbare atmosfeer wordt beschermd tegen de onmetelijke en vijandige ruimte, kan niet in geld worden uitgedrukt.

De redactie heeft met opzet niet geprobeerd alles tot één verhaal met één schrijfstijl te smeden. Wij hebben de auteurs gevraagd hun gedachten de vrije loop te laten, en de verschillen in aanpak zijn daar het gevolg en een belangrijk deel van. Het is daarom zeker mogelijk dat de visies die in het ene artikel worden geuit niet overeenkomen met die in een ander artikel. We laten het aan de lezer zelf over om conclusies te trekken; niemand kan tenslotte claimen de absolute kennis over de toekomst in pacht te hebben. Er zit wel een logische volgorde in de artikelen. We beginnen dicht bij huis. Hoe kunnen we in de toekomst satellieten en mensen in de ruimte brengen, hoe zullen toekomstige satellieten eruit zien en wat zal de ruimtevaart voor het leven op (en rond) onze planeet gaan betekenen op het gebied van navigatie, aardobservatie of defensie? Vervolgens wordt bekeken hoe we verder het zonnestelsel in kunnen met behulp van nieuwe voortstuwingstechnieken en supersterke ruimtekabels. Dan volgen enkele artikelen over wat we in de ruimte voorbij de aarde zullen onderzoeken en hoe we dat zullen doen. Welke wetenschappelijke doorbraken kunnen we verwachten? Is buitenaards leven mogelijk en (hoe) kunnen we het waarnemen? Hoe ver zal de mens in het zonnestelsel kunnen reiken? Het blad eindigt met de echt verre toekomst: visies over de exploitatie van de maan en asteroïden, en plannen voor interstellaire reizen.

2

Tegenwoordig is het moeilijker om de financiering van ruimtevaartprogramma’s rond te krijgen dan het verwezenlijken van de technologische uitdagingen die met de ambitieuze projecten gepaard gaan. Bezuinigingen op de ruimtevaart en op technologie in het algemeen, doen onze kenniseconomie wankelen. En de lange termijn effecten, zoals het gebrek aan inspiratie voor de nieuwe generatie studenten om wetenschap en techniek te gaan studeren, zullen de hier gepresenteerde voorspellingen zeker niet ongemoeid laten. Een gedachte die we u als lezer toch niet willen onthouden. Dit neemt niet weg dat deze Ruimtevaart de toekomstperspectieven schetst zoals die nu – anno 2005 – door de diverse auteurs worden gezien. Bewaar dit nummer goed en lees het over 25 jaar weer eens. U zult er dan ongetwijfeld nogmaals veel plezier aan beleven.


Ruimtetransportsystemen in de 21ste eeuw Evolutie of revolutie? Berry Sanders, TNO Defensie en Veiligheid

Voorspellingen doen over de toekomst is een hachelijke zaak. In dit artikel zal de auteur desondanks trachten een voorspelling te doen over wat ons op het gebied van ruimtetransportsystemen te wachten staat.

Aanpak Om een gefundeerde voorspelling te doen over wat er de komende honderd jaar gaat gebeuren op gebied van ruimtetransportsystemen, kan men twee paden volgen: extrapoleren of terugrekenen. In het eerste geval kan men proberen de huidige technologie te extrapoleren, geholpen door scenario’s die mogelijke ontwikkelingen in de wereld beschrijven. Als men gaat terugrekenen geeft men zelf aan op welk punt in de toekomst men een bepaalde capaciteit of technologie wil hebben en gaat daarna bepalen welke acties wanneer genomen moeten worden om dit punt te bereiken. Omdat de ontwikkeling van ruimtetransportsystemen sterk afhangt van de (onvoorspelbare) politieke en economische omgeving, zal voornamelijk aandacht aan de extrapolatiemethode worden gegeven. Daarna zal kort worden onderzocht wat de terugrekenmethode zou opleveren.

Ontwikkeling van ruimtetransportsystemen Al voor de lancering van de eerste Sputnik werd er nagedacht over toekomstige lanceersystemen. Vrijwel alle toekomstige lanceersystemen die ooit bedacht zijn, zijn op een of ander manier herbruikbaar of hebben herbruikbare componenten. Dit is logisch omdat alle andere bekende transportsystemen (auto’s, treinen, vliegtuigen, ja zelfs paard en wagen) herbruikbaar zijn. De voornaamste reden waarom er nog geen herbruikbare lanceersystemen zijn, lijkt technologie te zijn, maar is in werkelijkheid economisch van aard. In eerste instantie lijkt het antwoord te zijn: “Omdat de technologie die voor een herbruikbaar systeem nodig is nog niet bestaat”. Echter, de reden waarom er sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw maar heel beperkt geld beschikbaar is voor technologieontwikkeling op dit gebied is economie. Er is kennelijk niet voldoende behoefte om de

Voorspellen is een hachelijke zaak De kans is groot dat de hier gedane voorspelling maar gedeeltelijk of geheel niet uitkomt; de auteur bevindt zich daarbij in goed gezelschap. Zo bewees de beroemde Engelse natuurkundige Lord Kelvin eind negentiende eeuw dat vliegen met machines zwaarder dan lucht onmogelijk was. Ook de uitspraak van een van de Warner broers in de jaren twintig, die in een discussie over de ontwikkeling van films met geluid opmerkte: “Who the hell wants to hear actors talk?” is in dat opzicht illustratief. Tot slot werd er in de jaren vijftig, nadat een voor die tijd grote computer (een magnetronoven van tegenwoordig heeft waarschijnlijk meer rekenkracht) bij het Shell laboratorium was geplaatst, door een geleerde opgemerkt dat met vijf van deze apparaten de gehele behoefte van Nederland gedekt kon worden.


investering in de ontwikkeling van de technologie te rechtvaardigen. Zonder een duidelijke behoefte of noodzaak voor goedkopere lanceersystemen zal het moeilijk blijven geld te vinden om ze te ontwikkelen. Deze gedachtegang staat ook bekend als market pull waarbij de behoefte de technologieontwikkeling stimuleert. Dit is overigens niet de manier waarop de huidige lanceerrakettechnologie tot stand is gekomen; hier was sprake van technology push. Vanwege de militaire vraag naar langeafstandsraketten werd de basistechnologie voor lanceerraketten ontwikkeld, en politieke ambities zorgden er daarna voor dat deze technologie werd gebruikt om ambitieuze ruimtevaartprogramma’s op te zetten. Toen deze infrastructuur er was, zag men ook mogelijkheden deze commercieel te benutten, bijvoorbeeld door communicatie satellieten te bouwen en te lanceren.

Externe factoren en scenario’s Om een inschatting te maken over hoe de ontwikkelingen in de wereld de ontwikkeling van ruimtetransportsystemen beïnvloeden, kan men kijken naar een aantal externe factoren, die ook wel PESDT (Politiek/ juridisch, Economisch / ecologisch, Sociaal, Demografisch en Technisch) genoemd worden. Politiek/juridisch Het is zo goed als onmogelijk om de politieke ontwikkelingen tot het einde van deze eeuw te voorspellen, maar

3

enkele zaken zijn wel waarschijnlijk. De westerse wereld zal steven naar integratie (Europese unie) en stabiliteit. Ruimtevaartontwikkelingen kunnen een manier worden om deze samenwerking uit te dragen, zoals dat nu al gebeurt met het ISS project. Aziatische landen zoals China en India zullen steeds belangrijker worden en mogelijk zal er een competitiestrijd (koude oorlog) ontstaan met de westerse landen. In het geval van wereldomvattende samenwerking zal de ontwikkeling van een herbruikbaar lanceersysteem een onderdeel kunnen zijn, maar milieu en energievoorziening zullen belangrijkere problemen zijn en zullen betere voorbeelden zijn om de samenwerkingsgedachte uit te dragen. In het geval van competitie zal de wens ontstaan prestige projecten te starten om het kunnen van een land te demonstreren. Bij een stabiele wereld is er ook een kans dat er weinig politieke interesse in ruimtevaart zal zijn en dat de ontwikkeling van herbruikbare lanceersystemen zeer langzaam zal verlopen. Economisch/ecologisch Op economisch en ecologisch gebied zal er in de komende honderd jaren

veel aandacht zijn voor het milieu en duurzaamheid. Delfstoffen en fossiele brandstoffen zullen in deze periode voor een groot deel opraken en verdere vervuiling van het milieu zal niet getolereerd kunnen worden. Dit pleit voor een herbruikbaar lanceersysteem met milieuvriendelijke stuwstoffen. Als er delfstoffen en energiebronnen in de ruimte moeten worden aangeboord, zal transport van en naar de aarde op grote schaal moeten gaan plaatsvinden. Een bijzonder milieuprobleem is de dreiging van een inslag door een meteoriet of komeet uit de ruimte. Ook in dit geval zal ruimtevaart een belangrijke oplossing kunnen bieden en zullen fondsen voor transport naar de ruimte beschikbaar komen. Sociaal Als de welvaart en het opleidingsniveau blijft stijgen zoals het de afgelopen honderd jaren heeft gedaan, komen er mogelijkheden voor nieuwe vormen van vermaak zoals ruimtetoerisme. Maar als oorlogen of sterk stijgende kosten van levensonderhoud (vergrijzing, opraken van natuurlijke hulpbronnen) de welvaart drukken, zal er weinig animo zijn voor een ‘luxe’ zoals ruimtevaart.

Demografisch In de westerse wereld zal de bevolking steeds verder verouderen waardoor er steeds meer geld nodig is voor gezondheidszorg en pensioenen. Hierdoor zal er minder geld zijn voor ambitieuze ruimtevaartprojecten. De bevolking in Azië zal blijven groeien wat weer eigen problemen met zich mee zal brengen. Technisch Ook in deze eeuw zal de technologische ontwikkeling in materialen, voortstuwingsystemen, constructiemethoden e.d. verder gaan. De opkomst van micro- en nanotechnologie zal nieuwe gebieden open leggen. Te denken valt aan zeer sterke en multifunctionele nanomaterialen, zelf bouwende en replicerende systemen (bijvoorbeeld intelligente reparatiekits) en nanoelektronica die superkleine en supersnelle computers mogelijk maken. Het is natuurlijk mogelijk dat een technologische doorbraak de ontwikkeling van ruimtetransportsystemen zal versnellen.

Mogelijke toekomstige scenario’s Met de ontwikkelingen per factor als uitgangspunt te nemen, kunnen drie mogelijke scenario’s worden opgesteld voor de ontwikkeling van ruimtetransportsystemen. Scenario 1: Geen of beperkte ontwikkeling van de ruimtevaart In dit scenario gaat al het ontwikkelingsgeld naar het oplossen van milieuen energievraagstukken en vrijwel niets naar ruimtevaart. De ruimtevaart zal dan maar een beperkte rol spelen in het oplossen van deze problemen. Ook zal geen grote politieke wens voor samenwerking of competitie ontstaan die stimulerend voor de ruimtevaart gaat werken.

Ideeën over het herbruikbare lanceersysteem programma van de ESA. [ESA]

4


Technische ontwikkelingen en doorbraken Een aantal technische ontwikkelingen en doorbraken die we zouden kunnen verwachten zijn: – Zelfreplicerende systemen: lanceer alleen een intelligente basismodule die in de ruimte zelf een satelliet opbouwt met hulpbronnen in de ruimte (zonne-energie, delfstoffen van planetoïden, kometen, de maan of mogelijk zelfs ruimtepuin). Het zo ontstane systeem vliegt zelf naar zijn uiteindelijke baan. Een minder geavanceerde vorm hiervan is stuwstofproductie op de maan of op Mars of zelfreparerende structuren. – Geavanceerde luchtgebruikende motoren: door de ontwikkeling van efficiënte en betrouwbare ramjet en scramjet motoren en bijbehorende materialen kunnen herbruikbare ruimtetransportsystemen veel gemakkelijker worden gerealiseerd. – Microtechnologie: gebruik makend van microtechnologie wordt een verregaande integratie mogelijk en kunnen elektrische en besturingsystemen dramatisch kleiner worden en gelijktijdig veel meer functionaliteit bieden. De traditionele equipment bay zal verdwijnen en de besturing van de raket wordt gedaan door systemen in de satelliet. Lanceercampagnes zullen ook veel korter worden door zelf controlerende, configurerende en reparerende systemen. Raketten zullen hierdoor kleiner en efficiënter worden en kunnen dan zonder veel voorbereidingen gelanceerd worden. – Ondersteunde lancering: een belangrijke reden voor de hoge kosten van lanceringen is dat het gehele systeem ruimtevaart gekwalificeerd moet zijn. Door een groot deel van het lanceersysteem op aarde te plaatsen en maar een klein deel vliegend te maken, kunnen deze kosten worden beperkt. Dit is de basis voor launch assist of ondersteunde lancering. Voorbeelden hiervan zijn lancering vanuit een vliegtuig, elektromagnetische versnelling op de grond en kanonlanceringen, en laservoortstuwing vanuit een vaste opstelling. De ultieme vorm van een ondersteunde lancering is de ruimtelift gemaakt van supersterke nanomaterialen waarbij helemaal geen raketvoortstuwing meer nodig is. - Nanotechnologie in structuren: hiermee kunnen structuren gemaakt worden die tot nu toe ongehoorde mechanische eigenschappen hebben en zelfreparerend zijn. Mogelijke toepassingen zijn hoogwaardige materialen voor lichte constructies die bijvoorbeeld een thermische belasting kunnen dragen. Mogelijk zullen deze constructies ook herconfigureerbaar zijn, dwz dat ze in de vlucht op commando een andere vorm kunnen aannemen zodat het voertuig voor elke snelheid een optimale vorm kan aannemen. Op deze manier zouden efficiënte herbruikbare voertuigen gebouwd kunnen worden en mochten er nanomaterialen worden ontwikkeld met voldoende sterkte, dan wordt ook bijvoorbeeld een ruimtelift mogelijk. - Nanotechnologie in stuwstoffen: door nanomaterialen in stuwstoffen te verwerken, zouden de prestaties van motoren verder kunnen worden opgevoerd doordat hierdoor stuwstofcombinaties tot stand kunnen worden gebracht die nu nog niet mogelijk zijn. - Doorbraak in de natuurkunde: mocht een nieuwe vorm van energie beschikbaar komen die nu nog niet mogelijk of zelfs bekend is (analoog aan de ontwikkeling van kernenergie in de 20 ste eeuw), dan zijn de mogelijkheden eindeloos. Zo is het waarschijnlijk dat er zeer energetische, maar ook exotische vormen van waterstof en helium zijn, die mogelijk onder zeer hoge drukken gemaakt kunnen worden. Ook antimaterie past in dit rijtje. Het is nog niet bekend of en hoe deze stoffen op een economische wijze kunnen worden geproduceerd en opgeslagen, laat staan hoe ze in een motor moeten worden gebruikt. Het kan ook dat de natuurkunde nieuwe krachten of inzichten oplevert zoals de String of de Membraan Theorie die nieuwe vormen van ruimtereizen mogelijk maken zoals reizen via andere dimensies of het opvouwen van de ruimte.

Scenario 2: Nieuwe niche markten in de ruimtevaart Dit scenario is hetzelfde als het eerste, maar er ontstaan nieuwe niche markten voor ruimtevaartprojecten vanwege nationaal prestige, of er ontstaan nieuwe commerciële activiteiten in de ruimtevaart zoals toerisme.


Scenario 3: Grote ruimtevaart ontwikkelingen In dit scenario zal ruimtevaart een belangrijke rol spelen in het oplossen van problemen op aarde. Bijvoorbeeld door mijnbouw in de ruimte, energiecentrales in de ruimte, voorkomen van een meteorietinslag of een groot politiek prestige project zoals bemande exploratie van de ruimte.

Mogelijke ontwikkelingen in scenario 1: In dit scenario zal ruimtevaart niet helemaal verdwijnen omdat het onderdeel uitmaakt van een bestaande infrastructuur (communicatie, navigatie, aardobservatie en wetenschap) maar de behoefte aan transport van de aarde naar de ruimte zal niet groeien. Er zal dan ook weinig tot geen technologiefinanciering zijn voor nieuwe lanceer-

5

systemen. Dit betekent dat de aloude en vertrouwde wegwerpraket voorlopig dienst zal blijven doen. Hij zal wel continu verbeterd worden, voornamelijk om de kosten omlaag te brengen. Een aantal mogelijkheden hiervoor is: – Gebruik van microtechnologie om het gewicht van elektronica, sensoren en geleidingsystemen te verminderen; – Gebruik van nanomaterialen om structuren lichter te maken; – Nieuwe stuwstoffen met hogere prestaties. In dit scenario zal de technologieontwikkeling in de ruimtevaart voor een groot deel afhankelijk zijn van spinin: het gebruiken van technologie die voor andere doeleinden is ontwikkeld. Een belangrijke bron kan militaire technologie zijn. Zo zijn er op dit moment twee militaire technologieën in ontwikkeling die grote invloed kunnen hebben op de ruimtevaart. De eerste is de ontwikkeling van hypersone geleide wapens met een groot bereik door gebruik te maken van luchtgebruikende ramjet en scramjet motoren. Deze zouden als eerste trap van een herbruikbaar lanceersysteem kunnen worden gebruikt. De tweede is de ontwikkeling van zeer sterke lasers die niet alleen als wapen maar ook voor laservoortgestuwde raketten kunnen worden gebruikt. Een dergelijke laser zou, als onderdeel van een laser lanceersysteem, ook gebruikt kunnen worden voor het lanceren van kleine satellieten. Mogelijke ontwikkelingen in scenario 2 In het tweede scenario is er sprake van een groei in de behoefte aan ruimtetransportsystemen. Deze komt van een nieuwe specifieke marktbehoefte waarbij men moet denken aan planetaire exploratie in internationaal verband of als competitie in een nieuwe koude oorlog. Een andere mogelijkheid is de ontwikkeling van bijvoorbeeld ruimtetoerisme.

6

Hiermee zal de vraag naar transport in de ruimte toenemen en worden door een groter aantal vluchten herbruikbare systemen steeds interessanter. Als internationale competitie (wie is er het eerste op Mars) of samenwerking (samen naar Mars) ten grondslag ligt aan de ontwikkeling, dan kan deze redelijk snel gaan: de politiek stelt fondsen beschikbaar om de systemen en hun technologie te ontwikkelen. Hierdoor kán de ontwikkeling snel gaan, maar er is ook de mogelijkheid dat een Apollo-effect optreedt: zodra het doel bereikt is, verliest de politiek interesse en drogen de fondsen op. Als een commerciële ontwikkeling zoals ruimtevaarttoerisme de reden vormt, dan zal die ontwikkeling langzaam en in stappen verlopen. Eerst zullen er sub-orbitale vluchten plaatsvinden, die steeds hoger en langer zullen duren. Uiteindelijk zullen vluchten naar een baan om de aarde gaan plaatsvinden waarbij het verblijf steeds langer zal worden. Hierbij zal technologie, zoals bijvoorbeeld van luchtademende motoren vanuit defensie, een rol spelen. Deze ontwikkeling zal veel duurzamer zijn dan een politiek geïnitieerde ontwikkeling.

Mogelijke ontwikkelingen in scenario 3 In dit scenario ontstaat er een grote behoefte aan ruimtetransportsystemen doordat er veel activiteiten in de ruimte gaan plaatsvinden en veel producten van de ruimte naar de aarde en terug moeten worden vervoerd. Denk bijvoorbeeld aan energiecentrales in de ruimte of mijnbouw op planetoïden of de maan. Het kan zijn dat deze activiteiten noodzakelijk worden vanwege uitputting van natuurlijke hulpbronnen op aarde en dat de ontwikkeling van goedkope ruimtetransportsystemen noodzakelijk wordt (technology pull). Een andere mogelijkheid is een technologische doorbraak die goedkoop ruimtetransport mogelijk maakt, analoog aan de ontwikkeling van de straalmotor in de luchtvaart (technology push). Het kan de ontwikkeling van een efficiënte en betrouwbare luchtgebruikende raketmotor zijn, maar ook bijvoorbeeld de bouw van een ruimtelift, mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van supersterke materialen. Als deze doorbraak in de eerste helft van deze eeuw plaatsvindt, dan zal het waarschijnlijk een luchtgebruikende motor zijn. In de tweede helft van

Concept voor een ruimtevliegtuig met luchtademende motoren. [NASA]


deze eeuw is een doorbraak die een exotische vorm van ruimtetransport mogelijk maakt waarschijnlijker. In dit scenario verlaat de mens definitief de aarde en zal kolonisatie van de maan en planeten beginnen.

Een efficiënt ruimtetransportsysteem in 2025 In het voorgaande is uitgegaan van mogelijke algemene ontwikkelingen en hieraan zijn mogelijke scenario’s voor de ontwikkeling van ruimtetransportsystemen gekoppeld. De ontwikkeling van deze systemen volgt dus de algemene ontwikkeling van de maatschappij. We kunnen ook een bepaald doel stellen en kijken welke stappen nodig zijn om dat doel te bereiken. Dus als we ons tot doel stellen voor 2025 een efficiënt ruimtetransportsysteem te ontwikkelen, kunnen we inschatten welke stappen genomen dienen te worden. Deze vraag is al vele malen gesteld en er zijn diverse plannen opgesteld om tot een dergelijk systeem te komen. Alle plannen hebben tot nu toe gefaald omdat de investeringen zeer groot en risicovol zijn, waardoor private ondernemingen afhaken en publieke fondsen politiek niet haalbaar bleken te zijn. Allereerst moet men bepalen welk systeem men wil bouwen. Om voor 2025 een vliegend systeem te hebben, lijkt een raketaangedreven tweetraps herbruikbaar systeem het meest haalbaar. Men zal dan moeten zorgen dat het ontwikkelingsprogramma voor vele jaren een stabiele bron van inkomsten heeft en dat er ruimte is om eventuele tegenvallers (die er vast zullen komen) op te vangen. Als de fondsen beschikbaar worden gesteld, zal men moeten starten met een programma dat stapsgewijs de technologie opbouwt en demonstreert. Hierin zullen testvoertuigen (waarvan


Toekomstig ruimtevliegtuig. [NASA]

de functionaliteit stapsgewijs in de richting van de einddoelstelling komt) een grote rol spelen. Als een tweetraps raketaangedreven herbruikbaar systeem gerealiseerd is, kan men verder ontwikkelen in de richting van een luchtgebruikend systeem, of een eentraps systeem. Echter, in de huidige economie lijkt het zo goed als uitgesloten dat er voor langere tijd stabiele fondsen komen om een dergelijke ontwikkeling te realiseren. De voornaamste reden is dat er geen politieke noodzaak of commerciele interesse is om grote hoeveelheden lading goedkoop naar de ruimte te transporteren. Kortom, er is geen duidelijke markt.

Conclusies De voornaamste conclusie is dat een grootschalige ontwikkeling van een herbruikbaar lanceersysteem er voorlopig niet inzit. Van de drie scenario’s is mijn persoonlijke inschatting dat scenario 2 het meest realistisch is, waarbij de komst van ruimtevaarttoe-

risme de nieuwe niche markt wordt. De toeristische markt zal zich echter vrij langzaam ontwikkelen en het zal vele jaren duren voordat deze route een herbruikbaar lanceersysteem voor vluchten naar een baan om de aarde heeft opgeleverd. Op de echt lange termijn is scenario 3 toch het meest waarschijnlijke. Tenzij de mensheid een gesloten, volledig recyclebaar ecosysteem weet op te zetten, zullen energie en delfstoffen nodig zijn die op den duur van buiten onze planeet moeten komen. Een goedkope infrastructuur voor heen en terugverkeer is daarbij noodzakelijk. Wanneer dit zal gebeuren? Ik denk niet dat we dat in deze eeuw nog zullen meemaken en daarom laat ik het maken van een inschatting graag over aan een toekomstig redactielid van Ruimtevaart, die in 2105 een vervolg op dit artikel schrijft.

7

Aardobservatie en Navigatie Toekomstverwachtingen Ir. G.D. Hazebroek

Aardobservatie Aardobservatie vanuit de ruimte is de ultieme stap in het verlangen van de mens om een steeds groter gebied op aarde te overzien. Dit maakt aardobservatie haast vanzelfsprekend tot één van de eerste ruimtevaarttoepassingen. Op dit moment wordt aardobservatie zowel via satellieten als via (onbemande) vliegtuigen uitgevoerd. In de komende jaren komt hier nog een derde categorie bij, de zogenaamde high altitude airships, die zich letterlijk hiertussen bevindt. Het observeren van de aarde via vliegtuigen en luchtschepen is eenvoudiger en goedkoper dan vanuit de ruimte.

Er kleven echter belangrijke nadelen aan. Zo zijn er beperkingen aan het opereren in een luchtruim, vanwege de soevereiniteit van landen. Ook is de operatieduur beperkt. Een onbemand vliegtuig kan slechts enkele dagen, en in de toekomst enkele weken, autonoom opereren. High altitude airships houden het enkele maanden vol, maar zeker niet langer. Voor satellieten gelden dergelijke beperkingen niet. Door de hoogte waarop satellieten opereren kan bovendien een groot gebied ineens worden geobserveerd. Om een inschatting te geven van de ontwikkeling van ruimtegebonden aardobservatie in de komende decennia

is het goed om eerst te kijken naar de huidige beperkingen van het gebruik van satellietbeelden. Hoewel de resolutie van satellietfoto’s de laatste jaren indrukwekkend is toegenomen, is de resolutie van apparatuur die detecteren in andere golflengten, zoals radar-, multi-, hyper- en ultraspectrale sensoren, beduidend minder. Satellieten zijn bovendien zelden onmiddellijk beschikbaar. Het duurt (bij de inzet van één satelliet) uren tot dagen voordat de satelliet een opname van een bepaald gebied kan maken. Ook beperkt het gebruik van satellietfoto’s zich hoofdzakelijk tot specialisten. Daarnaast vereist de juiste interpretatie van beelden veel kennis. Vanwege de technische complexiteit, lagere resolutie en grootte van data is het gebruik van kleuren- en hyperspectraalbeelden nog beperkt. Het gebruik van satellietbeelden voor geografische toepassingen wordt bemoeilijkt doordat er weinig gestandaardiseerde, digitale en actuele detailkaarten zijn voor planningsdoeleinden. Dergelijke kaarten zijn duur en vereisen goed getrainde en ervaren cartografen. Ten slotte is de infrastructuur voor de ontvangst van beelden complex en versnipperd door de vele verschillende soorten aardobservatiesystemen.

Toekomstige ontwikkelingen

Hoge resolutie, multispectraal ruimtevaartbeelden zijn voor heel veel doeleinden aan te wenden. [Space Imaging]

8

Binnen nu en 50 jaar vinden er drie belangrijke ontwikkelingen binnen aardobservatie plaats. Ten eerste zullen sensorcapaciteiten verder verbeteren. In de afgelopen jaren is de visuele resolutie van commerciële satellietbeelden toegenomen van 1 meter in 2001 tot 0,25 meter in 2007. Militaire beelden hebben waarschijnlijk een nog hogere resolutie. Als deze lijn


wordt doorgetrokken, bereiken commerciële opnamen binnen twintig jaren de natuurkundig maximale resolutie van ongeveer 10 centimeter. Net zoals bij water worden lichtstralen namelijk bij een overgang van twee luchtlagen met verschillende temperatuur gebroken. Omdat de luchtlaag om de aarde geen constante temperatuur heeft, zal een lichtstraal dus telkens worden vervormd. Hierdoor ontstaat onscherpte. Technische middelen, zoals computertechnieken en automatisch corrigerende lenzen, worden in de periode hierna steeds meer gebruikt om een nog hogere resolutie te halen. Daarnaast verbetert de resolutie van andere typen sensoren, zoals radar-, multi-, hyper- en ultraspectrale opnameapparatuur. Hiermee wordt het verkrijgen van hoge resolutie beeldmateriaal onafhankelijk van de weersgesteldheid en het tijdstip van opname. Door opnamen in verschillende frequentiegebieden te combineren, neemt de hoeveelheid informatie die af valt te leiden uit zulke beelden, enorm toe. Ten tweede neemt de beschikbaarheid van satellietenbeelden aanzienlijk toe. Toepassing van micro- en nanotechnologie zorgt voor steeds kleinere en lichtere satellieten, die eenvoudiger te lanceren zijn. Steeds meer landen krijgen de beschikking over eigen aardobservatiemiddelen. Dit heeft een aantal gevolgen. De tijd dat een bepaald gebied vanuit de ruimte niet wordt geobserveerd, neemt fors af. Over een aantal decennia is het mogelijk om een bepaald gebied vrijwel continu vanuit de ruimte in de gaten te houden. Ook neemt de kostprijs van beelden af door het grote aanbod. Hiermee worden satellietfoto’s veel concurrerender ten opzichte van bijvoorbeeld luchtfoto’s. Ten derde verschuiven de toepassingen van strategisch gebruik naar toepassingen voor de korte tot zeer korte termijn. In de toekomst verloopt ontvangst van beelden niet uitsluitend meer via grote, vaste grondstations. Door ontwikkelingen op het gebied van


In de toekomst zorgen minisatellieten, zoals de Micron van Yuzhnoye (Oekraïne), voor een toename van de beschikbaarheid van satellietbeelden. [G.D. Hazebroek]

geheugendragers, datacompressie en breedbandverbindingen wordt het ook mogelijk satellietbeelden te gebruiken op mobiele toepassingen, zoals zakcomputers en mobiele telefoons.

Toepassingen Het gebruik van allerlei Geografische Informatie Systemen (GIS) aan het begin van deze eeuw ontwikkelt zich in de toekomst stormachtig verder.

Dit is mede te danken aan de uitwerking van het Europese GMES (Global Monitoring of Environment and Security) beleid. Bovendien wordt in de toekomst beter samengewerkt door militaire organisaties en overheden zoals de EU. Door het delen van nationale en commerciële satellieten is er bovendien een eigen EU-aardobservatiesysteem beschikbaar voor ondersteuning van politiek. Belangrijkste ontwikkeling wordt de koppeling van allerhande databases met informatie

9

afkomstig van aardobservatie. Parallel hieraan verloopt de ontwikkeling van datacompressie en verbindingen met zeer grote bandbreedte. Hierdoor is het mogelijk om grote datavolumes te verzenden. De automatisering van overheid en bedrijfsleven, en de opkomst van Internet, heeft een enorme hoeveelheid informatie relatief eenvoudig bereikbaar gemaakt. Voorbeelden zijn informatie over ruimtelijke ordening, zoals bestemmingsplannen, en bevolkingsregisters met informatie over leeftijdsopbouw, bevolkingsdichtheid, gezondheidsgegevens en armoedeverdeling. Hyperspectrale satellietbeelden leveren daarbij actuele informatie over bijvoorbeeld bevolking, infrastructuur, natuurlijke bronnen en gewassen. Combinatie hiervan resulteert in een haast eindeloze reeks toepassingen van GIS. Een aantal mogelijke toepassingen worden hieronder op een rijtje gezet. Een belangrijk thema is veiligheid en buitenlands beleid. Een voorbeeld is de ondersteuning van ontwikkelingshulp. Nauwkeurige gewasschattingen en lokalisering van mogelijkheden voor waterwinning zorgen voor een efficiëntere hulpverlening in ontwikkelingslanden. Ook kunnen zeer nauwkeurige voorspellingen worden gedaan over degradatie van landbouwgebieden, mogelijk gemaakt door de combinatie van historische waarnemingen en een stroom aan actuele informatie. Door vrijwel continu beschikbare beelden van potentiële conflictgebieden in de hele wereld worden betwiste grenzen en verplaatsingen van vluchtelingen of troepen in de gaten gehouden. Mocht er toch militair optreden nodig zijn in dergelijke gebieden, dan zijn nieuwe toepassingen beschikbaar. Voordat een internationale vredesmacht wordt overgebracht naar het gebied zijn onder andere gedetailleerde en vooral actuele landkaarten beschikbaar. Complexe missies tijdens een vredesoperatie zijn vooraf al uitgebreid in een simulator beoefend, waarbij het terrein aan de hand van satellietfoto’s zeer realistisch is gemodelleerd. Via ultraspec-

10

trale beelden wordt een tegenstander continu in de gaten gehouden, waarbij gecamoufleerde stellingen en namaakdoelen eenvoudig in kaart worden gebracht. Voor de wederopbouw na het conflict zijn militairen ter plaatse geïnformeerd over bijvoorbeeld de ligging van mijnen, de geschiktheid van terrein

om wegen en bruggen aan te leggen en de locatie van bruikbare waterbronnen. Bovendien vinden de naleving van vredesverdragen in crisisgebieden veel nauwkeuriger plaats. Tot slot creëren ontwikkelingen rond aardobservatie nieuwe mogelijkheden voor binnenlands beleid en burgerbescherming.

Direct na het passeren van orkaan Katrina werden ruimtevaartfoto’s gebruikt om de schade te schatten. Deze foto van Mobile in Alabama, is genomen door de Ikonos satelliet op 30 augustus 2005. [Space Imaging]


Trendanalyse en voorspellende modellen worden vereenvoudigd, waardoor gevolgen van menselijke ingrepen in het landschap beter in kaart worden gebracht. Gevolgen van klimaatveranderingen worden nog nauwkeuriger gemodelleerd, en door hyperspectrale technieken kunnen betere waarnemingen in afgelegen gebieden worden gedaan. Andere belangrijke toepassingsgebieden zijn ruimtelijke ordening, natuurbeheer en de bestrijding van criminaliteit. Zoals al eerder beschreven, zorgt de koppeling tussen databases met historische waarden en actuele waarnemingen voor een sterke kwaliteitsverbetering van voorspellende modellen en trendanalyses. Hiermee worden ontwikkelingen op het gebied van ruimtelijke ordening beter gevolgd, zoals menselijk ingrijpen in het landschap en het schatten van risico’s van nieuwe infrastructuur. Een ander voorbeeld is het ondersteunen van watermanagement, dat de komende vijftig jaren misschien wel een grotere impact heeft dan het beheer van fossiele brandstoffen. Ook het natuurbeheer profiteert van de beschikbaarheid van goedkope en actuele satellietbeelden. Deze leveren een schat aan informatie op over de gezondheid van vegetatie en vereenvoudigen de controle op milieuverontreiniging. Op het gebied van bestrijding van criminele activiteiten kunnen lokale overheden bijvoorbeeld drugsplantages veel beter detecteren, productie van drugs volgen en hiertegen optreden. Satellietbeelden gaan ook een veel grotere rol spelen bij het volgen van natuur- en humanitaire rampen, zoals bosbranden, stormen, aardverschuivingen, vulkanische activiteit, aardbevingen, overstromingen, tsunami’s, misoogsten en gewapende conflicten met grote vluchtelingenstromen. Satellietbeelden vervullen een steeds grotere rol bij het schatten van het gevaar van een ramp. Gedetailleerde risicokaarten kunnen worden vervaar-


Scenario watermanagement In de afgelopen decennia is het jaarlijkse verloop van de waterafvoer van de Ganges in een computermodel gebracht. Hieraan zijn sinds een aantal jaren ook de meteorologische waarnemingen uit de onbewoonde gebieden van de Himalaja en de golf van Bengalen gekoppeld. Ook gegevens over de opslagcapaciteit van overloopgebieden in het noorden van India zijn in het waterafvoermodel gebruikt. Nu de neerslag stroomopwaarts kritische waarden is gaan overschrijden, en er een tropische storm op de Indische Oceaan op komst is, wordt tijdig een waarschuwing gegeven aan de autoriteiten in Bangladesh. Een snelle inventarisatie van de kwaliteit van de waterkeringen in het gebied, geleverd door satellietbeelden van die ochtend, laat zien dat haast geboden is. Een grootschalige evacuatie van de kustgebieden door de internationale gemeenschap kan op tijd worden gestart.

Scenario scheepsramp Door het vergaan van een supertanker in de Zuid-Chinese zee dreigt een milieuramp van ongekende omvang. Honderden kilometers kustlijn zullen onder de olie terechtkomen als er niet snel wordt ingegrepen. Ondanks ontkenningen van de Chinese regering is de olievlek echter al direct door satellieten waargenomen. Ultraspectrale beelden geven inzicht in de aard van de lekkage. Met nauwkeurige en zeer actuele landkaarten van de kust wordt een reddingsactie gepland. Voorspellende modellen van de verspreiding van olievlekken geven inzicht in welke gebieden worden getroffen bij de heersende weerscondities. De werkelijke verspreiding wordt continu in de gaten gehouden. Deze informatie is direct beschikbaar bij de eerste reddingsploegen die inmiddels in het gebied zijn aangekomen. De schaarse middelen die al in het gebied aanwezig zijn, kunnen daarom zo doeltreffend mogelijk worden ingezet

Scenario natuurramp De zomer van 2040 is één van de droogste van de afgelopen decennia. Nu er in Zuid-Frankrijk ook nog een krachtige, noordelijke Mistral is gaan waaien, houden inwoners langs de kust hun hart vast. Deze ontwikkelingen zijn echter ook het regionale EU-centrum voor burgerbescherming niet ontgaan. Het plotseling aantrekken van de wind in de afgelopen uren heeft gezorgd voor een automatische verhoging van de alarmstatus. Op het moment dat de in 2038 gelanceerde Guardian op een hoogte van krap 700 kilometer boven de regio verschijnt, is de eerste brandhaard al gedetecteerd. Op de grond wordt de brandweer door het coördinatiecentrum op weg gestuurd. Ondanks de heftige rookontwikkeling is de locatie van de hotspot bekend bij de brandweerlieden op de grond en de bestuurders van de onbemande blusvliegtuigen. Door de ondersteuning van de blusactie via satellietbeelden kan de schade beperkt blijven tot een paar hectare zwartgeblakerd bos.

11

van het satellietnavigatiesysteem dat zij voor ogen hebben. Dit Global Positioning System is primair voor militaire doeleinden bedoeld. De toepassing van satellietnavigatie in het dagelijks leven neemt pas een enorme vlucht na de volledige vrijgave van het signaal voor civiel gebruik: het navigatiesysteem in de auto wordt bijna als standaard accessoire meegeleverd. Dit is echter nog maar een begin. Binnen tien jaren zal de Europese tegenhanger, Galileo, operationeel zijn. Zelfs de meest voorzichtige schattingen geven aan dat het huidige aantal gebruikers de komende vijftien jaren bijna zal vertienvoudigen. Na deze periode zal de groei weliswaar afnemen, maar dan nog zal meer dan eenderde van de wereldbevolking dagelijks gebruik maken van satellietnavigatie.

Constellatie van Galileo navigatiesatellieten. [ESA]

digd om lokale overheden te helpen bij het opstellen van rampenplannen, om zo de kwetsbaarheid van bevolking en infrastructuur te verminderen. Doordat satellietconstellaties vrijwel de gehele wereld met hoge resolutie observeren, is het mogelijk om vrijwel direct veranderingen waar te nemen. De zogenaamde ‘temporele resolutie’, ofwel de nauwkeurigheid van beelden gemeten aan de hand van de tijd die tussen twee waarnemingen zit, zal zeer hoog zijn. Hierdoor kunnen automatisch betrouwbare waarschuwingen worden afgegeven indien bijvoorbeeld de droogte van vegetatie gecombineerd met een bepaalde windrichting en -sterkte wordt bereikt. De situatie ter plaatse zal direct na een gebeurtenis snel en tot in de meest afgelegen delen van een gebied bekend zijn. Ten slotte zal ook de meteorologie profiteren van de grote beschikbaarheid van satellietbeelden, in het bijzonder van weersatellieten in lage omloopbanen. Toepassing van now-casting, ofwel weersverwachtingen voor zeer korte termijn, zal sterk toenemen door de sterk toegenomen betrouwbaarheid van zulke informatie. Door de toegenomen temporele resolutie en de verbeterde mogelijkheid om wolkenfor-

12

maties ook ’s nachts te kunnen volgen, zullen weersverwachtingen voor de korte termijn veel betrouwbaarder worden. De mogelijkheden van hyper- en ultraspectrale beelden ten slotte zullen helpen bij het verfijnen van klimaatmodellen en het maken van betrouwbare lange termijnverwachtingen.

Conclusie Hierboven zijn slechts een aantal mogelijke toepassingen van aardobservatie genoemd die in 2005 zijn te voorzien. Combinatie van waarnemingen in uitgebreide delen van het elektromagnetische spectrum geeft de mens ongetwijfeld nog veel formidabelere middelen om zijn wereld te kunnen bestuderen en te anticiperen op gebeurtenissen in zijn omgeving.

Navigatie In 1973 komt een groep officieren en burgerpersoneel van het Amerikaanse ministerie van Defensie bijeen in het Pentagon. Niemand uit dit gezelschap vermoedt op dat moment hoe groot de invloed op de wereld zal worden

Toekomstige ontwikkelingen Ontwikkelingen in satellietnavigatie zullen de komende jaren in het teken staan van twee belangrijke ontwikkelingen: Galileo en navigational warfare. Om met het laatste te beginnen, de militaire achtergrond van satellietnavigatie is en blijft nog altijd belangrijk voor de manier waarop westerse (lees: Amerikaanse) krijgsmachten tegen satellietnavigatie aankijken. Tien jaren geleden was het voor de Amerikanen in theorie nog mogelijk de knop om te draaien en zo het vijandelijk gebruik van het civiele GPS-signaal te verhinderen. Door de onverwacht grote groei van het aantal gebruikers wordt het gebruik van GPS in militaire operaties steeds complexer. In de toekomst moet het gebruik van GPS door een tegenstander worden voorkomen terwijl eigen militair gebruik van GPS gewoon mogelijk blijft. Bovendien moet civiel gebruik van GPS buiten een operatiegebied mogelijk blijven. Deze nieuwe benadering staat bekend als navigational warfare. Om dit te bereiken hebben de Verenigde Staten een leidende rol op zich genomen in de ontwikkeling van tal van vernieuwingen binnen GPS, waar-


onder de nieuwe GPS-2R-M en -3 satellieten. Alle toekomstige Amerikaanse activiteiten op GPS-gebied staan in het teken hiervan. Tegelijkertijd ontwikkelt Europa het eigen Galileo-systeem. Hiermee dient het gebruik van satellietnavigatietechnologie verlegd te worden van hoofdzakelijk militair naar gecombineerd militair en civiel gebruik. De afhankelijkheid van de Verenigde Staten moet met Galileo verminderen. Bovendien zal Rusland de komende jaren verwoede pogingen blijven ondernemen om het eigen GLONASS systeem optimaal te krijgen en ook te houden. In de nabije toekomst zal Rusland proberen buitenlandse partners, zoals India, te interesseren om hieraan bij te dragen. Naarmate Galileo echter steeds vastere voet aan de commerciële grond krijgt en dus ook meer geld op zal gaan brengen, wordt het moeilijker andere landen voor het Russische systeem warm te laten lopen. Natuurlijk volgt de VS de ontwikkelingen op de voet, zeker met het oog op het al eerder genoemde navigational warfare.

Gevolgen In de toekomst zijn een aantal gevolgen van de genoemde ontwikkelingen duidelijk merkbaar. Ten eerste zal de integriteit en continuïteit van satellietsignalen verbeteren. Naarmate meer en meer gebruikers gedeeltelijk of zelfs geheel afhankelijk worden van satellietnavigatie, worden geheel of gedeeltelijke verstoringen van het signaal steeds minder geaccepteerd. Gebruikers van Galileo wordt zelfs een

Galileo Test Satelliet. [ESA]


minimaal kwaliteitsniveau van het signaal gegarandeerd. Ook de Amerikaanse inspanningen zijn gericht op een aanzienlijk robuuster signaal. Ten tweede zal het aantal beschikbare navigatiesatellieten fors toenemen. Zijn er in het westen nu nog zo’n 40 satellieten beschikbaar, na de ingebruikname van Galileo en het vernieuwde GLONASS kan dit oplopen tot 72. Zogenaamde multi-constellation ontvangers gaan de single constellation ontvangers van de markt verdrijven, doordat zij veel betere ontvangst in steden en heuvelachtig terrein gaan bieden. Ten derde zal ook de nauwkeurigheid van ontvangers gaan verbeteren. Dit komt deels door de combinatie van verbeterde signaalintegriteit en beschikbaarheid van satellieten. Daarnaast worden nauwkeurigheidverbeterende technieken zoals differentiële satellietsignalen in de toekomst op grote schaal toegepast en beschikken ontvangers over nauwkeuriger klokken om de positie nog beter te berekenen. Door dit alles zal navigatie-informatie zeer vergaand integreren in allerhande professionele toepassingen. Voorbeelden zijn de opsporing en redding van slachtoffers van (natuur)rampen, waarschuwingsystemen voor natuurrampen, verzameling van gegevens over de natuurlijke leefomgeving, het verzamelen van weersgegevens overal ter wereld, het volgen van goederenzendingen en ‘gewone’ post, automatische inning van tol- en boetegelden, filewaarschuwingen, ondersteuning van geodetische- en cartografische werkzaamheden, bepaling van kadastrale objecten, plaatsing van allerhande transportleidingen, geologisch onderzoek, exploitatie van natuurlijke hulpbronnen, enzovoorts. Positieinformatie zal ook worden gebruikt bij navigatie en besturing van een nieuwe generatie van vaar-, vliegen voertuigen. Hiermee neemt de capaciteit van infrastructuur enorm toe doordat dergelijke machines ook ’s nachts en bij slechte weersomstandigheden volop gebruikt kunnen blijven worden. Ook

landbouwopbrengsten zullen toenemen doordat robotisering van landbouwmachines een grote sprong voorwaarts zal maken. De toepassing van navigatie-informatie in massaproducten zal echter snel nog veel groter worden dan deze professionele behoefte. Het begin hiervan is de integratie van GPS-, GSM- en CDMA-technologie in communicatiemiddelen. Een volgende stap wordt het uitvoeren van GPS-ontvangers als een kleine chip. Hiermee wordt satellietnavigatietechnologie geïntegreerd in bijvoorbeeld consumentenelektronica. Te denken valt bijvoorbeeld aan een driedimensionale waterpas voor doe-het-zelvers, of een horloge als vierdimensionale routeplanner. Immers, via satellietnavigatie kun je niet alleen je positie bepalen, maar weet je bovendien ook altijd de exacte tijd. Het is zelfs mogelijk om een bril als beeldscherm te gebruiken en op die manier de drager nooit meer te laten verdwalen… De mogelijkheden die hieruit voortkomen zullen het aantal gebruikers snel opstuwen. Schattingen laten zien dat over 30 jaren de halve wereldbevolking satellietnavigatie gaat gebruiken. Omdat massaproducten vaak in lagelonenlanden worden gefabriceerd, zal de satellietnavigatie-industrie een mondiaal karakter krijgen. Het aandeel van deze industrietak in de wereldeconomie zal ook navenant groeien.

Tot slot De komende decennia wordt het gebruik van satellietnavigatie net zo vanzelfsprekend als de mobiele telefoon of de PC. Toepassingen zullen in alle facetten van het dagelijks leven terug te vinden zijn. Op deze manier wordt het leven wellicht een stuk gemakkelijker, maar zullen we nog verder afhankelijk worden van technologie. Een samenleving die blind vertrouwt op correct functionerende satellietnavigatie is zeer kwetsbaar, maar dat is een heel ander verhaal.

13

C4ISR & Network Centric Warfare Militaire commandovoering en ruimtevaart Henk H.F. Smid ribs SC&I / DB&C

Een halve eeuw geleden sprak men in militaire termen over C2 als men Command and Control bedoelde, het kunnen beheersen en sturen van militaire acties. In de loop van de tijd is dit uitgegroeid tot C 4ISR: Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance . Dit begrip vormt samen met Network Centric Warfare de basisdoctrine van waaruit in de toekomst militaire strategieën en operaties worden ontwikkeld. Dit artikel wil duidelijk maken hoe deze begrippen gebruik maken van (militaire) ruimtevaarttoepassingen en hoe dit in de toekomst zal kunnen worden gerealiseerd.

Inleiding Onder Network Centric Warfare (NCW) wordt verstaan het gebruik van een netwerk van waaruit aan militaire eenheden alle benodigde informatie wordt verstrekt die hen in staat moet stellen de opdracht zo goed mogelijk in vrijheid van handelen uit te voeren terwijl een commandant maximale controle behoudt (from sensor to shooter and back). Het verstrekken van informatie aan de soldaat wordt in toenemende mate een ruimtevaartaangelegenheid. We zien ook dat militaire operaties steeds meer worden uitgevoerd buiten de normale invloedsferen (lange afstand commandovoering). Dat geldt niet alleen voor de grote mogendheden die oorlog voeren op andere continenten maar bijvoorbeeld ook voor Nederland. Ons land concentreerde zich na de Tweede Wereldoorlog in NAVO verband voornamelijk op de verdediging van de Noord-Duitse laagvlakte, maar Nederlandse troepen werken nu ver buiten de eigen invloedsfeer zoals in Irak en Afghanistan. Het is noodzakelijk dat zij ook daar worden voorzien van goede informatie en bevelvoering. Hiervoor moet de bevelvoerder nauwkeurig weten waar de soldaat zich bevindt en moet de soldaat zich bewust zijn van zijn omgeving (situational awareness). Ruimtevaarthulpmiddelen als satellietnavigatie en de gegevens van in de ruimte gestationeerde sensoren zijn hierbij van het grootste belang.

14

De (beveiligde) communicatie tussen commandant en soldaat maar ook de communicatie die het gegevensverkeer mogelijk maakt, is hierbij van cruciaal belang. NCW wordt het organiserende principe voor militaire eenheden. Dit heeft onder meer tot gevolg dat de vraag naar bandbreedte enorm toeneemt.

gebied van deze twee grootmachten kunnen vanwege plaatsgebrek hier niet eveneens worden behandeld. Verwacht wordt echter dat ontwikkelingen in deze landen via gelijke lijnen en doelstellingen verlopen.

Ook in de toekomst blijft, net als nu al het geval is, een verschil bestaan tussen grootmachten en landen die zelfstandig ruimtevaart kunnen bedrijven enerzijds en andere landen die alleen of in bondgenootschappelijk verband (NAVO) militair opereren anderzijds. Operaties in Irak en Afghanistan hebben aangetoond dat militairen in toenemende mate afhankelijk zijn van en vertrouwen op technisch hoogwaardige communicatie en navigatie. De hier beschreven toekomstvisie is gebaseerd op wat met veel technisch vernuft en nog veel meer geld mogelijk kan worden. Ook wordt in het kort aangegeven wat Europa en Nederland doen op het gebied van C4ISR en NCW om zich op deze toekomst voor te bereiden. Maar, niet in de laatste plaats, zal er de (politieke) wil moeten zijn om e.e.a. te realiseren en het benodigde geld daarvoor uit te willen geven.

Voor hedendaagse commandovoering wordt, qua communicatie, voornamelijk gebruik gemaakt van systemen in verschillende circuits (punt-naarpunt telefoonstructuur). Hierbij dient steeds te worden bepaald wie met wie moet communiceren. Deze informatie wordt in een weinig flexibele structuur vastgelegd. De soort en belangrijkheid van informatie dicteert hierbij de structuur. Hierbij valt te denken aan of de informatie van strategisch of tactisch belang is, of één of allebei de zend/ ontvangers statisch of mobiel zijn, of de informatie bedoeld is voor troepen ter land, ter zee of in de lucht, enzovoort. Ruimtevaartsystemen die deze structuur ondersteunen, zijn dan ook volgens deze structuur opgebouwd. Er zijn grote geostationaire communicatiesatellieten die voor vaste punt-naarpunt verbindingen zorgen, satellieten die de verbinding verzorgen tussen het vaste land en schepen op zee, en lage omloopbaansystemen (zoals Iridium) die militaire (spraak)verbindingen verzorgen waar andere ruimtevaartmiddelen niet voldoen.

Dit artikel beschrijft hoe ´Het Westen´ hier mee omgaat. Ook Rusland en China ontwikkelen hierover toekomstvisies maar de activiteiten op dit

Van circuit naar netwerk


Voor de toekomst wordt voorzien dat er in toenemende mate behoefte ontstaat aan goede (beveiligde/vercijferde) verbindingen in de poolstreken, breedband (grote hoeveelheden) informatie die direct beschikbaar moet zijn (realtime), betere mobiele verbindingen (kleinere terminals) en zeer nauwkeurige navigatiegegevens. Toekomstige militaire gebruikers vallen uiteen in twee brede categorieën: grote hoeveelheid (2,5-10 Gb/s) gebruikers (HDR = High Data Rate) en kleine hoeveelheid gebruikers (LDR = Low Data Rate), minder dan 2,5 Gb/s. Voor de HDR gebruikers zal gebruik gemaakt gaan worden van laser communicatie. Andere gebruikers, zoals strategische eenheden, tactische gebruikers en vliegende ISR platformen, zullen gebruik maken van simultane RF satelliet dataverbindingen. Militaire communicatie dient daarom te worden getransformeerd van op circuits gebaseerde systemen naar een network centric of IP-pakket geschakeld systeem. De ondersteunende systemen, grond stations, mobiele terminals en natuurlijk ook de communicatiesatellieten, dienen volledig geïntegreerd te worden in dit nieuwe systeem. Om het creëren van NCW mogelijk te maken, moeten er nieuwe technologieën worden ontwikkeld. In zijn algemeenheid zijn dat laser communicatie, een volgende generatie router en technologieën die mobiele breedbandige communicatie mogelijk maken. De nieuwe router is een volgende generatie processor, in de satelliet, die niet alleen de routering van de signalen regelt in de NCW structuur, maar ook andere functies zoals het crosslinken tussen verschillende frequenties en laser en het mogelijk maakt dat verschillende gebruikers met verschillende platformen verbinding kunnen maken. Dit alles dient plaats te vinden in een beveiligde (dus vercijferde) signaalomgeving. NCW is daarom volkomen afhankelijk van de ontwikkeling van communicatie(technologie).


Nieuwe technologieën Laser communicatie Militair gebruik van lasercommunicatie zal vooral gericht zijn op het zeer snel kunnen communiceren/relayeren van grote hoeveelheden gegevens. Amerikaanse statistieken geven aan dat in 1994 het ongeveer een uur duurde om via MILSTAR-I satellieten een air task order (gedetailleerde opdracht tot het uitvoeren van een missie met een of meerdere vliegtuigen) te verzenden. Met de ingebruikneming van MILSTAR-II werd dit teruggebracht tot 5,7 seconden. Laser communicatie zal dit terugbrengen tot minder dan een seconde. Bij verkorting van de zend/ontvangst tijd zal er steeds meer gebruik gemaakt kunnen worden van visuele beelden en radarbeelden voor het kunnen verlagen van het beslissingsniveau tot op gevechtsniveau. Met MILSTAR-I kon een beeld van 24 Mb (20 bij 25 cm) in ongeveer 22 uur (beveiligd en vercijferd) worden gerelayeerd. Met MILSTAR-II is dat teruggebracht tot ongeveer 2 minuten en via laser communicatie zal dit eveneens minder dan een seconde bedragen. Een radarbeeld van een Global Hawk UAV (huidige technologie) kan met MILSTAR-II nu in 12 minuten worden gerelayeerd, met laser communicatie in minder dan een seconde. Beelden kunnen en zullen daarom een onverbrekelijk deel gaan uitmaken van toekomstige bevelvoering. Laser communicatie heeft naast de voordelen van HDR ook een aantal significante nadelen zoals weersgevoeligheid en de noodzaak van nauwkeurige richting. Immers, laser maakt gebruik van een smalle bundel licht die precies op de ontvanger moet zijn gericht. Daarom zal deze vorm van communicatie niet universeel beschikbaar komen en voornamelijk worden gebruikt voor belangrijke HDR communicatie. Laser communicatie zal in eerste instantie worden aangewend voor intersatelliet

verbindingen, dus het verkeer rechtstreeks tussen (geostationaire) satellieten in een netwerk. Hier worden nu al proeven mee genomen. Dit noemt men wel een enabling technology, een technologie die eerst beheerst moet worden voordat deze technologie in andere toepassingen ingevoerd kan worden. Simultane RF communicatie Er wordt veel de nadruk op gelegd dat in de toekomst militairen voor bevelvoering gebruik gaan maken van laser communicatie. Om redenen hierboven genoemd zal dit worden beperkt tot de zeer grote HDR gebruikers. Anderen zullen gebruik blijven maken van RF (Radio Frequency) verbindingen die simultaan zullen worden gebruikt. Een videoverbinding van bijvoorbeeld een UAV (Ka-band) zal daarbij in pakketjes over verschillende frequenties simultaan worden verzonden, eventueel zelfs via verschillende satellieten, waarbij het effect van een virtuele breedbandige verbinding wordt bereikt. Zo kan in breedbandige mobiele communicatie worden voorzien wat niet mogelijk is met de huidige MILSTAR of volgende generatie AEHF (Advanced Extremely High Frequency) satellieten. Op deze manier zal een breedbandige mobiele verbinding gerealiseerd kunnen worden. Ook normale militaire verbindingen in het RF spectrum (EHF) worden hier ingepast. Deze op internetstructuur lijkende verbindingen worden daarom ook network centric of IP-pakket geschakelde systemen genoemd. Deze nieuwe manier van communicatie heeft een berekende achtvoudige efficiëntie tot gevolg.

NCW in Europa Geen van de militair belangrijke landen in Europa zal in de voorzienbare toekomst volledig genetwerkte strijdkrachten opzetten; daar zijn geen plannen voor. Ze zijn echter wel gecommitteerd aan C2-voorzieningen met de bijbehorende communicatiemiddelen

15

om hun nationale strijdkrachten te verbinden en grotere interoperabiliteit binnen de NAVO verdragsorganisatie te bewerkstelligen. De Europeanen zijn het er over eens dat goede C4ISR essentieel is voor de transatlantische coalitie en dat dit alleen bereikbaar is door investeringen in C4ISR capaciteit. Samenwerking binnen de NAVO en de Europese Unie – en dat kan niet zonder de Amerikanen en hun technologie – wordt daarom als erg belangrijk gezien. C4ISR interoperabiliteit in Europa is het verst gevorderd op ruimtevaartgebied. Europese regeringen ondersteunen de gezamenlijke Europese ruimtevaartpolitiek en een groot aantal multilaterale Europese ruimtevaartinitiatieven is in gang gezet. Belangrijk hierbij zijn de programma’s die bestaande nationale capaciteiten verbinden. Ook onderkennen Europese politici de veiligheidimplicaties van hun civiele ruimtevaartprogramma’s, zoals Galileo, en zijn zij bereid middelen aan te wenden voor de veiligheidsaspecten van deze programma’s. Voorzien wordt dat Europese landen zich voornamelijk zullen toeleggen op het verwerven van C2-middelen die voor alle krijgsmachtdelen bruikbaar zullen zijn (niet elk krijgsmachtonderdeel zijn eigen speeltje), digitale communicatie en ISR platformen geschikt voor tactische, operationele en strategische doeleinden. In veel Europese landen vindt snelle vooruitgang plaats in commerciële communicatie- en informatietechnologie die een veelheid aan producten genereert die geschikt is voor C4ISR-toepassingen tegen relatief lage prijzen. Verschillende landen zijn al begonnen met het opzetten van een nieuwe C2-infrastructuur die de integratie van de toekomstige systemen moet veiligstellen. Voorbeelden zijn het Joint Command System (JCS) van het Verenigd Koninkrijk, het Information et de Commandement du Armées (SICA) van Frankrijk en het Italiaanse Sisteme Campale di Trasmissioni e Infor-

16

Het Advanced Extremely High Frequency (AEHF) systeem is een Amerikaans satelliet communicatiesysteem dat nagenoeg werelddekkend, beveiligde en storingsvrije militaire communicatie zal gaan verzorgen voor alle Amerikaanse en een beperkt aantal geallieerde krijgsmachtdelen. Ondanks dat dit systeem als het ware nog op de tekentafel ligt, is het slechts bedoeld voor een overgangsfase naar een nog geavanceerder systeem dat via pakketschakelen virtueel breedbandige mobiele verbindingen zal gaan realiseren. Het AEHF systeem is de opvolger van het Milstar systeem en zal de MILSATCOM architectuur uitbreiden waarbij Transformational Communications en Network Centric Warfare worden ondersteund. AEHF zal 12 keer zoveel data kunnen verwerken (throughput) als Milstar en de data rate voor een single-user zal toenemen tot 8 Mb per seconde. Bovendien zal het systeem gebruik gaan maken van een veel grote aantal zg. spot beams. Het systeem zal gaan bestaan uit drie geostationaire communicatiesatellieten die 4000 netwerken en 6000 terminals kunnen bedienen. Samen met een Transformational Satellite zal dit een continue communicatiedekking geven tussen de 65° breedtegraden. Met deze satellietconstellatie kunnen de National Security Council en de Unified Combat Commanders voortdurend contact hebben met hun tactische en strategische strijdkrachten gedurende alle niveaus van conflict (zelfs gedurende een nucleaire oorlog) en dragen zo maximaal bij aan informatie superioriteit. Een veelheid aan militaire operaties en missies wordt hiermee ondersteund: land- lucht- en zeeoorlogvoering, speciale operaties, strategische nucleaire operaties, strategische verdediging, theater raketverdediging, ruimtevaart operaties en inlichtingenondersteuning. Functies die dit systeem ondersteunt en mogelijk maakt zijn: algemene uitzendingen (broadcasting), data netwerken, wereldomvattende (spraak)conferenties en ruggespraak, uitwisseling van strategische gegevens en nog een groot aantal andere specifiek militaire functies. Het grootste voordeel wordt echter het gebruikersgemak terwijl maximale veiligheid in stand wordt gehouden. Er wordt gebruik gemaakt van de modernste antistoring capaciteiten, kleine kans om te worden ontdekt, kleine kans om te worden onderschept en geavanceerde vercijfering systemen. Het AEHF systeem is een multinationale inspanning tussen de Verenigde Staten van Amerika, het Verenigd Koninkrijk, Canada en Nederland.

mazioni (CATRIN). Onderdeel van deze systemen is een gemeenschappelijke digitale communicatievoorziening die voldoet aan Europese en NAVO standaards. Voor communicatie is de civiele industrie de voornaamste gangmaker op het gebied van innovatie en daarom de voornaamste bepaler van toekomstige standaards. Terwijl verschillende Europese bedrijven (landen) werken

aan militaire communicatieprogramma’s, ontstaan gemeenschappelijke kenmerken: ze zijn digitaal, steeds meer gebaseerd op het Internet Protocol (IP), in staat tot het verwerken van zowel spraak als data, en gebruiken ATM (Asynchronous Transfer Mode) apparatuur. Bovendien wordt een verscheidenheid aan transmissietechnologieën gebruikt, zoals radio, satellieten en fiber.


Behalve voor hun militaire communicatie gebruiken veel Europese landen ruimtevaart ook voor hun toekomstige bewakings- en verkenningscapaciteiten. Terwijl militaire communicatiesatellieten gewoonlijk worden gebouwd en geopereerd door landen, worden aardobservatieprogramma’s meer en meer multinationaal uitgevoerd. Intra-Europese overeenkomsten worden in het leven geroepen om nationale ruimtevaartcapaciteit op dit gebied onderling te verbinden. In de toekomst zullen gegevens van satellieten, die het eigendom zijn van verschillende landen, verspreid worden tussen partners die hiervoor overeenkomsten hebben gesloten en communicatiesatellieten verzorgen militaire verbindingen voor landen die de bandbreedte leasen. Steeds meer landen bevinden zich in een proces waarbij de hoofdkwartieren, via breedband verbindingen, verbonden gaan worden met expeditionaire strijdkrachten. Enkele voorbeelden hiervan zijn ARISTOTE (Frankrijk), KINTOP (Duitsland), COMORANT (Verenigd Koninkrijk) en KV90 (Zweden). Binnen de Europese strijdkrachten wordt steeds meer gebruik gemaakt van onbemande (vliegende) platformen voor tactische en soms voor operationele en strategische ISR behoeften. Experimenten met Unmanned Aerial Vehicles (UAV) vinden nu al plaats in militaire operaties en verwacht wordt dat in de toekomst deze een onverbrekelijk deel zullen gaan uitmaken van de C4ISR capaciteit. De meeste van deze UAV’s worden door de eigen industrie gemaakt en worden gezien als betaalbare, veelzijdige en betrouwbare opties voor toekomstige bewakings- en verkenningsmissies. Een aantal landen beschouwt UAV’s echter ook als geschikte middelen om andere taken uit te voeren zoals SIGINT, elektronische oorlogvoering, vliegende grondverkenning en zelfs bewapende missies. In tegenstelling tot de ruimtevaart gebonden missies (communicatie en C2), worden hier


verschillende ISR standaards door elk land vastgesteld die de interoperabiliteit weer moeilijker maken.

NCW in Nederland De Nederlandse strijdkrachten vinden interoperabiliteit met de NAVO van het grootste belang. Alle nieuwe apparatuur moet daarom voldoen aan NAVO standaards. De Koninklijke Marine (KM) en Koninklijke Luchtmacht (KLu) zijn steeds meer interoperabel met elkaar en met andere Europese strijdkrachten, maar de tactische verbindingen van de Koninklijke Landmacht (KL) lopen achter. Echter, met de voltooiing van de projecten ISIS en TITAAN delen de KLu en de KL hetzelfde C2 systeem en communicatie infrastructuur. De Nederlandse strijdkrachten beschikken niet over voldoende budget om over de hele linie de apparatuur aan te passen. Zij concentreren zich evenwel op een aantal hoge technologie programma’s zoals de JSF (jachtvliegtuig) en de Patriot (geleide raketten tegen vliegtuigen) en zorgen er in ieder geval voor dat C4ISR apparatuur in het veld

volgens NAVO standaards is gebouwd. Enige spraakmakende veranderingen binnen de Nederlandse krijgsmacht die van invloed zijn op de toekomst zijn de volgende. Budget Bezuinigingen op de defensiebegrotingen van 2003 en 2004 zijn er de oorzaak van dat er niet genoeg middelen zijn om alle programma’s te verwerven en uit te voeren om de Nederlandse krijgsmachtdelen volledig te transformeren naar C4ISR en NCW compatibiliteit. In deze twee jaren werd bij de marine bijvoorbeeld het aantal fregatten gereduceerd van 14 naar 10 en werden de maritieme patrouille vliegtuigen (C4ISR middelen) verkocht. Duits-Nederlandse Legerkorps Het binationale Duits-Nederlandse Legerkorps werd in 1985 gevormd en werd een NAVO reactiestrijdkracht in het begin van het huidige millennium. Het staat onder commando van SACEUR, maar kan ook operaties uitvoeren die door de Europese Unie worden geleid. C4ISR middelen van dit korps zijn onder meer het

NCW prijs Tijdens een symposium over Network Centric Warfare (NCW) in Washington heeft de Koninklijke Landmacht een belangrijke prijs in ontvangst mogen nemen die door het Amerikaanse Institute for Defence and Government Advancement (IDGA) was uitgeloofd. De landmacht had TITAAN voorgedragen, waarbij ook de vernieuwende manier van projectvoering bij het C 2 Support Centre (C2SC) in Ede werd ingebracht. Met deze inzending wist de landmacht diverse andere genomineerden achter zich te laten; Zweedse en Noorse initiatieven kregen een eervolle vermelding. Michael Levenberg, de directeur van IDGA, stelde dat de winnaars de absolute koplopers in hun diverse categorieën zijn en dat zij zonder twijfel een standaard zetten voor de verdere implementatie van het gedachtegoed rond NCW in de strijdkrachten van de coalitie. Luitenant-kolonel Ivo de Jong, plaatsvervangend commandant van het C2SC, nam de prijs in ontvangst uit handen van John Garstka, de grondlegger van de NCW-gedachte. In zijn dankwoord benadrukte De Jong dat de prestatie om TITAAN in achttien maanden van idee tot implementatie in Kaboel te brengen, een inspanning van velen in de landmacht is geweest en dat ook de rol van de industrie hierbij niet onvermeld mag blijven.

17

telefoonsysteem vervangen door een beveiligd, hoge snelheid netwerk dat meer dan 250 militaire installaties binnen de krijgsmachtdelen met elkaar verbindt.

Commandovoering via de computer. [BAE Systems]

Duitse HEROS C2 systeem, de Nederlandse TITAAN communicatie infrastructuur en de Franse tactische UAV Sperwer. ISTAR Na de Praagse top van de NAVO kondigde het Nederlandse leger aan dat zij een Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance (ISTAR) bataljon zou vormen dat met ander NAVO partners zou kunnen opereren. C2 Nederland heeft nogal geïnvesteerd in geavanceerde C2 systemen. Voor de KL en KLu is dat het Integrated Staff Information System (ISIS) voor mobiele hoofdkwartieren. Het Battle Management System (BMS) is bedoeld voor lagere echelon commandovoering (bataljonsniveau en lager) voor de landstrijdkrachten. Ook wordt er zwaar geïnvesteerd in zaken als de LCF fregatten, VUIST (artillerie) en in het Target Information Command and Control System (TICCS) (tanks) om deze compatible te maken met NAVO standaards. Het is echter nog steeds niet helemaal duidelijk of een volledige integratie van de C2 van de krijgsmachtdelen zal worden uitgevoerd wat wel noodzakelijk is voor NCW. Communicatie en Computers De Nederlandse digitale communicatie infrastructuur wordt gevormd door het Netherlands Armed Forces Integrated Network (NAFIN) en dit netwerk zal het van de PTT geleasde publieke

18

De nieuwe generatie militaire communicatie voor de Nederlandse strijdkrachten is het Theatre Independent Tactical Army and Air Force Network (TITAAN), dat oudere en nieuwe systemen samenvoegt in één netwerk. Het voorziet de KL en de KLu niet alleen van spraak (via IP telefoon) en video maar ook van netwerk management en beveiliging. In 2002 begon de KL met het vervangen van het ZODIAC systeem met TITAAN modules. In 2004 begon de KLu met het gebruik van het TITAAN systeem voor mobiele communicatie. Uiteindelijk zal TITAAN worden verbonden met het communicatienetwerk van de KM. In 2002 lanceerde het Ministerie van Defensie de eerste fase van het MILSATCOM programma dat bestaat uit een korte termijn (realisatie 2005) en een lange termijn (2010) deel. Het korte termijn deel voorziet in een ankerstation in de Marnewaard, de aanschaf van 32 tactische terminals voor de KL en vijf van deze terminals voor de KLu, en een Netwerk Management Systeem. Het ankerstation heeft naast vier SHF schotelantennes (11 meter doorsnede), twee civiele C-band terminals, een civiele Ku-band en een militaire X-band terminal. Er zijn plannen voor een tweede X-band terminal. Het ankerstation koppelt MILSATCOM aan NAFIN en aan het KPN netwerk. Twee Advanced EHF terminals kunnen rond 2009 operationeel zijn waarmee de samenwerking met Amerika definitief van de grond komt. Nederland heeft aangeboden om in de toekomst een gedeelte van de NAVO behoeften aan MILSATCOM via haar systeem te realiseren. ISR Nederland maakt geen gebruik van ruimtevaartmiddelen om in haar ISR behoeften te voorzien. Samenwerking

met Frankrijk (Helios-2), Duitsland (SAR Lupe) of Italië (Cosmo-Skymed) blijkt er niet in te zitten. Nederlandse onbemande ISR capaciteit nam echter wel toe met de aanschaf van 38 Sperwer UAV’s van Frankrijk. Deze UAV’s worden voornamelijk toegepast voor tactische ISR en doelacquisitie missies. Er wordt met de Fransen samengewerkt voor de ontwikkeling van de volgende generatie MALE UAV’s die waarschijnlijk wordt gebaseerd op de Eagle UAV van EADS. Voor op de grond gestationeerde ISR zal de Nederlandse krijgsmacht vertrouwen op het Fennek voertuig dat in samenwerking met Duitsland wordt gemaakt en die wordt uitgerust met een sensor platform dat een camera heeft, een thermische beeldvormer en een laser afstandmeter. Verder zijn de SQUIRE draagbare verkenningsradars (voor KL en het Korps Mariniers) aangeschaft die de grondgebonden ISR capaciteiten moeten verbeteren. Voor maritieme luchtverkenning heeft de KM lange tijd vertrouwd op de P-3C Orion. Door deze toestellen te verkopen heeft Nederland dit maritieme C4ISR element geëlimineerd.

Conclusie Militaire planning en uitvoering zullen in de toekomst drastisch veranderen. Er zal veel gebruik gemaakt gaan worden van op ruimtevaart gebaseerde middelen waarbij communicatie het operatieve woord is. Zonder de geplande veranderingen in communicatie, onder meer van circuit- naar netwerksystemen, zullen deze veranderingen niet plaats kunnen vinden. Nieuwe technologieën zullen hiervoor worden ontwikkeld. Amerika is hierin de voortrekker en een aantal landen binnen Europa delen in ieder geval de visie van de Amerikanen, al zijn hun inspanningen nu niet gericht op een totale verandering in C4ISR en NCW. Nederland kan qua inspanning hiervoor zich meten met de top zeven landen in Europa.


Het is allemaal de schuld van de bedrading Een andere kijk op Microsysteemtechnologie Johan Leijtens TNO Industrie en Techniek Afdeling Ruimtevaart

Microsysteemtechnologie (MST) maakt het mogelijk om naast elektronische ook mechanische functionaliteit te realiseren op heel kleine oppervlakken en zodoende zaken als het verpakken van kwetsbare delen op een zeer efficiënte wijze uit te voeren. Dit zal op termijn van doorslaggevende invloed zijn op hoe satellieten gebouwd en gelanceerd worden.

Introductie Op de keper beschouwd zijn het problemen met de bedrading die voor een groot deel aanleiding geven tot miniaturisatie van systemen. Dit gegeven wordt echter niet vaak als zodanig onderkend. De door de bedrading veroorzaakte problemen kunnen voor een groot deel worden verminderd door miniaturisatie van elektronica. Tijdens een dergelijke miniaturisatieslag krijgt men min of meer automatisch een aantal voordelen cadeau, zoals mechanisch robuustere en betrouwbaardere systemen, minder vermogensverbruik of grotere functionaliteit. Moderne systemen bevatten meer en meer elektronica. Waar deze elektronica in vroegere dagen specifiek was, zelfstandig opereerde en alleen hoefde te worden voorzien van voedingspanning, is elektronica tegenwoordig steeds vaker programeerbaar en wordt met behulp van computernetwerken aan elkaar gekoppeld. Al die extra functionaliteit leidt tot steeds meer elektronica en, als we niet uitkijken, steeds meer bedrading om de elektronica aan te sluiten. Dit fenomeen is algemeen bekend maar minder bekend is dat de bedrading daarbij voor verrassende problemen zorgt, zoals: • Het gewicht van de bedrading kan voor systemen een aanzienlijk deel van het totale gewicht zijn en de vermogensdissipatie in de bedrading is vaak te hoog; • De kosten zijn aanzienlijk.


Enkele minder bekende nadelen zijn: • De betrouwbaarheid van een elektronisch systeem is voor een groot deel afhankelijk van het aantal en type verbindingen; • De vermogensdissipatie van digitale geïntegreerde circuits (ook wel IC’s of chips genaamd) is bij de meeste technologieën voor het grootste deel afhankelijk van de interne bedradingcapaciteit; • De meeste problemen met elektromagnetische compatibiliteit (EMC) worden veroorzaakt door stromen of spanningen in combinatie met bedrading. Hoewel deze nadelen wel zijn gedocumenteerd, betreft het zaken die vaak enigszins onderbelicht blijven. Als we wat nader naar de oorzaken en een

mogelijke oplossing voor de problemen kijken, blijkt (niet echt verrassend) dat microsysteemtechnologie veel te bieden heeft.

Problemen op een rijtje De bedrading is te zwaar en de verliezen zijn te hoog Oorzaak: de stromen die worden gevraagd door de te voeden elektronica zijn zo hoog dat dikke draden nodig zijn om de spanningsval en dus het vermogensverbruik acceptabel te houden. Oplossingen: stromen verlagen door gebruik te maken van hogere spanning, vermogensverbruik en het verminderen van het aantal draden, de stroomopname beperken of locale stroomopwekking toepassen.

Microbot. [NASA]

19

De kosten zijn te hoog Oorzaak: draden en stekkers moeten allemaal worden gemonteerd en getest in kabelbomen die vervolgens weer in de apparaten moeten worden gemonteerd. Over het algemeen geldt dat hoe minder onderdelen worden gebruikt, hoe goedkoper het eindproduct wordt. Oplossingen: integreren van bedrading in structuur of netwerkverbindingen gebruiken. Hierdoor zijn er minder verbindingen nodig die anders ten koste gaan van extra functionaliteit die wordt gevraagd van de elektronica. De betrouwbaarheid Oorzaak: elektrische stekkerverbindingen zijn mechanische verbindingen die vaak gevoelig zijn voor slijtage, corrosie, mechanische belasting, temperatuur cycli, enz. Oplossingen: hoge kwaliteit materialen gebruiken (duur), aantal verbindingen minimaliseren (extra elektronica), stromen zo laag mogelijk maken en zoveel mogelijk verbindingen permanent maken. Het benodigde vermogen Oorzaak: door de toegenomen functionaliteit is ook steeds meer elektrisch vermogen nodig. Dit zorgt voor een behoefte aan een zwaarder uitgevoerde stroomvoorziening; Oplossingen: reduceren van vermogensopname door toepassing specifieke IC’s te ontwerpen (ASIC’s), minder functionaliteit te bieden, of naar CMOS processen te migreren met een kleinere feature size. (b.v. 0,18 of 0,13 μm of nog kleiner). EMC Oorzaak: bedrading heeft een eigen impedantie waardoor spanningsverschillen ontstaan tussen verschillende delen van een systeem die de datacommunicatie kunnen storen. Daarnaast kan de bedrading als antenne dienen die zowel ongewenste storing uitstraalt als ontvangt. Oplossingen: maak de bedrading zo kort en dik mogelijk, houd de stromen en de bedradinglussen klein.

20

Versnellingsmeter. [NBMSIC, Inc]

Als we naar de problemen en de oplossingen kijken zijn de volgende gemeenschappelijke zaken te onderscheiden: • Reduceer het opgenomen vermogen; • Minimaliseer het aantal verbindingen; • Probeer de hoge stromen lokaal te houden. Bij al deze problemen kan verdere miniaturisatie van de elektronica een aanzienlijke rol spelen. Miniaturisatie leidt namelijk tot kortere verbindingslijnen, betrouwbaardere verbindingen tussen geïntegreerde functies en vaak tot vermogensreductie. Miniaturisatie alleen is echter nog geen microsysteemtechnologie. Integratie van delen met een mechanische functie en een elektronische functie op chipniveau is dat wel. Een van de meest succesvolle voorbeelden is de versnellingsmeter. Door een verend opgehangen massa te realiseren op dezelfde siliciumchip als de uitleeselektronica, kan een monolithische

component worden gemaakt in plaats van een systeem met diverse onderdelen. Het is niet moeilijk om voor te stellen dat het integreren van een met flexibele scharnieren statisch bepaald opgehangen massa, positie meetcircuit, lineaire motor, digitale regelaar en interface circuits op één chip een aanzienlijke vermindering van de kostprijs met zich meebrengt. Voeg daarbij de lagere massa, het lagere stroomverbruik, de betere reproduceerbaarheid en een hogere betrouwbaarheid, en het wordt duidelijk waarom dit product wereldomvattend een succes is geworden (praktisch elke auto bevat tegenwoordig een of meerdere van deze sensoren). Echter, een kleine sensor maakt nog geen klein systeem.

Microsysteemtechnologie Zonder kleine sensoren is het onmogelijk om kleine systemen te maken, terwijl toch de meeste van deze sensoren in grote systemen zoals auto’s en der-


gelijke worden gebruikt. Het ontwikkelen van echte microsystemen maakt het echter mogelijk om toepassingen te bedenken die anders onrealistisch of helemaal onmogelijk zouden zijn. Zoals eerder aangegeven, is het vaak mogelijk om de sensoren signaalbewerkingsfunctionaliteit op een chip te integreren. Twee vragen die dan nog overblijven, zijn: Hoe krijg ik de data weg en waar komt de stroomvoorziening vandaan? Voor veel toepassingen zal het antwoord op de eerste vraag een netwerk zijn. In auto’s gebruikt men onder andere de CANbus, op kantoor een ethernet verbinding en thuis…? Thuis zie je al steeds vaker draadloze netwerken ontstaan omdat deze als voordeel hebben dat je geen bedrading hoeft te verstoppen en/of te veranderen bij locale verhuizingen. Draadloze muizen, toetsenborden en ADSL- verbindingen zijn in steeds meer woningen te vinden. Vaak is de vermogensopname van deze apparaten zo klein, dat ze uit een batterij of USBpoort kunnen worden gevoed. Dit heeft als voordeel dat zo langzaam aan de bos met kabels en de stekkerdoos met voedingsadapters aan het verdwijnen is. Hiermee is al een deel van vraag twee beantwoord, namelijk waar de stroomvoorziening vandaan komt. Binnen nu en vijf jaar heeft waarschijnlijk meer dan de helft van alle nieuwe auto’s in elke band een autonome druksensor. Deze druksensor meet of de band hard genoeg is opgepompt, voedt zich door de beweging tijdens het rijden om te zetten in energie en/ of heeft een batterijtje dat tien jaren meegaat, en draagt de gemeten informatie draadloos over naar de centrale computer van de auto. Andere vormen van autonome microsystemen zijn ook denkbaar, zoals een windsnelheidmeter die luchtstroming in een airconditioning meet en diezelfde luchtstroming gebruikt om zichzelf te voeden. Dit is al gedemonstreerd door het Imperial College in Londen. Ook de micro digitale zonsensor (micro-DSS)


zoals die momenteel door TNO en de TU-Delft wordt ontwikkeld in het kader van MicroNed is een voorbeeld van een microsysteem. Dit sensorsysteem meet de positie van de zon ten opzichte van het montagevlak. Omdat de zon tijdens dit proces altijd aanwezig is, leek het logisch om een zonnecel als voeding te gebruiken. Aangezien het hele systeem weinig weegt (aanzienlijk minder dan een meter kabel en twee connectoren), leek het ook zinvol om draadloze dataoverdracht te gebruiken. Als we de micro-DSS naast zijn grotere broers zettten, is duidelijk te zien wat de door toepassing van microsysteemtechnologie te behalen volumewinst is. Voor veel microsystemen is draadloze dataoverdracht aantrekkelijk omdat de kostprijs voor de verbinding en/of het gewicht in geen verhouding staat tot die van de sensor. Bovendien maakt het ontbreken van een fysieke verbinding inpassing in bestaande infrastructuur makkelijker en door het ontbreken van elektrische verbindingen wordt de kwalificatie eenvoudiger. Terugkijkend naar de eerdere voorbeelden, zou het aansluiten van een druksensor sleepringen vragen die te

duur en onbetrouwbaar zouden zijn in verhouding tot de extra functionaliteit. Het trekken van kabels door airconditioningkanalen die zich door een heel gebouw slingeren is ook duur. De RF-link maakt het voor de micro-DSS mogelijk om haar data door te geven aan een andere satelliet indien deze op niet te grote afstand vliegt, waardoor bijvoorbeeld fouten in de satellietcomputer zouden kunnen worden opgevangen. Integratie heeft doorgaans het nadeel dat er relatief grote eenmalige investeringen mee zijn gemoeid. Het voordeel is dat de stuksprijs (zonder verrekening van de eenmalige ontwikkelingskosten) over het algemeen aanmerkelijk lager is dan voor een meer conventionele opzet. Daarnaast kan de miniaturisatie leiden tot bijkomende voordelen. In het geval van de micro-DSS, waar het sensorhart bestaat uit een kleine videocamera met daarboven een membraan met een klein gaatje, zijn die voordelen bijvoorbeeld een betere temperatuurbestendigheid, hogere robuustheid en een betere betrouwbaarheid. Door het membraan te maken uit een tweede siliciumwafer en deze direct op

De MMMA (MEMS Mega pixel Micro thruster Array) is een micro voortstuwingssysteem dat bijvoorbeeld zeer nauwkeurige standregeling kan uitvoeren. [Honeywell-Princeton]

21

Gravity Probe B Telescoop. [Stanford]

de andere sensorwafer te bonden, is er geen verschil in uitzettingscoëfficiënt, waardoor bij temperatuurvariaties geen interne spanningen optreden. Door voor de drager keramisch materiaal te gebruiken en de antenne direct te integreren, zijn zowel de mechanische spanningen als het aantal onderdelen drastisch gereduceerd. Door de maat van de sensor en de geringe massa van de onderdelen is de sensor heel rigide te maken. Dit alles leidt tot een sensor die wordt opgebouwd uit een minimaal aantal onderdelen en die in potentie een groter temperatuurbereik aan kan dan zijn meer conventioneel gebouwde grotere broer (bij ongeveer 1/40 deel van het volume). Miniaturisatie is echter alleen mogelijk indien de bekende en minder bekende MST-technologieën worden beheerst. Denk daarbij aan zaken als surface en bulk micromachining, wafer level bonding, chip scale packaging, multi chip module technology (MCM), low power RF communication, energy scaven-

22

ging (het uit de omgeving halen van benodigde energie), enz. De laatstgenoemde technologie behoeft waarschijnlijk extra toelichting. Naar mijn mening wordt er momenteel onevenredig veel aandacht geschonken aan de miniaturisatie van het sensordeel. Uiteraard is dit heel belangrijk, want, zoals eerder al aangegeven is er zonder kleine sensor geen klein systeem. Echter, hetzelfde geldt voor packaging en energy scavenging. De bruikbaarheid van een MST-systeem zal grotendeels afhangen van de efficiëntie waarmee het systeem in staat is om energie te halen uit zijn omgeving en de verpakkingsmethode. Alles integreren op een chip is vaak niet haalbaar in verband met de flexibiliteit en de hieraan gerelateerde terugverdientijd, dus zal men moeten zoeken naar manieren om een beperkt aantal chips efficiënt te verpakken (MCM) of aan een manier om ASIC-ontwerp en -productie aanmerkelijk goedkoper te maken dan nu het geval is (terugdringen van de eenmalige kosten).

De realiteit gebiedt te zeggen dat waarschijnlijk beiden nodig zullen zijn om het MST-pad voor een significant groter aantal applicaties te ontsluiten. Echter, zodra de processen beheerst worden, zijn de mogelijkheden haast onbeperkt. Door de geringe vermogensdissipatie in combinatie met radiofrequente of optische communicatie, kunnen systemen NxN redundant worden uitgevoerd, hetgeen inhoud dat alle subsystemen met alle andere kunnen communiceren. Door de kleiner wordende structuren en hoger wordende kloksnelheden zal het nodig zijn om automatische foutcorrectie in te bouwen, wat aanvankelijk een extra last is maar uiteindelijk tot extra mogelijkheden zal leiden.

De toekomst De ontwikkeling van microsysteemtechnologie zal interplanetaire reizen aanzienlijk kunnen vereenvoudigen en


nieuwe mogelijkheden kunnen creëren. Uitbreiding van functionaliteit per kilo is daarbij het devies. MST zal het in de nabije toekomst mogelijk maken om met redelijk potente maar toch lichte satellieten naar de buitenste planeten van ons zonnestelsel te gaan. Door de hogere temperatuurbestendigheid zou het ook mogelijk zijn om dichter naar de zon te gaan. Dichter bij huis is het wellicht mogelijk om satellieten te maken die worden gebouwd door het stapelen van een aantal wafers waarbij de bovenste als zonnecollector dienst doet en de andere wafers functies vervullen zoals standcontrole, communicatie en aardobservatie. De aldus gecreëerde MST-kern kan dan met uitrolbare en opblaasbare grotere onderdelen worden voorzien met als doel het communicatiebereik en de resolutie te vergroten. Deze satellieten kunnen dan waarschijnlijk zo robuust worden dat ze met een kanon in een baan om de aarde kunnen worden gebracht (Stratosphere Piercing Discarding Sabot Satellite, SPDSS) en er geen dure en luchtverontreinigende satellieten meer hoeven te worden gelanceerd om dit soort instrumenten te laten vliegen. In het verleden zijn er al experimenten geweest met elektromagnetische kanonnen

die extreem hoge uittreedsnelheden konden behalen. Een satellietlancering is dan zoiets als het laden van een kanon, richten en schieten, waarbij na het bereiken van de omloopbaan de satelliet zijn telescoop en antennes opblaast, zijn zonnecellen uitrolt en aan zijn taak begint. Als er nog raketten gebruikt worden, zullen die kleiner zijn en mogelijk tientallen satellieten tegelijkertijd in een omloopbaan brengen. Voor interplanetaire reizen zal een ionenmotor, (mogelijk in combinatie met een zonnezeil), waarschijnlijk voor het laatste zetje zorgen om tot ongekende afstanden ten opzichte van onze aarde te komen en nu nog ongekende snelheden te bereiken. De tijd van de dinosauriërs onder de satellieten (zoals ENVISAT) zal definitief over zijn. Constellaties van kleine satellieten zullen virtuele antennes en telescopen maken die het mogelijk zullen maken om details van de aarde en het heelal waar te nemen met een resolutie die nu nog voor onmogelijk wordt gehouden. Verbetering in de standcontrole zal het mogelijk maken om een grotere onderlinge nauwkeurigheid van instrumenten te garanderen dan nu op een satelliet mogelijk is.

Repareren van deze satellieten is niet mogelijk, maar dat hoeft ook niet meer. Alle systemen zullen zelf foutcorrigerend zijn en in staat om fouten of het (deels) uitvallen van een systeem of een hele satelliet te corrigeren. Door de kleinere structuren zullen de componenten minder gevoelig zijn voor beschadiging door kosmische straling, maar als een instrument echt komt te overlijden, zal men eenvoudig een nieuwe lanceren die zich automatisch aanmeldt bij de constellatie. Als een instrument verouderd is, lanceert men de opvolger, neemt die in dienst, en dankt het oude instrument af zonder een seconde waarnemingstijd te verliezen. Er zal dan bijvoorbeeld ook geen sprake meer zijn van een Meteosat van de achtste generatie, maar van Meteosat 2086. Dikke kans dat het dan echter geen geostationaire constellatie meer is, maar een constellatie in een lage aardbaan. Het leuke is dat dit artikel over tien of twintig jaar nog eens na gelezen kan worden om te zien wat er is uitgekomen van wat we nu voorspellen en hopelijk zijn we er over vijftig jaar nog om het nogmaals te doen. Een deel van de genoemde zaken zal dan waarheid zijn geworden, een ander deel niet, en wellicht is over honderd jaar de rol van microsysteemtechnologie geheel overgenomen door nanotechnologie. Hoe dan ook, we weten nu al zeker dat MST niet meer weg te denken is uit ons leven en op termijn zeker een plaats zal veroveren binnen de ruimtevaart, hoe tijdelijk die ook mag zijn.

Versnellingsopnemer. [Mitsubishi Electris / TUDelft]


23

Kleine satellieten Dr. Stuart Eves Hoofdingenieur Militaire Systemen, Surrey Space Centre

Trends in het ontwerp van en de technologie voor kleine satellieten zijn in kaart te brengen. Hiermee kunnen dan de meest waarschijnlijke toepassingen van kleine satellieten in de toekomst worden voorspeld.

Inleiding Momenteel is het begrip ‘kleine satelliet’ niet scherp gedefinieerd en de meningen hierover zullen ook in de toekomst zeker nog veranderen. In dit artikel wordt onder een kleine satelliet verstaan, elk ruimtevaartuig dat een massa heeft van minder dan 500 kg en zich buiten de atmosfeer bevindt. In de praktijk zijn kleine satellieten aanzienlijk goedkoper en compacter dan hun grotere soortgenoten, aangezien in de ruimtevaartindustrie massa direct is gerelateerd aan zowel volume als kosten. Bovendien kost het minder tijd om kleine satellieten te ontwerpen en te bouwen. Al deze factoren zullen naar verwachting het toekomstige gebruik van kleine satellieten beïnvloeden.

Beperkingen Bij een beschouwing over het gebruik van kleine satellieten in de toekomst is het nuttig om eerst een aantal beperkende factoren voor het ontwerp te analyseren die ook in de toekomst niet zullen wijzigen, aangezien deze bepalend zijn voor de wijze waarop kleine satellieten zich verder gaan ontwikkelen. De belangrijkste beperkingen komen voort uit de massa’s en afmetingen van de verschillende hemellichamen in het zonnestelsel in het algemeen en de aarde in het bijzonder. Ook in de toekomst blijft het namelijk noodzakelijk om een satelliet tot 7,5 km/s te versnellen om deze in een baan om de aarde te brengen en tot 11 km/s om aan de aardse zwaartekracht te ontsnap-

24

Proba satelliet. [ESA]

pen. Hierdoor worden bepaalde eisen gesteld aan de mechanische eigenschappen van materialen die worden gebruikt voor de bouw van toekomstige satellieten. Ook de atmosfeer van de aarde blijft een dusdanige invloed hebben op satellieten dat de minimale hoogte van een geschikte omloopbaan voor kleine satellieten 500 km zal blijven. Door de ongewijzigde snelheid van de aardrotatie blijft de geostationaire omloopbaan (GEO) ook in de toekomst een

veelgebruikte omloopbaan. Het gevolg hiervan is dat in de toekomst kleine satellieten in dezelfde omloopbanen als tegenwoordig te vinden zullen zijn. Voor sommige toepassingen zullen nieuwe typen omloopbanen in gebruik moeten worden genomen indien het probleem van ruimtepuin niet wordt opgelost. Echter, het plaatsen van bijvoorbeeld telecommunicatiesatellieten in banen die verder liggen dan GEO is onwaarschijnlijk omdat de vertragingen die hierdoor ontstaan de spraakverbindingen bemoeilijken.


Kosmische straling kan een beperking vormen als bepaalde bestaande technologieën in de ruimte worden toegepast. Doordat elektronische componenten steeds kleiner worden, kunnen elektrisch geladen deeltjes genoeg energetisch worden om permanente schade aan te richten. Ook de maximale hoeveelheid energie die uit zonnestraling kan worden gewonnen is een beperking voor het vermogen dat ter beschikking staat aan kleine satellieten in lage omloopbanen. Tenzij de publieke opinie ten aanzien van kernenergie drastisch wijzigt, zal de toepassing van nucleaire energiebronnen in kleine satellieten beperkt blijven tot interplanetaire missies. De laatste beperking wordt gevormd door de propagatie van elektromagnetische straling in de atmosfeer, die van invloed is op te gebruiken communicatiefrequenties en golflengten waarin aardobservatie-instrumenten kunnen waarnemen.

veranderen en de hoeveelheid vruchtbare grond afneemt, zal de behoefte aan het kunnen volgen van dergelijke factoren eerder toe- dan afnemen. Op dit moment al worden kleine satellieten, zoals de RapidEye constellatie, ingezet om in deze behoefte te voorzien. Groot voordeel boven grondgebonden sensoren is het vermogen om grote gebieden tegelijk in korte tijd in kaart te brengen. Het valt te verwachten dat ook alternatieve grondgebonden systemen, zoals de toepassing van grote aantallen sensoren die worden verspreid over een bepaald gebied, zullen worden ontwikkeld om milieufactoren te meten. Feit blijft dat een hoge mate van continuïteit in meetgegevens een vereiste is om betrouwbare vergelijkingen over de toestand van het milieu te maken. Hierdoor zal milieuobservatie van grote delen van het aardoppervlak een belangrijke

drijfveer blijven in het ontwerp van toekomstige satellieten. De globalisatietrend zal er hoogstwaarschijnlijk toe leiden dat zulke vormen van aardobservatie in internationaal verband uitgevoerd gaan worden. Landen die zich verbinden aan milieuverdragen hebben er belang bij om aan te tonen dat zij ook daadwerkelijk hieraan voldoen en landen die nalatig zijn ter verantwoording te roepen. Naar verwachting zullen vele landen daarom aanzienlijke belangen hebben bij resultaten van aardobservatiemissies. Internationale organisaties, zoals de Verenigde Naties, zullen meer dan geloofwaardige sponsoren van zulke aardobservatiesystemen worden. Een ander voorbeeld is de behoefte op lange termijn van het Internationaal Strafhof in Den Haag aan een capaciteit om op internationale schaal bewij-

RapidEye constellatie. [MDA]

Drijfveren achter de ontwikkeling van kleine satellieten Er zijn een aantal fundamentele menselijke eigenschappen die hoogstwaarschijnlijk niet veranderen in de toekomst. Satellieten die deze eigenschappen ondersteunen zullen hun waarde voor de mensheid daarom blijven behouden, ongeacht of juist door de voortgang in techniek. Vitale bestaansmiddelen Een voorbeeld van een fundamentele menselijke eigenschap is de behoefte van ieder mens aan een veilige omgeving om te leven, schoon water om te drinken en genoeg voedsel om te eten. Hierdoor blijft het ook in de toekomst belangrijk om het milieu in het algemeen en de groei van primaire voedselbronnen in het bijzonder, te kunnen volgen. Sterker nog, aangezien voorspellingen aangeven dat de wereldbevolking toe blijft nemen, door klimaatveranderingen neerslagpatronen


25

zen voor strafzaken te verzamelen. Kleine satellieten zullen naar verwachting een deel van de benodigde informatie kunnen verzamelen. Communicatie Een andere fundamentele menselijke eigenschap is het vermogen om te communiceren. Moderne telecommunicatiesystemen, satellieten inbegrepen, hebben dit vermogen aanzienlijk verbeterd. Naarmate de wereldbevolking toeneemt en meer mensen toegang krijgen tot het wereldomvattende communicatienetwerk, zal het aantal mogelijke verbindingen in de toekomst verder toenemen. Analyse van grote netwerken leert dat er bepaalde regelmechanismen zijn die invloed hebben op de efficiëntie daarvan. Een voorbeeld is een netwerk waar alle knooppunten direct verbonden zijn met elkaar. Zulke netwerken zijn erg inefficiënt aangezien er veel verbindingen ongebruikt blijven. Op dezelfde manier zijn ook ringvormige netwerken niet efficiënt, aangezien er een groot aantal verbindingen noodzakelijk is om twee tegenovergestelde knooppunten met elkaar te verbinden. Het is aangetoond dat netwerken het meest efficiënt werken indien lokale groepen binnen het netwerk direct via korte verbindingen met elkaar verbonden zijn. Deze lokale groepen staan vervolgens onderling via een beperkt aantal langeafstandsverbindingen met elkaar in contact. Zenuwcellen in het menselijk brein functioneren volgens dit principe. Kleine satellieten in hoge omloopbanen zijn zeer geschikt om de verbindingen over lange afstanden en met hoge capaciteit, die zeer waarschijnlijk in toekomstige telecommunicatienetwerken nodig zijn, te verzorgen. Dit komt niet in de laatste plaats door het vermogen om zich snel aan te passen aan variaties in de vraag, zoals het wisselen van zendvermogen tussen verschillende antennebundels als gevolg van het dag/nacht-ritme in de gebieden waarboven de satelliet zich bevindt. Kleine satellieten kunnen

26

zien hiermee communicatie mogelijk is die vergelijkbaar is met directe communicatie tussen twee personen. Natuurlijk hebben tekstberichten en telefonie duidelijke voordelen, maar de mens heeft nu eenmaal waarnemingsvaardigheden ontwikkeld waarmee een grote hoeveelheid informatie wordt verkregen uit subtiele gelaatsuitdrukkingen en –bewegingen. Deze ontbreken simpelweg bij niet-visuele communicatiemedia. Het is daarom zeer waarschijnlijk dat kleine communicatiesatellieten videotelefonieverbindingen zullen gaan ondersteunen.

Cassiope is een multifunctionele missie voor zowel wetenschappelijke als commerciële doelen. Gepland voor lancering in 2007 zal deze kleine satelliet een verscheidenheid aan taken voor de Canadese ruimtevaartorganisatie gaan uitvoeren. [MDA]

bovendien in longitude worden gemanoeuvreerd om te voldoen aan veranderende behoeften op langere termijn. Ook hier is er weer overeenkomst met het menselijke brein, waar zenuwcellen telkens nieuwe taken toegewezen krijgen naarmate de mens nieuwe vaardigheden leert. De mate waarin satellieten in de toekomst voorzien in de behoefte aan langeafstandsverbindingen is afhankelijk van ontwikkelingen in grondverbindingen, maar er zijn al aanwijzingen die wijzen op een rol van kleine satellieten hierin. Voorstellen voor systemen van kleine satellieten in lage omloopbanen (LEO) die zijn ontworpen om grote hoeveelheden data tussen twee punten te verzenden, zoals Cassiope, illustreren het feit dat de behoefte aan bandbreedte momenteel de capaciteit van bestaande communicatiesystemen overstijgt. Het is de vraag of deze trend zich zal doorzetten. Een argument hiervoor is dat de grootte van gegevensoverdracht een plafond bereikt op het moment dat real-time videobeelden van een aanzienlijk gezichtsveld uitgewisseld kunnen worden, aange-

Mobiliteit Onze mobiliteit is de afgelopen driekwart eeuw door de technologische vooruitgang sterk toegenomen. De behoefte aan navigatiesystemen zal gemiddeld genomen in de komende 75 jaren navenant toenemen. Het is aannemelijk dat hieraan ook een grotere behoefte aan hogere precisie gepaard zal gaan, iets wat momenteel al te zien is aan de toepassing van navigation overlay services die in bepaalde gebieden aan GPS worden toegevoegd. Door het aantal satellieten dat een gebruiker op de grond tegelijk kan zien te verhogen, is het mogelijk om een hogere nauwkeurigheid te behalen in navigatie- en snelheidbepalingen. Dit geldt vooral voor snel bewegende voertuigen waarvoor veiligheid cruciaal is, zoals vliegtuigen. De huidige GPS-constellatie bestaat uit 24 grote satellieten in middelhoge omloopbanen (MEO). Simulaties laten zien dat een grotere beschikbaarheid goed te bereiken is door over te gaan op een groter aantal kleinere satellieten in LEO. Door het grotere aantal satellieten is een hogere nauwkeurigheid mogelijk en door de hogere signaalsterkte wordt bovendien de dekkingsgraad in verstedelijkte gebieden vergroot. Het is waarschijnlijk dat navigatieapparatuur in het kader van wereldpolitiek routinematig gebruikt gaat worden om de locatie van een groot deel van de wereldbevolking te volgen. Een


dergelijk systeem kan echter alleen functioneren indien een ontvanger op de grond regelmatig op een actieve manier kan communiceren met het netwerk. De toepassing wordt pas helemaal realistisch indien de communicatielijnen worden gevormd door kleine satellieten in lage omloopbanen. Deze zijn meer toereikend voor de beschikbare hoeveelheid bandbreedte en de beperkingen aan het aantal terminals dat probeert de positie door te geven dan een veel grotere satelliet in een traditionele middelhoge omloopbaan. Leergierigheid De grote drang naar kennis van de mensheid die voortkomt uit verkenningsmissies naar andere hemellichamen in ons zonnestelsel laat zien dat het verlangen om meer te ontdekken onverminderd groot blijft, ook al heeft de mens toegang tot veel kennis over de eigen planeet. Met de vooruitgang in de techniek zal het gebruik door astronomen van grote ruimtetelescopen, die tot ver in het universum kunnen kijken, verschuiven naar kleinere telescopen die sneller zijn te richten op gebieden in ons eigen melkwegstelsel. Een van de belangrijkste speerpunten in deze ontwikkeling zal gericht zijn op het ontdekken van planeten. De interesse hierin, die voortkomt uit wetenschappelijke (en mogelijk ook religieuze) motieven, zal hoofdzakelijk resulteren in een zoektocht in de buurt van sterren naar planeten die lijken op de aarde. Dergelijke zoektochten hebben alleen kans van slagen indien een aanzienlijke hoeveelheid telescooptijd beschikbaar wordt gesteld om een significant aantal hemellichamen te kunnen observeren. De grootte van de satellietconstellatie die benodigd is om de detectie uit te kunnen voeren, sluit het gebruik van grote satellieten voor de zoektocht uit, omdat dit uitermate kostbaar is en de telescopen veel te traag zijn. Grote satellieten zullen gebruikt blijven worden voor gedetailleerde vervolgstudies. De initiële detectie van mogelijk geschikte zonnestelsels zal in de toekomst echter


worden uitgevoerd door constellaties van kleine astronomische satellieten. Veel dichter bij huis, in ons eigen zonnestelsel, liggen een groot aantal zeer interessante gebieden die door kleine satellieten bezocht zullen worden. Kleine platformen hebben het voordeel dat zij via de draagraket tot hogere snelheden kunnen accelereren zodat de vluchttijd naar de eindbestemming wordt verkort. Samen met de kortere tijd om dergelijke ruimtevluchten te plannen, worden zo de kosten van missies verlaagd en de frequentie ervan verhoogd. Uiteindelijk zal een punt worden bereikt waarbij meer permanente observaties van bepaalde interessegebieden, zoals de manen Europa en Titan, mogelijk wordt in plaats van een enkele observatie per decennium. Zelfbehoud In vroegere tijden werden astronomen zeer gewaardeerd vanwege hun kennis over de seizoenen en speelden zij een belangrijke rol bij het berekenen van het juiste moment om gewassen aan te planten. Tegenwoordig wordt astronomisch onderzoek gezien als iets dat ver van de praktijk van alledag staat. Er is echter een groeiend besef dat onze huidige levenswijze op aarde wordt bedreigd vanuit de ruimte, bijvoorbeeld door Near Earth Objects en variaties in het uitgezonden zonnevermogen. Het gevolg hiervan is dat de rol van astronomen in meer aardse zaken weer in belang zal gaan toenemen. De zon is een belangrijke energiebron in diverse golflengtegebieden. Kleine satellieten kunnen op een aantal manieren worden ingezet om de uitgezonden straling te volgen. Detectieapparatuur voor kleine golflengten, zoals röntgenstraling, hoeft niet groot te zijn en kan dus worden meegevoerd door een relatief kleine satelliet. Grotere golflengten, zoals laagfrequente radiogolven, vereisen antennes van enkele kilometers. Deze zeer grote afmetingen van de antennes verhinderen het gebruik van een

enkele satelliet. Via kleine satellieten kunnen antenne-elementen van geringere doorsnede worden gebruikt. Hiermee kunnen gegevens worden verzameld die via interferometrie worden gebundeld, om zo de gezochte kennis te verzamelen over zonnestraling in golflengten die niet kunnen doordringen in de aardse atmosfeer. Net zoals de bij eerder beschreven observatie van het milieu kan ook hier pas een beter begrip van de fysische mechanismen die een rol hierbij spelen ontstaan, indien observaties over langere tijd plaatsvinden. Het valt daarom te verwachten dat kleine satellieten ook in de toekomst de zon nauwlettend in gaten zullen blijven houden. Het levende bewijs van de enorme vernietigende kracht van inslaande asteroïden is terug te zien in de kraters op aarde en andere hemellichamen in ons zonnestelsel. Grondgebonden telescopen kunnen dergelijke objecten detecteren en de baan ervan bepalen. In sommige gevallen kunnen bovendien geïnterpreteerde beelden worden gemaakt met informatie over grootte, vorm en rotatiekarakteristieken van zulke lichamen. Grote beperking van grondgebonden sensoren is het ontbreken van mogelijkheden om de fysieke samenstelling van asteroiden te bepalen. Aangenomen wordt dat ten minste drie hoofdcategorieën asteroïden bestaan, namelijk vaste metaalachtige lichamen, los bijeengehouden puinbalen die gemakkelijk uiteen kunnen vallen, en enigszins poreuze lichamen die de energie van een inslag hoogstwaarschijnlijk net zo zullen absorberen als polystyreenschuim. Er zijn diverse manieren voorgesteld om een asteroïde van baan te laten veranderen, maar het is natuurlijk essentieel om eerst de samenstelling ervan te bepalen voordat een strategie wordt bepaald om het gevaar ervan af te wenden. Kleine satellieten kunnen ideaal zijn om de benodigde informatie te verkrijgen, vooral vanwege de korte tijd om een satelliet klaar te maken voor de missie en de

27

de ruimte regelmatig kunnen worden onderhouden en bijvoorbeeld opnieuw van stuwstof voorzien.

Topsat. [SSTL]

potentieel korte vluchtduur. Op dit moment zijn er geen objecten bekend die een gevaar vormen voor de aarde. Het bestaande overzicht van dergelijke objecten, die moeilijk zijn waar te nemen, is echter verre van compleet en dient ook kleinere objecten zoals asteroïden te omvatten. Hoewel deze geen vernietiging op wereldschaal kunnen veroorzaken, zullen de gevolgen van een inslag niettemin aanzienlijk zijn. Schattingen van bevolkingsaantallen én statistieken van banen van asteroiden tonen aan dat er, tegen de tijd dat grondgebonden onderzoek tegen de hierboven geschetste limieten aanloopt, wel degelijk doelobjecten voor missies van kleine satellieten zijn. Een andere mogelijke toepassing van kleine satellieten in de toekomst is een constellatie die is ontworpen voor waarschuwing voor aardbevingen. Initiële metingen wijzen uit dat aardbevingen vooraf worden gegaan door veranderingen in de aardse ionosfeer. Deze worden vermoedelijk veroorzaakt door nog onverklaarde elektromagnetische fenomenen afkomstig uit spanningen in gesteente. Een constellatie van kleine satellieten die zulke veranderingen kan detecteren en zo vroegtijdige waarschuwingen geven, zijn van onschatbare waarde. Hierdoor kunnen vooraf al operaties worden gestart om schade te beperken, in plaats van reddingsoperaties ná de ramp.

28

Realisatie Bedrijven zoals Surrey Satellite Technology Ltd in het Verenigd Koninkrijk hebben aangetoond dat het mogelijk is bepaalde ontwikkelingen in elektronica toe te passen in satellieten en zo de capaciteiten van kleine satellieten te verbeteren. De verkleining van componenten die bijvoorbeeld wordt toegepast in mobiele telefoons zal daarom zijn weg vinden naar het ontwerp van satellieten, totdat de afmetingen hiervan zodanig klein worden dat er een kwetsbaarheid ontstaat voor ruimtestraling. In de nabije toekomst zal draadloze technologie korte afstandsverbindingen tussen kleine satellieten mogelijk maken, waardoor deze in clusters of constellaties kunnen worden gebruikt. Hierdoor wordt gebruik van grotere en effectievere antennes mogelijk, om te beginnen in het gebied van radio-emissies, maar later ook in infrarood- en optische golflengten. Hiermee kunnen missies worden ondersteund die zijn te vergelijken met Darwin en de Terrestrial Planet Finder Interferometer, maar met verbeterde prestaties door het gebruik van een groter aantal kleinere satellieten. De nauwgezette controle via draadloze verbindingen maken naderingen en koppelingen van satellieten in de ruimte veel meer een routinematige handeling, waardoor satellieten in

Energievoorziening zal waarschijnlijk een beperking blijven voor kleine satellieten. Ondanks dat componenten geleidelijk steeds efficiënter worden, blijft bij kleine satellieten de beschikbare hoeveelheid oppervlakte voor de opwekking van energie beperkt. Vandaar dat, zelfs bij de sterke verbetering van de capaciteit van kleine satellieten door vooruitgang in de efficiëntie van zonnecellen (die is verdubbeld in de laatste 15 jaren), bij andere onderdelen van satellietontwerp (zoals de het meegevoerde geheugen) vele malen meer vooruitgang is geboekt.

Conclusies De snelheid van veranderingen in het ontwerp van kleine satellieten is op het moment zodanig groot dat deze, net zoals bij PC’s, reeds binnen een periode van ongeveer vijf jaren zijn verouderd. Deze snelheid zal in de toekomst wel afnemen doordat het ontwerp van satellieten, met name op het gebied van micro-elektronica, de grenzen naderen die door natuurwetten worden gesteld. Ondanks dat zullen de toepassingsgebieden, waarin kleine satellieten worden ingezet, toenemen en zullen de prijzen van deze satellieten blijven dalen. Het is echter nogal voorbarig om te stellen dat individuen in de komende decennia zelf over kleine satellieten kunnen beschikken. Echter, de vraag naar gespecialiseerde informatiestromen, toegespitst op individuele behoeften, zal er hoogstwaarschijnlijk wel voor zorgen dat in deze periode individuen eigen transpondercapaciteit gaan huren. Vertaald door Ir. G.D. Hazebroek


Voortstuwingstechnologie in de 21ste eeuw Quo Vadis Ton Maree en Berry Sanders TNO Defensie en Veiligheid

Beweging is een cruciaal element in het leven van mens en dier. Kunnen gaan en staan waar we willen, de wereld verkennen, op zoek gaan naar voedsel, een nieuwe woonplaats zoeken of gewoon op avontuur gaan. Of we dit nu kruipend, lopend, vliegend of zwemmend doen, we bewegen ons voort door ons af te zetten tegen onze omgeving van grond, lucht of water. Actie = Reactie.

Bewegen, maar hoe? De mens wil over het algemeen meer. Dus heeft hij machines bedacht die hem sneller, verder en hoger voortstuwen dan enig ander dier. Hier op aarde kon hij daarvoor hetzelfde principe gebruiken als ieder ander levend wezen. Maar bij het bereiken van de grenzen van de atmosfeer en het betreden van de vrije ruimte ontstaat er een probleem. Er is niets meer om je tegen af te zetten. Zoals bekend hebben verschillende knappe koppen daar in het verleden wat op bedacht. Als er niets meer is om je tegen af te zetten, dan neem je datgene zelf mee. Het principe Actie = Reactie blijft ook in de ruimte gelden en dus zul je in beweging komen als je een bepaalde massa met kracht van je afwerpt. Het totale impulsmoment moet namelijk intact worden gehouden. Het materiaal of de stof die je van je afwerpt, stuwt je voort in het luchtledige en het is dan ook niet verwonderlijk dat deze stof binnen de rakettechnologie stuwstof wordt genoemd. Er zit wel een nadeel aan deze technologie. De massa stuwstof die je moet meenemen gaat ten koste van massa die je anders zou kunnen gebruiken voor lading (zijnde mensen of bagage van welke soort dan ook). Begrijpelijk dus dat zo ongeveer de belangrijkste zoektocht in de voortstuwingswereld voor ruimtevaart zich richt op een zo


efficiënt mogelijk gebruik van stuwstof. In dit artikel zal allereerst de huidige status en ontwikkelingen die gaande zijn op het gebied van voortstuwing in de ruimtevaart kort worden weergegeven. Vanuit dat perspectief zal een poging worden gedaan om een beeld te schetsen van de mogelijkheden aan het eind van deze eeuw. Houdt u daarbij bovenstaande probleemstelling goed voor ogen, want het zal een belangrijk thema zijn bij de doorbraken die ongetwijfeld eens zullen worden bereikt op het gebied van voortstuwing.

De stuwstof queeste De huidige stand van technologie en meest bekende op het gebied van voortstuwing is die van de chemische raketvoortstuwing. We kennen allemaal de plaatjes van de Shuttle, Ariane en Soyuz, met hun gele vlammen uit de uitlaat die met een bulderend geraas richting ruimte wegvliegen. De technologie die hier wordt toegepast is gebaseerd op vaste en vloeibare stuwstoffen. Chemische raketmotoren Het aardige van de chemische raketvoortstuwing is dat de stuwstof twee functies in zich verenigt. Allereerst fungeert de stuwstof natuurlijk als de stof die naar achteren wordt geslingerd om op het voertuig een voortstu-

wende kracht op te wekken. Maar voor dat met brute kracht naar achteren slingeren is natuurlijk energie nodig en dat levert diezelfde stuwstof ook. Door de stuwstof te laten verbranden dan wel uiteenvallen, ontstaat er een grote hoeveelheid energie die kan worden aangewend voor de verhitting en samendrukking van de aanwezige gassen, wat weer kan worden gebruikt om de gassen naar achteren te versnellen. Die verbranding of ontbinding is een chemische reactie en vandaar de benaming chemische voortstuwing. Een groot voordeel van de chemische voortstuwingstechnologie is dat er grote stuwkrachten mee kunnen worden opgewekt. Dit is van groot belang om vanaf het aardoppervlak in de ruimte te komen, al vechtend tegen de gravitatiekracht. Daarom zal deze technologie voornamelijk voor lanceervoertuigen nog wel een lange tijd in beeld blijven. De hoeveelheid geleverde impuls per kilogram stuwstof is echter beperkt en daar zit weinig groeimogelijkheid meer in. Elektrische motoren Om de efficiëntie te verbeteren, wordt er al lang gekeken naar voortstuwing die elektrische energie gebruikt om de stuwstof te versnellen. Elektrische voortstuwing bestaat in verschillende vormen, maar kenmerkend is dat de efficiëntie in gebruik van stuwstof behoorlijk veel hoger ligt dan voor de chemische voortstuwing, soms wel tot een factor tien hoger. En feitelijk is de

29

fysische beperkende factor daar nog niet bereikt. Een moderne variant van elektrische voortstuwing is de VASIMR: Variable Specific Impulse Magneto-plasma Rocket. Hier wordt het magnetische plasma dynamica effect gebruikt om heet gas te versnellen. Voordeel van de VASIMR is dat hij zowel relatief hoge stuwkracht kan leveren bij een lagere efficiëntie alsook een lage stuwkracht bij een hoge efficiëntie. Echter de hoeveelheid energie die de VASIMR nodig heeft is enorm (een slordige 200 Megawatt voor een motor voor een Marssonde van 20 ton) en die kan eigenlijk alleen door een flinke kernreactor worden opgewekt. Nadeel van elektrische voortstuwing is dat men de energie om de stuwstof te versnellen apart moet meenemen. Dit kost gewicht en hiermee wordt een deel van de hoge efficiëntie weer tenietgedaan. Een ander nadeel is dat de opgewekte stuwkrachten heel klein zijn zodat de motoren dagen, ja zelfs weken en maanden moeten werken om de gewenste snelheidverandering te krijgen. Daarom is deze vorm van voortstuwing alleen buiten de dampkring toepasbaar. Met andere woorden:

voor een missie in de ruimte is het een aardig alternatief en wordt het ook al gebruikt (SMART-1 en Deep Space 1), maar om vanaf de aarde in de ruimte te komen of naar de sterren te gaan helpt het ons niet verder. Luchtgebruikende motoren Een andere manier om de efficiëntie te verhogen, is het gebruik van de atmosfeer. Straalmotoren gebruiken hetzelfde principe als een raketmotor, Actie = Reactie, en kunnen voor lange tijd grote stuwkrachten opwekken. Wat doen die rakettechneuten dan verkeerd? Het antwoord is dat er in de ruimte geen lucht is, straalmotoren stoten de lucht die de motor inkomt met hoge snelheid uit door de zuurstof die erin zit met de meegenomen kerosine te verbranden en de verbrandingsenergie om te zetten in snelheid. Een raketmotor gebruikt geen lucht en moet dus zijn zuurstof zelf meenemen, dit kost weer massa. Straalmotoren gebruiken de brandstof voornamelijk om de energie voor de versnelling op te wekken, maar een klein deel van wat er achter uit de motor vliegt is de verbrande brandstof. De rest is gratis omgevingslucht die als reactiemassa

Een artistieke weergave van een elektrisch voortstuwingsysteem gevoed door zonne-energie. [NASA]

30

wordt gebruikt. Een straalmotor is daarom veel efficiënter dan een raketmotor maar helaas alleen bruikbaar in de lagere lagen van de atmosfeer (tot een kilometer of 25 hoogte) en alleen geschikt voor een beperkt snelheidgebied (tot ongeveer drie keer de geluidsnelheid). Nu zijn er zeer geavanceerde straalmotoren bedacht die wel op hoge snelheid (tot boven tien keer de geluidsnelheid) lucht kunnen happen en nog sneller kunnen uitstoten, dit zijn de zogenaamde ramjets en voor nog snellere voertuigen scramjets. Er wordt op verschillende plaatsen aan dit soort motoren gewerkt en in maart 2005 heeft een experimenteel toestel van NASA, de X-43A, zelf Mach 10 gehaald met een scramjet motor. Daarbij moest hij wel eerst met een gewone raket op gang geholpen worden en de motor heeft maar tien seconden gewerkt. Dit laatste geeft al aan dat we nog steeds ver verwijderd zijn van een operationeel lanceersysteem dat gebruik maakt van dit principe. Misschien pas in 2040 of later. Efficiëntere energiebron; kernenergie Een derde manier om de efficiëntie te verbeteren, is het inzetten van energiebronnen die veel meer energie leveren per eenheid van gewicht dan de nu gebruikte chemische raketmotoren. Dit verhoogt de efficiëntie en verlaagt het gewicht van het systeem. Zo kan men kernenergie gebruiken om energie te leveren voor een raketmotor. Men kan dit doen door een kernreactor direct de stuwstof te laten opwarmen of men kan elektriciteit opwekken voor elektrische voortstuwing. Beiden zijn in principe bestaande technologieën. Al in de jaren zestig hebben de Amerikanen motoren voorzien van een kernreactor gebouwd, NERVA genaamd, en begin jaren zeventig waren ze klaar om Amerikanen naar Mars te vliegen. Echter, de hoge kosten van een dergelijke missie en de gevaren van een nucleaire raketmotor (ongelukken) zorgden ervoor dat de ontwikkeling


aangetoond. Een idee wat op zonnezeilen lijkt, is magnetische voortstuwing: hang een supergeleidende lus om je ruimteschip heen en laat daar een stroom door lopen. Doordat het ruimteschip zich in het magnetische veld van de zon of de aarde bevindt, ontstaat er een Lorentzkracht. Deze kan voor voortstuwing worden gebruikt. Hoewel dit in principe kan, is het nog niet met een ruimteschip toegepast. Artistieke weergave van het scramjet voortgedreven hypersone proefvliegtuig van de NASA, de X-43. [NASA]

werd gestaakt. Wel hebben er verschillende kleine kernreactoren gevlogen om satellieten van elektriciteit te voorzien. De laatste jaren heeft NASA nog aan de JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) missie gewerkt die elektrisch-nucleaire voortstuwing zou gebruiken. Maar ook door deze missie is een streep gehaald. Gezien de status van de technologie zou het maar een paar jaren kosten om een bruikbaar, kernenergie aangedreven ruimteschip te bouwen, mits de fondsen beschikbaar zouden worden gesteld. Energie en stuwstof op de grond Naast deze mogelijkheden waar al aan gewerkt worden, zijn er ook nog ideeën die een vierde manier vormen om de efficiëntie te verhogen: hulp van buitenaf of een ondersteunde lancering. De truc van deze methode is dat maar een deel van de energie en stuwstof in het voertuig zelf wordt meegenomen en de rest vanaf de grond wordt toegevoerd. Ook kan men het voertuig vanaf de grond een zetje geven waarmee een deel van de snelheid die nodig is om in een baan om de aarde te komen wordt meegegeven. In deze categorie vallen onder andere ideeën zoals ruimtekanonnen die satellieten afschieten, elektromagnetische lanceerrails, ruimtevliegtuigen die halverwege worden bijgetankt door een tankvliegtuig en raketten die worden voortgestuwd door lasers op de grond. Een bijzondere manier van hulp van buitenaf zijn


de tethers, lange koorden waarlangs een ruimteschip kan opklimmen of die door een draaiende beweging een lading hoog in de atmosfeer oppikken en in de ruimte weer afleveren. De ultieme vorm van tethers en ook ondersteunde lancering is natuurlijk de ruimtelift waarlangs met een minimaal energiegebruik naar de ruimte kan worden gereisd. Gebruik van zon en planeten Eenmaal in de ruimte kan men zich ook laten ondersteunen voor voortstuwing. Een methode die in vrijwel elke interplanetaire vlucht wordt toegepast, is het gebruik van gravitatievelden om een sonde te versnellen. De meeste missies naar de planeten voltooien tegenwoordig eerst een potje ruimtebiljart tussen verschillende planeten en manen voordat ze bij hun doel aankomen. Hierdoor wordt veel stuwstof bespaard. Immers, met de energie die nodig is om in de buurt van Mars of Venus te komen, kruist men het hele zonnestelsel door. Een andere vorm is zonnezeilen: grote oppervlakken waarop het invallende zonlicht een reactiekracht veroorzaakt. Er zijn echter zeer grote en tegelijkertijd ultralichte zeiloppervlakten voor nodig om bruikbare versnellingen te bewerkstelligen, hetgeen de praktische toepassing van dit systeem sterk beperkt. De eerste operationele missie met een zonnezeil, de Cosmos 1 in juni 2005, mislukte bij de lancering en het zal nog lang kunnen duren voordat dit principe wordt

Hoewel al deze methoden voordelen bieden boven de bestaande chemische raketten en er een aantal al worden toepast, zet het niet echt zoden aan de dijk. Voor reizen binnen het zonnestelsel is het aardig, maar als we naar de sterren willen moeten we echt iets beters gaan verzinnen.

Toekomst Om substantiële verbeteringen te krijgen moeten we het radicaler aanpakken. Zoals al eerder besproken hebben we een stuwstof nodig die als reactiemassa dient, een energiebron die de energie voor de versnelling levert en een fysisch principe dat ervoor zorgt dat met de energie de reactiemassa met een zo hoog mogelijke snelheid wordt weggeschoten. Als we nu deze denkwijze loslaten en zouden proberen om: • Voortstuwing te bereiken zonder stuwstof mee te nemen, dan is onze efficiëntie in principe oneindig hoog; • Een energiebron te vinden die heel veel meer energie levert per eenheid van massa dan nu het geval is; • Methoden te vinden om de stuwstof of zelfs het hele ruimteschip tot de lichtsnelheid of zelfs daarboven te versnellen Het klinkt als het breken van de wetten der natuurkunde, maar het is veel meer zoeken naar natuurkundige wetten die het mogelijk maken een echt sterrenschip te bouwen. Op verschil-

31

lende plaatsen is hierover nagedacht, onder andere in het NASA Breakthrough Propulsion Physics Project. In dit project heeft NASA onder andere mogelijkheden voor een Space Drive onderzocht, een stuwstofloze motor. Hierbij probeert men een manier te vinden om ons af te zetten tegen de lege ruimte, zoals we hier op aarde al gewend zijn te doen tegen onze directe omgeving. Een aantal claims daartoe zijn onderzocht en meestal was de conclusie dat deze claims ongegrond waren; in een enkel geval kon niet worden aangetoond dat ze niet, maar ook niet dat ze wel waar waren. Maar weinig methoden lijken op dit moment aantrekkelijk om een sterrenschip mee voort te stuwen.

Voortstuwing zonder stuwstof mee te nemen Bussard ramjet De Bussard Ramjet is genoemd naar zijn bedenker Dr. R.W. Bussard die al in 1960 met dit concept op de proppen kwam. Het idee is om de hele kleine hoeveelheden waterstof die overal in de ruimte aanwezig is te gebruiken voor voortstuwing. Voor op het ruimZonnezeilen. [Planetary Society]

teschip zit een grote elektromagnetische trechter die de waterstof verzamelt. In de motor wordt een klein deel van de waterstof in een kernfusiereactor gebruikt om de rest te versnellen. Op deze manier kan men oneindig lang door het heelal blijven rondvliegen omdat er overal waterstof is. De grootste uitdaging van de Bussard Ramjet (afgezien van de conventionele kernfusie reactor) is de afmetingen van de trechter want die moet minimaal de diameter van de planeet Jupiter hebben om een redelijke hoeveelheid waterstof te verzamelen. Gravitatie manipulatie Modificatie van de zwaartekracht is ook nog een mogelijkheid. Zwaartekracht is op quantniveau nog steeds een erg onbegrepen verschijnsel. Men is al jaren op zoek naar zwaartekrachtgolven en ook zijn er zeer kleine onbegrepen afwijkingen in de banen van ruimtesondes geconstateerd. Als zwaartekracht kan worden gemodificeerd (bijvoorbeeld door zwaartekrachtgolven uit te dempen door tegengolven te genereren) dan kan men daarmee prima een sterrenschip bouwen dat bijvoorbeeld niet door de aarde en de zon aangetrok-

ken, maar afgestoten wordt. Mogelijk zal de verdere ontwikkeling van String en Membraan theorieën hierin uitkomst bieden omdat deze de zwaartekracht wel aan andere wetten kan binden en daarmee voor een beter begrip van deze kracht kan zorgen. Casimir effect Een derde mogelijkheid is om gebruik te maken van Zero Point Energy of het Casimir effect. Vanuit de kwantummechanica is bekend dat deeltjes energie kunnen lenen van hun omgeving. Dit komt doordat uit het onzekerheidsprincipe volgt dat zelfs het diepste vacuüm nog altijd energie heeft. Experimenteel is aangetoond dat met dit effect, op micrometer schaal, beweging kan worden geïnitieerd en energie kan worden opgewekt. Mogelijk leidt dit onderzoek naar een nieuwe vorm van voortstuwing.

Nieuwe energievormen Nieuwe energievormen dan, kunnen die ons misschien helpen? Een van de energievormen is al eerder behandeld, namelijk het Casimir effect. Een andere mogelijkheid om zeer grote hoeveelheden energie op te wekken uit kleine hoeveelheden stuwstof is kernfusie. Onlangs is besloten dat er een experimentele kernfusie reactor, genaamd de ITER, in Frankrijk zal worden gebouwd. We zijn dus op weg. Een meer exotische manier om nog efficiënter energie op te wekken, is antimaterie. Bij aanraking van antimaterie met gewone materie worden beide materies volledig omgezet in energie en niet maar een klein deel zoals bij kernsplijting en kernfusie. Er is dus maximale energieopbrengst. Op heel kleine schaal kan men inmiddels antimaterie maken en zelfs opslaan, maar economisch is het nog lang niet en voortstuwing hiermee kunnen we voorlopig al helemaal vergeten. Een origineel idee is het gebruik van mini zwarte gaten. Comprimeer een

32


kleine hoeveelheid massa zoveel dat het een heel klein zwart gat vormt. Alles wat te dicht in de buurt van dit micro gaatje komt, wordt eerst waanzinnig versneld waarbij het heel heet wordt en dat levert energie waarna het in het gaatje verdwijnt. We spreken hier over afstanden de kleiner zijn dan een atoomdiameter. Voed het gaatje met wat afval of ruimteschroot en we hebben een prima energiebron. Ook hier zijn weer vele uitdagingen: hoe maak je zo’n gaatje, hoe sluit je het op en hoe tap je de energie efficiënt af?

Sneller dan licht Opvouwen van de ruimte Volgens de theorie van Einstein is het in principe niet mogelijk sneller dan het licht te reizen. Dat is erg jammer, want nu duurt het wel heel lang voordat we bij de sterren zijn. Echter in de sciencefiction is een truc hiervoor bedacht. We blijven onder de lichtsnelheid, maar maken de afstand kleiner door de ruimte op te vouwen. Dit kunnen we zelf doen, door een zogenaamde warp drive te bouwen of we kunnen gaan zoeken naar verbindingen tussen twee plaatsen in het universum, zogenaamde wormgaten. Onderzoekers hebben deze ideeën theoretisch onderzocht en zien mogelijkheden dit te realiseren. In principe lijken deze vormen van sneller dan licht reizen dan ook mogelijk, maar er zijn wel verschrikkelijk grote hoeveelheden energie voor nodig. Ook hier kunnen de String en Membraan theorieën misschien uitkomst bieden omdat hierin 11 dimensies mogelijk zijn en met zoveel ongeëxploreerde dimensies zijn er waarschijnlijk heel wat mogelijkheden om een kortere route te kiezen dan in onze drie dimensies. Teleportatie Een laatste mogelijkheid om in ieder geval met de lichtsnelheid zelf door het heelal te reizen, is teleportatie. Breek een voorwerp af tot zijn elementaire deeltjes (wel goed vastleggen waar al die deeltjes zaten), zet de materie in


String en membraan theorieën In de membraan- of stringtheorie zijn elementaire deeltjes het gevolg van bewegingen en vibraties van kleine lusjes (strings) of membraantjes. Deze membraantjes zijn zo’n miljard miljard miljard keer kleiner dan het kleinste object dat het menselijk oog kan zien. Bijzonder is dat de theorie alleen opgaat bij elf dimensies (1 tijdsdimensie en 10 ruimtedimensies). Zes van deze dimensies zijn zo klein opgerold dat wij ze niet meer kunnen waarnemen. Naast de kleine elementaire deeltjes uit de kwantummechanica, voorspelt de membraantheorie ook zwarte gaten met de eigenschappen die worden beschreven met de algemene relativiteitstheorie. De membraantheorie is dus mogelijk de theorie die alle natuurkrachten in zich verenigt.

energie om, zend de energie naar een andere plaats (inclusief een bouwtekening), converteer de energie weer naar materie en zet het zaakje weer in elkaar. Simpel toch en geen enkele nieuwe fysica is nodig. Probleem is echter dat de hoeveelheden energie (E= mc2) en data onvoorstelbaar enorm groot zijn en dat men zich geen verliezen kan permitteren omdat dat automatisch betekent dat niet alles aankomt. Een praktische teleportatie is dus nog heel ver weg.

Tot slot De vraag is nu: “Wanneer komt die doorbraak die ons naar de sterren zal brengen?” Het antwoord is teleurstellend. Op dit moment is er op korte termijn (20 tot 30 jaar) geen vooruitzicht op een doorbraak. Verder moet eerst de benodigde natuurkunde worden ontdekt en pas daarna kan men gaan werken aan een praktische toepassing. Voor veel van de in dit artikel beschreven voortstuwingsvormen is de natuurkunde nog erg onzeker. Gelukkig heeft de geschiedenis geleerd dat doorbraken nu net meestal uit een onverwachte hoek komen. Niemand had de snelle ontwikkeling van bijvoorbeeld microcomputers en internet kunnen voorzien en als je in 1939 had beweerd dat we binnen 30 jaren op de maan zouden staan, werd je eerder in een gesticht opgenomen dan dat men je als visionair zou bestempelen.

Mits er een doorbraak komt in de natuurkunde heeft van de besproken concepten kernfusie-energie de beste papieren om voor het einde van deze eeuw gerealiseerd te worden in een ruimtevaarttoepassing. We blijven dan echter tot ver in de volgende eeuw beperkt tot reizen in ons zonnestelsel. Mogelijk bieden ontwikkelingen in de String- en de hiervan afgeleide Membraan-theorie mogelijkheden voor nieuwe fysica die reizen naar de sterren wel mogelijk maakt. Ook al omdat deze theorie met veel dimensies werkt waardoor ruimtetijdkrommen en reizen via andere dimensies mogelijk zouden kunnen zijn. Als de theoretische grondslag er is, dan duurt het vaak nog vele jaren voordat er een praktische toepassing is. Newton ontwikkelde de Actie = Reactie wet in de zeventiende eeuw, maar pas in de twintigste eeuw wisten we dat toe te passen in een raketmotor. Met kernenergie ging het wat sneller, dit werd in de eerste helft van de vorige eeuw ontdekt en in de zestiger jaren werd de eerste werkende NERVA motor gebouwd. Echter de String- en Membraantheorieën zijn nog in een zeer embryonaal stadium en het is heel moeilijk te voorspellen wat zij in de toekomst mogelijk zullen maken. Het is dus wachten op een nieuwe Einstein die de theorie tot een bruikbaar niveau uitwerkt en ons de werkelijke implicaties van ruimte/ tijd en energie laat inzien.

33

De toekomst van touw Ir. Michiel Kruijff Delta-Utec SRC

In de leegte en gewichtloosheid van de ruimte staat er maar weinig in de weg om erg lange touwen ( space tethers) af te wikkelen en er iets nuttigs mee te doen.

Inleiding Heb je je wel eens voorgesteld hoe handig het zou zijn om de aarde met de maan te verbinden met een of ander soort kabel, waarlangs je dan eenvoudigweg tussen de twee werelden kon reizen? Waarschijnlijk is deze ingeving tot mislukken gedoemd. De aarde zou zich als een jojo in het touw wikkelen, de dagen beginnen langer en langer te duren, terwijl de maan binnen enkele weken wel erg groot aan de hemel zou verschijnen. Denk maar aan de desastreuze gevolgen in de film Bruce Almighty, maar dan erger. Toch geeft dit voorbeeld goed aan wat de macht van het touw kan zijn. De afstand tussen twee massa’s in de ruimte kan met een voldoende sterk touw uit het gezapige evenwicht tussen zwaartekracht en centrifugaalkracht en onder onze controle worden gebracht. Hoe zwaar deze massa’s ook zijn.

De macht van het touw In het boek Red Mars van Kim Stanley Robinson wordt de menselijke beschaving op Mars mogelijk gemaakt nadat een ingevangen asteroïde via een zogenaamde space elevator of ruimtelift met Mars is verbonden. Phobos kan zo worden gepromoveerd tot interplanetair dok voor ruimteschepen. Langs de ruimtelift vindt een ware influx van nieuwe Marsbewoners plaats, met grootse projectontwikkelingen in het achterhoofd. Helaas breekt de kabel door toedoen van de nog idealistische, eerste generatie bewoners. Ze stort

34

neer en wikkelt zich twee maal om de planeet. En de asteroïde? Die wordt met bewoners en al het zonnestelsel uitgeslingerd, maar de bewoners keren terug via een gravity-assist manoeuvre om Jupiter.

Hoe een ruimtetouw werkt In een klassiek evenwicht tussen zwaartekracht en centrifugaalkracht bewegen satellieten in cirkelbanen, verre langzamer dan die dichtbij. De maan doet een maand over een baantje, de spaceshuttle slechts anderhalf uur. Dat komt doordat de zwaartekracht verzwakt met toenemende afstand tot de aarde en alleen objecten met een lagere omloopsnelheid (en dus lagere centrifugaalkracht) in een cirkelbaan kunnen blijven. Wikkel je een touw af tussen twee satellieten, dan dwing je ze als een enkel systeem rond de aarde te draaien. Het zwaartepunt van de nieuwe verlengde combinatie bepaalt de baan waarin deze beweegt en de omlooptijd ervan. De twee eindmassa’s zijn nu gebonden aan deze zelfde omlooptijd. Onze bovenste satelliet wordt dus door het touw kunstmatig vooruitgetrokken ten opzichte van gewone ruimtevoertuigen op dezelfde hoogte, terwijl de onderste satelliet op relatief lage snelheid gehouden wordt. De spanning in het touw is de kracht die hiervoor zorgt. Door deze externe kracht is er geen gewichtloosheid meer en geen balans tussen zwaartekracht en centrifugaalkracht. Klimmend langs het touw neemt de centrifugaalkracht toe

terwijl de zwaartekracht afneemt. Je kan de spanning nog extra opvoeren door het systeem te laten slingeren of zelfs rond te draaien. Breekt het touw, dan zullen de satellieten ieder een nieuwe, eigen baan gaan volgen. De een wordt door het teveel aan centrifugaalkracht omhoog geslingerd, de ander door het teveel aan zwaartekracht, naar beneden. Technisch gesproken wordt de totale impuls van het systeem herverdeeld over de beide satellieten. Dat kan nuttig zijn als het zo gepland is, maar ook heel vervelend, zoals de fictieve gebeurtenis op de rode planeet illustreert.

Structureel diagram van een ruimtelift. [WikipediA]


Gebruik en gevaar Net als de ruimtelift doelen de meeste slingerconcepten erop om de kosten van het lanceren dramatisch te verminderen. Het gebruik van een touw als slinger is al minstens zo oud als David en Goliath, maar Tethers Unlimited Inc. in de VS hebben veel grootsere plannen en slagen er redelijk in NASA mee te krijgen. Hun Cislunar is een concept om goedkoop naar de maan te reizen. Cislunar is gebaseerd op twee ronddraaiende touwen in equatoriale baan, een om de aarde, een om de maan. De lengte en rotatiesnelheid zijn precies aangepast aan de situatie. Een kleine raket lanceert de lading voor de maan in een goedkope, lage baan om de aarde. Een achteruitdraaiend touw in permanente, elliptische baan komt met hoge snelheid bovenlangs, maar door de achterwaartse beweging van de onderkant van het touw passeert deze met zeer lage snelheid de lading en grijpt hem vast. De lading draait mee met het touw en wordt bovenaan, wanneer in voorwaartse beweging, met hoge snelheid naar de maan geslingerd. Daar wacht een volgend touw de lading op. Dankzij de lage snelheid van het touw in zijn baan om de maan en door het gebrek aan atmosfeer, kan dit touw de lading op het oppervlak van de maan afzetten. De landing met behulp van raketten wordt uitgespaard. En dat is normaal gesproken nu juist een van de kostbaarste onderdelen van de maanreis. Een soortgelijk systeem, MERITT, is bedacht voor de reis naar Mars. De ruimtelift zelf belooft 1000 tot 10 000 maal goedkopere reizen naar de populaire geostationaire hoogte. Stijgen langs de lift kost veel energie, maar dit kan worden terugverdiend met generatoren op de weg terug. Stappen we niet al te hoog van de toren af (op ongeveer 25,000 km, net hoog genoeg om niet neer te storten op aarde), dan komen we in een elliptische baan met hoge snelheid dicht langs de aarde. Een extreem uitstapje voor de toeristen


zou dan zijn om met een soort snowboard onder de voeten, na een vrije val van enkele uren door de ruimte de bovenste lagen van de atmosfeer met 10 km/s te berijden, om dan met wat stuurraketjes uiteindelijk weer netjes op de toren uit te komen. Laten we de lift hoger gaan dan geostationaire hoogte, dan wordt de centrifugaalkracht snel veel groter dan de zwaar-

tekracht, zodat met gemak capsules zonder stuwstof naar andere planeten geslingerd kunnen worden, terwijl het eventuele overschot aan energie door turbines in nuttige energie kan worden omgezet. De aarde draait dan natuurlijk wel een ietsepietsie langzamer. Een extra dimensie aan het gebruik van kabels in de ruimte wordt bereikt als we

Space Elevator. [NASA]

35

de kabel gebruiken om er stroom doorheen te sturen. In het magneetveld van de aarde wordt dan een Lorentzkracht opgewekt, die als een soort mechanisme-loze elektromotor de kabel met satelliet en al naar een andere baan kan slepen. Zonder gebruik van stuwstof natuurlijk. Tethers Unlimited’s concept MXER gebruikt deze elektrodynamische voortstuwing om een ronddraaiende tether ongestraft in de bovenste lagen van de aardatmosfeer te parkeren. De luchtweerstandverliezen worden door de Lorentzkracht opgeheven. De MXER is in staat ladingen van sondeerraketten uit de atmosfeer te grijpen en in een veilige cirkelbaan te brengen. Dat brengt de lanceerkosten nog aanzienlijk verder naar beneden dan zelfs de Cislunar en MERITT systemen. Dit soort touwen zijn honderden kilometers lang en dat feit brengt de nodige problemen en gevaren met zich mee. Meteorieten of ongelukken kunnen een touw per ongeluk doorsnijden, zodat het in een ongeplande baan terechtkomt. In 1994 gebeurde dit waarschijnlijk met het 20 km lange touw SEDS-2, dat vanaf een uitgebrande Delta-trap met succes was uitgewikkeld. De onderste 13 km kabel viel plots naar de aarde en verbrandde in de atmosfeer, terwijl de overige 7 km als een reusachtig Jedi light-saber door de ruimte bleef trekken en door vele mensen vanaf de grond werd aangezien voor een UFO. Een bekende mislukking is de elektrodynamische demonstratiesatelliet TSS1R, die in 1996 tot 19.5 km werd afgewikkeld vanuit een spaceshuttle. Door gebrekkige isolatie en hoge stroom in het touw brandde dit door en was de satelliet verloren. De Nederlandse studentensatelliet YES, gelanceerd in 1997 met 35 km touw aan boord, was daarom beschermd tegen meteorietof afvalinslag en gebruikte een speciale dubbele kabel. Er was echter nog altijd de angst dat het grote object met andere satellieten zou botsen.

36

Het touw werd daarom uiteindelijk niet afgewikkeld. Om een zelfde reden is recentelijk de lancering van de al gebouwde ProSEDS afgelast.

lijk te verslaan en deze zou er eens kunnen komen, mits er animo komt voor een echte Ruimte Revolutie.

Er zijn echter wel degelijk al successen met touw in de ruimte geweest. Het betreft dan vaak de simpelere systemen zoals de 20 km lange SEDS-1 in 1993. De 4 km kabel TiPS van NRL (VS) vliegt al negen jaren rond zonder schade en bewijst dat de kans op meteorietinslag feitelijk zeer klein is. Elektrodynamische successen zijn er ook, bijvoorbeeld de PMG (1993, VS, 500 m) en de sondeerraket experimenten Oedipus (1989, 1995, Canada, 1 km) en de Japanse Charge.

Via de realiteit naar de toekomst

Er zijn zelfs voorstellen om touwen te gebruiken om de ruimte veiliger te maken.

Dit jaar ontving het Mailman concept de innovatieprijs op de lucht- en ruimtevaart show Le Bourget in Parijs. Dit concept is een rondreizend voertuig dat oude uitgebrande trappen opzoekt en naar een veilige baan slingert en zo helpt de ruimte schoon te maken. Al langer bekend is de Terminator Tether, een simpel elektrodynamisch autonoom pakketje dat met constellatiesatellieten wordt meegelanceerd. Na uitval van een satelliet wikkelt de tether zichzelf af en doet het verse ruimteafval met behulp van de Lorentzkracht binnen enkele weken verbranden in de atmosfeer. En zo is er nog Tethers Unlimited’s Hi-Volt, een nieuw concept dat de straling in de Van Allen gordel zou kunnen opheffen. Hoe waarschijnlijk is het dat de meer futuristische van deze concepten daadwerkelijk gebouwd gaan worden? Het is moeilijk in te schatten of complexe ideeën als MXER en Cislunar door de realiteit en alternatieve innovaties zullen worden ingehaald nog voordat ze zelf werkelijkheid worden. De prestaties van de ruimtelift zijn echter moei-

In het boek Fountains of Paradise van Arthur C. Clarke (1979) wordt dieper ingegaan op de bouw van de ruimtelift, ditmaal op aarde. Het idee voor deze lift is overigens veel ouder (o.a. 1895, leraar en ruimtevaartpionier Konstantin E. Tsjolkovsky). De lift brengt je in enkele uren van een berg op een imaginair eiland op de aardse evenaar tot voorbij geostationaire hoogte. De kabel is zeer sterk en licht en gemaakt van een speciaal soort superdiamant. De eerste verbinding die gelegd wordt tussen een asteroïde en de aarde is zo dun dat deze met gemak ongezien door het vlees en bot van je hand zou glijden. Zulk supermateriaal bestaat nu al in de vorm van carbon nanotubes. Het is per kg 300 maal sterker dan staal en meerdere malen sterker dan is benodigd om het eigen gewicht te dragen over de reusachtige afstand. Dit is overigens een praktische schatting, de theoretische waarde ligt nog hoger.

Gebruik van een tether vindt vele toepassingen. [Delta-Utec SRC]


Helaas is de maximale geproduceerde lengte tot nog toe slechts ongeveer een meter en zijn de kosten excessief, maar de ontwikkelingen gaan zeer snel. Er zijn veel problemen die de lift met zich meebrengt: dodelijk stralingsniveau, materiaaldegradatie en onderhoud, corioliskrachten op het touw bij hoge transportsnelheden, atmosferische stoorkrachten, energietoevoer, vermijden van satellietinslag, enz. Veel van deze problemen worden nu aangepakt door Bradley Edwards in de VS. Hij heeft geen astroide nodig, maar gebruikt de eerste kabel om bouwmateriaal omhoog te takelen. Daarvoor is het wel noodzakelijk dat de carbon nanotube technologie qua sterkte marge aan de verwachting zal voldoen. Stroomvoorziening gaat via lasers vanaf de grond. De kabel zelf is slechts een meter breed en zo dun als papier. Edwards heeft bereikt dat NASA officieel heeft verklaard te mikken op het jaar 2100 voor de opening van de ruimtelift. De werkelijke weg van theorie naar praktijk kan echter alleen maar via stapsgewijze vooruitgang. Vanwege de beperkte beschikbare budgetten moeten deze stappen klein zijn en op zichzelf een nuttige toepassing hebben. Een eerste echte toepassing van ruimtetouw wordt nu ontworpen en getest in Nederland. Het is het ruimtepost experiment YES2 en wordt gebouwd door Europese studenten en jonge ingenieurs. YES2 is een Dyneema (DSM/Chemelot) touw van 30 km dat in 2007 een kleine capsule uit de ruimte nauwkeurig zal terugslingeren naar de aarde. Op dit moment is het Nederlandse Dyneema touw het sterkste en lichtste bruikbare materiaal voor ruimtetouwen en is zes keer sterker dan staal. Een Dyneema touw van dezelfde maat als gepland voor de ruimtelift is door Delta-Utec voorgesteld voor het opwekken van kunstmatige zwaartekracht voor bemande modules in een baan om de aarde of op weg naar Mars (MARS-g project). Zo’n systeem is al


Space Elevator. [NASA/Rawling]

in 1966 voorzichtig gedemonstreerd (Gemini XI en XII) en is veel goedkoper en comfortabeler dan de reusachtige ronddraaiende wielen uit bijvoorbeeld Arthur C. Clarke’s 2001. De eerste touwen in de hoge lagen van de atmosfeer (120-200 km) kunnen worden gebruikt voor wetenschappelijke doeleinden. Veel kleine sensorpakketjes kunnen verspreid over het touw unieke meetprofielen leveren van deze onbekende regionen om onze aarde. Op elektrodynamisch gebied maakt de al genoemde Terminator Tether een kans om te worden gerealiseerd. Verder heeft Tether Applications uit San Diego, verantwoordelijk voor de SEDS missies, in 2000 een speciale 5 km lange aluminium kabel gebouwd die bedoeld was om de luchtweerstandverliezen van het MIR-station op te heffen (METS). Ditzelfde systeem zou jaarlijks tientallen miljoenen euro’s aan stuwstofvluchten naar het

International Space Station (ISS) kunnen uitsparen. Behalve YES2 is er nog een Amerikaanse studentengroep uit Tennessee die recentelijk het MXER lading-grijpsysteem heeft gedemonstreerd. Ook studenten aan de TUDelft hebben aan de ruimtelift gerekend. Door de lage budgetten en de huidige voorzichtigheid betreffende het ISS, is de ontwikkeling van werkelijke tether experimenten voorlopig nog slechts weggelegd voor dit soort studentenprojecten. Met dank aan Bas Lansdorp, TUDelft ([email protected]) en Erik van der Heide (Delta-Utec).

37

Onbemande Exploratie van de Ruimte Harry Blom

Het voorspellen van de verre toekomst van de onbemande ruimte-exploratie is ontzettend moeilijk, want elke nieuwe missie vindt dingen die niemand had verwacht. Nieuwe ruimtesondes en instrumenten worden vervolgens ontworpen om die nieuw ontdekte zaken verder te bestuderen. Je kunt natuurlijk niet plannen voor wat je niet verwacht, dus met voorspellingen over wat er rond 2050 gaat gebeuren, zouden we ons op zeer glad ijs begeven.

Inleiding Over de wat minder verre toekomst is wel iets te zeggen. Al eerder bezochte planeten en manen zullen opnieuw onderzocht worden door steeds geavanceerdere instrumenten en sondes. Ook de zon zal voorlopig zeker in de belangstelling blijven staan, vooral vanwege haar grote invloed op het leven hier op aarde. Het is verder duidelijk dat Mars de komende decennia geregeld onbemande sondes en landers zal ontvangen, ook ter voorbereiding op mogelijke bemande missies. Daarnaast zal de zoektocht naar leven zich uitstrekken naar de Jupitermaan Europa, waarvan we nu denken dat het een enorme oceaan van vloeibaar water onder het barre ijsoppervlak verbergt.

rijmdheden in de kosmologie, waarop alleen nieuwe ruimtetelescopen de nodige antwoorden kunnen geven. Het is waarschijnlijk dat het aantal missies op het gebied van de fundamentele natuurkunde, zoals de recent gelanceerde Gravity Probe B en de toekomstige LISA missie, zal toenemen. Ze zullen onze theorieën over ruimte, zwaartekracht en tijd gaan testen en het is te verwachten dat de nodige verbeteringen daaraan nodig zullen blijken. Een volledig overzicht van alle mogelijke missies en ontdekkingen, zelfs indien beperkt tot de komende twintig jaren, zou een heel boek vergen. Dit artikel beschrijft daarom een aantal mogelijkheden voor de niet al te

verre toekomst, verteld vanuit de toekomst. Ze zijn gebaseerd op werkelijk geplande missies en wat de wetenschappers daarmee hopen te ontdekken.

Bepi Colombo vindt waterijs op Mercurius De Bepi Colombo missie was een van ESA’s Cornerstone Missions en werd in samenwerking met Japan ontwikkeld. Oorspronkelijk zou de missie gelanceerd worden in 2011, maar de ontdekking van lichtgewicht keramische materialen, die de sonde veel beter tegen de hitte van de zon kunnen beschermen, betekende een uitstel van een paar jaar. De naam van de

In de iets verdere toekomst zullen we missies naar de grenzen van het zonnestelsel sturen, om te ontdekken waar de invloed van de zon ophoudt, en wat voor werelden daar te vinden zijn. De recente ontdekkingen met aardse telescopen van relatief grote asteroïden daar, waarvan een waarschijnlijk zelfs groter dan Pluto, wachten op verkenning ter plaatse. Daarnaast is er de komende tijd weer veel spectaculairs te verwachten van de ruimteastronomie. Onze steeds scherper ziende instrumenten zullen op zoek gaan naar aardse planeten bij andere sterren, en zijn zelfs in staat om de atmosferen van die werelden te analyseren. Verder zijn er momenteel nog vele onduidelijkheden en onge-

38

Bepi Colombo. [ESA]


sonde is afkomstig van Bepi Colombo (1920 – 1984), een Italiaanse astronoom die veel onderzoek heeft gedaan aan Mercurius. De twee modules van deze missie bestuderen Mercurius van nabij. Een module is speciaal gebouwd om de magnetosfeer van Mercurius in kaart te brengen. De andere module wordt gebruikt om de planeet in kaart te brengen in diverse golflengten. De kaarten maken het mogelijk om de gesteente-elementen en mineralogische samenstelling van de planeet te bepalen en overzichtelijk te maken. Bovendien kan afgeleid worden of het binnenste van de planeet bestaat uit gesmolten materiaal of niet. Met deze sonde is nu waterijs in de schaduwdelen van kraters gevonden. Een analyse van opnamen van kraters dicht bij de noordpool van Mercurius toont duidelijk het spectrum van water. Dit is een mooie bevestiging van de radarreflectie spectra die al in 1991 en 1994 met de Goldstone antenne vanuit Californië zijn gemaakt. De reflecties toonden toen al totaal onverwacht het bestaan van waterijs op Mercurius aan. Tot nu toe was Mercurius relatief slecht bestudeerd, zodat er veel vragen zijn over de herkomst en eigenschappen van de magnetosfeer, de geologische samenstelling en de geschiedenis van deze planeet. Ook de reden van de hoge dichtheid van Mercurius is nog niet gevonden. De Mariner 10 satelliet vloog in 1974 en 1975 drie keer langs de planeet en bracht daarbij 45% van het oppervlak in kaart. Verder was er nooit een satelliet dichtbij gekomen. Kennis over de vormingsgeschiedenis van Mercurius levert belangrijke aanwijzingen over de vorming van de andere aardse planeten in ons zonnestelsel. Er zijn al flink wat aardse planeten gevonden bij andere sterren (met Darwin), maar daarover weten we nog steeds heel veel minder dan van Venus, aarde en Mars. Mercurius moet ons aan verdere informatie helpen.


Darwin vindt 50ste aardse planeet De Darwin missie bestaat uit acht sondes, wat het tot een groot en duur project heeft gemaakt. De lancering vond al jaren geleden plaats in 2014, geheel volgens planning. NASA, Japan en Rusland hebben ook bijgedragen, waardoor de kosten per land beperkt bleven en er nu internationaal samengewerkt wordt aan de grote stroom nieuwe ontdekkingen. De naam van dit project is afkomstig van de beroemde natuuronderzoeker Charles Darwin (1809 - 1882) die ook op zoek was naar de oorsprong van leven. Het doel van de Darwin missie is om aardse planeten te vinden die in een baan rond een van de 1000 nabije sterren draaien. Aardse planeten zijn relatief klein en hebben een vast oppervlak, net als de aarde dus. Na de eerste ontdekking in 2015 van een aardse planeet gaat het nu hard. Recentelijk is alweer de 50ste aardse planeet gedetecteerd. Er wordt hoofdzakelijk in het nabije infrarood waargenomen omdat op die golflengte de sterren net iets minder het licht van de planeten overstralen dan in zichtbaar licht. Nog steeds zijn de sterren dan gemiddeld een miljoen maal helderder, dus het vinden van aardse planeten blijft een uitdaging.

Er is nog een goede reden om in het infrarood waar te nemen – zoeken naar leven. Het leven dat we op aarde kennen laat z’n sporen achter in de atmosfeer met gassen als zuurstof, kooldioxide en methaan. Deze gassen absorberen infrarood licht op diverse golflengten. Absorptielijnen in het infrarode spectrum van een planeetatmosfeer tonen de aan- of afwezigheid van deze gassen aan. Darwin probeert nu met spectrometers het toch al geringe licht van de planeetjes uiteen te rafelen om aanwijzingen voor biologische gassen te vinden. Zes van de acht sondes zijn een telescoop, de zevende combineert de signalen van de andere zes alsof er een zeer grote telescoop gebruikt is (interferometrie) en de achtste fungeert als communicatie satelliet. Deze laatste zogenaamde master satelliet zorgt niet alleen voor communicatie met de aarde, maar houdt ook de configuratie van de andere zeven satellieten in de gaten.

Gaia bibliotheek september 2020 online Met de ruimtesonde Gaia is een aantal jaren geleden ongeveer één triljoen hemellichamen nauwkeurig gemeten – voor wat betreft positie, helderheid en beweging aan de hemel. Ieder

Gaia. [ESA]

39

object is gedurende vijf jaren ongeveer honderd maal gemeten. Hieruit is een schat aan gegevens voortgekomen en het heeft enige jaren geduurd om dit allemaal in een toegankelijke catalogus op te slaan. Onlangs is alles op de ESA website gezet en nu kan iedereen, wetenschappers en leken, de database raadplegen voor eigen doeleinden. Wat heeft men dan allemaal gevonden met Gaia? Ten eerste natuurlijk een ongelooflijke hoeveelheid gewone sterren, waarvan er maar liefst 50 000 in de supernova fase zijn en dus aan het exploderen zijn. Men kan nu een driedimensionaal beeld opbouwen van een grote hap uit onze melkweg (rond onze zon) en uit de bewegingen afleiden hoe dit erover miljoenen jaren uit gaat zien, maar ook terugrekenen in de tijd. Het wordt dus duidelijker hoe de evolutie van ons melkwegstelsel verloopt, van oorsprong naar (nieuwe) structuur. Ten tweede een grote populatie van niet eerder waargenomen bruine dwergen. Dit zijn gasvormige reuzenplaneten die net te weinig massa hebben om onder de eigen zwaartekracht samen te trekken om als ster te gaan stralen. Er kan geen kernfusie starten – er is te weinig druk in de kern. Ten derde zijn er ongeveer 35 000 nieuwe planetoïden gevonden.

Van veel van die planetoïden is ook meteen de baan berekend. Sommige zijn aardscheerders en komen dicht in de buurt van de aardbaan of kruisen deze. Het is prettig om van deze potentieel desastreuze objecten nu een uitgebreide catalogus te hebben. Gelukkig blijkt geen enkele op ramkoers met de aarde te liggen binnen de komende een miljoen jaren. Verder is er ook de bevestiging en uitwerking van baangegevens voor vrijwel alle Darwin-planeten, plus aanwijzingen voor tienduizenden andere, zwaardere exoplaneten en zelfs exoplanetenstelsels. Interessant is dat er hemellichamen zijn waargenomen waarvan men totaal nog niet weet wat ze zijn. Gezien de omvang van de catalogus misschien niet raar, want ook een slordige tien miljoen objecten behoren tot de categorie sterrenstelsels en quasars. De identificatie moet rekening houden met een heel scala aan bekende hemellichamen. Het zal nog jaren duren eer bekend is wat er precies is gemeten. De Gaia missie bestond uit een drietal telescopen waarmee de locatie van een object heel nauwkeurig kon worden bepaald (vergelijkbaar met de diameter van een mensenhaar op 1000 XEUS. [ESA]

kilometer!). Twee telescopen maten voornamelijk de plaats, met de derde telescoop werd steeds een spectrum gemeten. Dit is voor bijna ieder object over zeven jaren gedaan (twee jaren langer dan de geplande levensduur). Nu kunnen we de bewegingen (in drie dimensies) aan de hemel precies bepalen. Daarna weet je dus ongeveer ook waar de objecten vandaan kwamen en ontstaat een goed beeld van de geschiedenis en toekomst van onze melkweg.

XEUS ziet zwarte gaten draaien De eerste twee delen van de JapansEuropese Röntgentelescoop XEUS werden in 2015 gelanceerd. Het ging toen om een spiegel met een oppervlakte van 10 m2 en een aparte detector die op 50 meter van de spiegel nauwkeurig de signalen meet die de spiegel in deze richting van de ruimte kaatst. XEUS staat voor X-ray Evolving Universe Spectrometer. Na de lanceringen van de 60 m2 spiegeluitbreiding en detector in de zomer van 2021, volgde een fase waarin het nieuwe deel werd samengevoegd met het deel dat in 2015 werd gelanceerd. De telescoop is nu zo gevoelig geworden dat het de directe omgeving van zwarte gaten in de centrale delen van verre melkwegstelsels goed kan waarnemen. Hierdoor kunnen de massa en zelfs de rotatiesnelheid van deze zwarte gaten gemeten worden. Maar hoe kan men met een Röntgentelescoop zien hoe snel het zwarte gat draait? De zwaartekracht in de buurt van een zwart gat is zeer groot en het gat is daardoor in staat om materie (bijvoorbeeld van uit elkaar getrokken sterren) met grote snelheid naar zich toe te trekken. In dit proces wordt het gas verhit tot tientallen miljoenen graden, waardoor het ook Röntgenstraling gaat uitzenden. In dit inferno zenden met name de atomen van ijzer Röntgenstraling uit op een karakteristieke

40


ook de Röntgengloed opgelost. In de kernen van deze melkwegstelsels is de aanwezigheid van individuele zeer zware zwarte gaten aangetoond, inclusief de roodverschoven ijzerlijnen. De astronomen hebben nu eindelijk een grote verzameling van nauwkeurige metingen aan zware zwarte gaten. De massa’s en rotatiesnelheden bij elkaar geven een interessant beeld – het lijkt erop dat men nu meer begrijpt over de vorming van de allereerste sterren en sterrenstelsels in het jonge heelal.

Slot

Het verschil tussen een niet draaiend (links) en draaiend zwart gat kan zichtbaar worden gemaakt met spectrogrammen van ijzer. [NASA/CXC/SAO/J.Miller et al.]

golflengte (lijnstraling). Maar de grote zwaartekracht van het zwarte gat zorgt ervoor dat deze straling met minder energie wegkomt in de bewegingsrichting van de waarnemer. Dit veroorzaakt dan een zogenaamde gravitationele roodverschuiving. Het wordt nog exotischer. Een draaiend zwart gat trekt de ruimte met zich mee, waardoor de ijzeratomen wat dichter bij het zwarte gat kunnen komen dan bij een stilstaand zwart gat. De straling van deze atomen komt nog moeilijker weg en zal daar-

door bij nog lagere golflengte naar de waarnemer komen. Hoe sneller het zwarte gat draait, hoe meer de waargenomen ijzerlijnen uiteen getrokken worden naar lagere energieën. XEUS heeft nu overtuigend aangetoond dat de Röntgengloed, die over de hele hemel kan worden gezien, grotendeels afkomstig is van de kernen van miljoenen melkwegstelsels. Zoals de witte gloed van de melkweg uit miljoenen sterren bestaat, is nu

Of de hierboven beschreven gebeurtenissen werkelijkheid gaan worden is niet te zeggen. Sommige zaken die men nu verwacht te vinden, zullen illusies blijken en theorieën zullen daarvoor moeten worden aangepast. Er zullen ook geheel onvoorziene fenomenen ontdekt worden, die ons ook weer nieuwe wetenschappelijke inzichten zullen geven. De verkenning van het zonnestelsel en het heelal zal nooit voltooid zijn, maar onze kennis groeit wel gestaag, zowel door wat we vinden als door wat we juist niet vinden. Dat de exploratie van de ruimte de komende vijftig jaren allerlei fascinerende en onverwachte ontdekkingen in petto heeft, is echter wel zeker.

Barred Spiral Galaxy NGC1300. [Hubble Heritage]


41

Een toekomst voor astrobiologie? Stefan Schröder Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Voorspellen is een heikele bezigheid. Wie had dertig jaren geleden kunnen voorspellen dat we gletsjers op Mars, methaanrivieren op Titan en sterke aanwijzingen voor een maanomvattende oceaan op Europa zouden ontdekken? Het is een lastige opgave om in te schatten hoe het vakgebied van de astrobiologie zich gaat ontwikkelen. Laten we het eerst eens definiëren. Een goed startpunt lijkt een website van de NASA, volgens welke astrobiologie (voorheen exobiologie geheten) zich bezighoudt met drie fundamentele vragen: 1. Hoe ontstaat en evolueert leven? 2. Komt leven voor op andere plaatsen in het heelal? 3. Wat brengt de toekomst voor het leven op aarde en elders? (mijn cursief) Er mankeert toch wel het een en ander aan deze vraagstelling. Zo reken ik vraag 1 tot het domein van de gewone biologie en kun je pas beginnen te denken aan het cursieve deel van vraag 3 als vraag 2 beantwoord is. In de praktijk blijkt dat veel astrobiologen zich (noodgedwongen) bezighouden met onderzoek naar aards leven onder extreme condities of met astrochemie (het onderzoek naar het wel en wee van buitenaardse organische moleculen). Vraag 2 is mijns inziens de centrale vraag in de astrobiologie: “Bestaat er leven buiten de aarde?” In dit artikel zal ik een educated guess maken hoe wetenschappers hierop een antwoord gaan proberen te vinden. Om dit artikel niet te laten ontsporen in zuiver koffiedikkijken, beperk ik mij tot de nabije toekomst, pakweg de komende drie decennia. Hierbij laat ik de zoektocht naar buitenaardse intelligenties (SETI) buiten beschouwing, omdat deze zich buiten de mainstream astrobiologie bevindt. Eerst een essentiële, maar verbazingwekkend lastig te beantwoorden vraag:

42

“Wat is leven?” “It’s life, Jim, but not as we know it...” Hoe zouden we het herkennen als het niet op ons lijkt? Er bestaat geen alomvattende definitie van leven, al is het alleen maar omdat we er slechts één soort van kennen: het aardse. Maar zelfs definities van onze eigen vorm van leven lijden onder problematische grensgevallen waarvan het virus het meest bekende is. Een virus is in essentie een eiwitverpakking rondom een stukje erfelijk materiaal en is volkomen inert. Een recent ontdekte uitzondering is een virus dat twee staartjes kan laten groeien. We zijn er niet uit, leeft het of niet? Eén ding is zeker, zonder ons geen virussen. Het is daarom beter om te spreken over de biosfeer, waar zowel wij als onze virussen deel van uit maken. Onze biosfeer is gebaseerd op vloeibaar water en verbindingen met het element koolstof en algemeen wordt aangenomen dat dit universele eigenschappen zijn. Toch is leven voorstelbaar dat gebaseerd is op het element silicium, of de combinatie boor-stikstof, omdat deze in chemisch opzicht lijken op koolstof. En hoewel de NASA in zijn zoektocht naar leven de weg van het water volgt, lijkt ook deze voorwaarde niet heilig. Zo is een stof als ammonia (NH3) een beter oplosmiddel voor organische verbindingen en ook in staat om waterstofbruggen te vormen. Het zou best kunnen dat aards leven zich heeft aangepast aan water en niet andersom zoals aanhangers van het sterk antropisch principe beweren. De ontwikkeling van onze biosfeer is nauw verweven met die van de aarde

zelf. Het duidelijkste voorbeeld daarvan is de samenstelling van de atmosfeer. Deze bestaat, afgezien van het relatief inerte stikstof (N2), voor een groot deel uit het uiterst reactieve zuurstof (O2). Als zuurstof niet voortdurend werd aangevuld dan zou het snel uit de atmosfeer verdwijnen door reacties aan te gaan met het aardoppervlak en de oceanen. Bovendien bevat de aardatmosfeer een significante concentratie methaangas (CH4) dat zuurstof niet verdraagt. Beide stoffen hebben een voornamelijk biologische oorsprong. Men vermoedt dat in den beginne de aardatmosfeer een mengsel was van stikstof, kooldioxide (CO2), en een geringe hoeveelheid waterstof (H2), waardoor zich complexe organische verbindingen konden vormen. Vervolgens is hieruit vrij snel (binnen 800 miljoen jaar) leven ontstaan. Eerst floreerden methaanproducerende archaebacteriën, om een miljard jaar later afgelost te worden door zuurstofproducerende cyanobacteriën. De aanwezigheid van grote hoeveelheden van het biologische afvalproduct zuurstof in de atmosfeer stimuleerde de ontwikkeling van meer complexe (multicellulaire) vormen van leven. Leven laat sporen achter op zijn planeet. Zonder leven hadden wij een stikstof/kooldioxide atmosfeer, even futloos als die van Mars en Venus. Hoe tonen we het bestaan van een buitenaardse biosfeer aan? De technieken die we toepassen in onze zoektocht hangen af van waar we zoeken. Wat dat betreft zijn er twee duidelijk afgebakende locaties: binnen ons zonnestelsel en daarbuiten (exoplaneten).


Het voordeel van de eerste is dat we er naar toe kunnen gaan. We bevinden ons nu in de gelukkige omstandigheid dat elke interessante plek binnen ons zonnestelsel van redelijk nabij is bekeken (uitgezonderd Pluto en andere Kuiper belt objecten, maar daar komt binnenkort verandering in dankzij de New Horizons missie). Voor astrobiologisch onderzoek is de aanwezigheid van mensen ter plaatse natuurlijk boven alles te prefereren. Als dat te lastig blijkt, willen we het liefst materiaal voor onderzoek naar de aarde halen door middel van een sample return missie. Om te kunnen voorspellen hoe planeetonderzoek zich in de komende jaren zal ontwikkelen, is het verstandig om naar het verleden te kijken. We zien dat instrumenten aan boord van planeetsondes revolutionair zijn verbeterd. Ze zijn gevoeliger, kleiner en goedkoper dan ooit. Vergelijk de Mars Express camera met die van de Mariner 9, de Cassini met de Pioneer 11. Daartegenover staat dat de techniek om er te komen niet fundamenteel is veranderd. Een lancering met een conventionele raket en vervolgens een langdurige reis. De recente ontwikke-

Een sample return missie heeft een meegebrachte lanceerinstallatie nodig om weer van de gastplaneet te kunnen vertrekken. [ESA]


ling van de ionenmotor maakt missies flexibeler, maar heeft de reistijd niet verkort. Met de natuurwetten valt niet te spotten en dat is ook de reden dat ik bijvoorbeeld een reis van mensen naar Mars niet binnen afzienbare tijd (zeg 40 jaren) zie gebeuren. Het is te ingewikkeld en welhaast onbetaalbaar. Hoewel de visie van president Bush goed lijkt te vallen bij de NASA, heeft hij de organisatie nauwelijks meer geld in het vooruitzicht gesteld. Bovendien is zo’n reis, die in totaal minimaal een jaar zou duren, gevaarlijk vanwege de hoge dosis straling die een astronaut voor de kiezen krijgt. In tegenstelling tot de Low Earth Orbit, waar het International Space Station zich in bevindt, word je in de interplanetaire ruimte niet beschermd door het aardmagnetisch veld. Hoewel er best mensen te vinden zijn die een enkeltje zouden accepteren, lijkt dat gezien de publieke opinie geen realistische optie. Sample return missies hebben ook last van de natuurwetten. Het is niet voldoende om een sonde naar een interessante planeet te sturen, je moet ook een raket meesturen om hem weer terug te laten komen. Niet voor niets wordt er al tientallen jaren gestudeerd op sample return missies naar Mars, maar zijn er nog weinig concrete plannen. Het autonoom lanceren van een grondmonster vanaf Mars, de rendezvous met een raketmotor voor de reis terug naar aarde, en de afdaling in de aardatmosfeer is een technisch zeer complexe onderneming en daardoor natuurlijk zeer duur. Laten we de populairste plaatsen in ons zonnestelsel voor de zoektocht naar leven eens onder de loep nemen. Het zijn de manen Europa (van Jupiter) en Titan (van Saturnus) en de planeet Mars. De atmosfeer van Mars is vrijwel in chemisch evenwicht (alleen de UVstraling van de zon gooit voortdurend roet in het eten), een sterke aanwijzing dat de planeet steriel is. De recente ontdekking van atmosferisch methaan (nog steeds controversieel) laat zich eenvoudiger verklaren door een inci-

dentele inslag van een meteoriet (zoals de Allende meteoriet die naar verluid stonk door het vrijkomen van vluchtige organische verbindingen) of door geringe vulkanische activiteit, dan door leven. Of zoals Carl Sagan zei: “Extraordinary claims require extraordinary evidence”. We vermoeden dat het leven op aarde op het oppervlak is ontstaan in aanwezigheid van veel vloeibaar water. Maar Mars is een woestijnplaneet met een sterk corrosief oppervlak. Toch vinden we overal op Mars sporen van vloeibaar water zoals oude rivierdalen, erosie door catastrofale ontwatering (bv. Kasei Vallis) en gullies. Recentelijk nog heeft de Opportunity rover bewijzen gevonden voor een (zoute en zure) binnenzee. Het beeld dat oprijst uit de resultaten van de succesvolle missies van de laaste jaren is dat Mars lang geleden beschikte over vloeibaar water, een dichte atmosfeer, een actieve dynamo (en dus een magnetisch veld) en wellicht plaattektoniek. Door zijn geringe grootte koelde de planeet snel af en stokte de dynamo. Na afloop van het Noachian-tijdperk (3,7 miljard jaar geleden) ging daardoor (of door een inslag) de atmosfeer verloren en bevroor het water. Sindsdien komt vloeibaar water slechts sporadisch op het oppervlak voor, meestal in samenhang met geothermische activiteit. Leven heeft tijd nodig om te ontstaan. Waarschijnlijk bestond het al op aarde rond 3,8 miljard jaar geleden. In dat opzicht is het jammer dat het vloeibare water al zo snel van Mars verdween. Mochten Martiaanse microben niettemin toch zijn ontstaan, dan hebben ze zich teruggetrokken onder het oppervlak – tenslotte strekt de aardse biosfeer zich ook tot kilometers onder de grond uit. De meest logische optie om het te vinden lijkt dus boren te zijn (meters diep) op plaatsen waar ooit langdurig vloeibaar water was. Het liefst zou je het monster terugbrengen naar de aarde. Hoe ingewikkeld en kostbaar een sample return missie ook is, het lijkt toch redelijk om te veronderstellen dat

43

deze binnen enkele decennia wordt gerealiseerd. Lokale analyse door een robot is vooralsnog praktischer. Dit zal zich concentreren op het detecteren van organische verbindingen, biologische activiteit, vloeibaar water, en het maken van microscopische opnamen. De benodigde instrumenten bestaan, het is de kunst om ze te miniaturiseren en ze zo robuust te maken dat ze een reis naar Mars kunnen doorstaan. Om Martiaanse bacteriën te kunnen zien, heb je een microscoop nodig die vele ordes van grootte meer vergroot dan die aan boord van de Opportunity. De Jupitermaan Europa is een ander verhaal. Leven zou zich hier kunnen bevinden in de maanomspannende oceaan die zich onder het ijsoppervlak lijkt te bevinden. Een missie naar Europa om deze te onderzoeken is lastig uitvoerbaar. De maan wordt voortdurend gebombardeerd door grote hoeveelheden ionen die zijn opgezweept door het magneetveld van Jupiter. Het hoge stralingsniveau beperkt de levensduur van een orbiter of lander tot hooguit een paar maanden. We zouden natuurlijk het liefst een duikboot in de oceaan laten zakken, maar er zijn aanwijzingen dat de ijslaag meer dan tien kilometer dik is, wat boren of zich een weg smelten door het ijs praktisch onmogelijk maakt. Echter, de Galileo missie heeft op het oppervlak ijsschotsen gefotografeerd die getransleerd en geroteerd in een matrix van chaotisch materiaal zijn vastgevroren. Dit is een duidelijke aanwijzing dat in het verleden vloeibaar water of warm ijs zich naar buiten heeft gewerkt. Bovendien zijn delen van het ijsoppervlak vervuild met nog ongeïdentificeerd materiaal, vermoedelijk zouten afkomstig uit het binnenste van de maan. Het ligt voor de hand dat als er zich leven in de oceaan bevindt, het ook aan het oppervlak te vinden is, zij het in bevroren toestand. Om dit te onderzoeken zou een sample return missie natuurlijk het mooist zijn. Maar Europa is een zeer moeilijk doelwit en men zal de technologie eerst met een missie naar Mars willen testen.

44

Terrestrial Planet Finder. [NASA]

Een realistischer optie is een lander die het materiaal aan het oppervlak lokaal onderzoekt met behulp van een boor en microscoop. Een noodzakelijke eerste stap is een orbiter die het oppervlak gedetailleerd in kaart brengt om een landingsplaats te kunnen selecteren. Zo’n missie zal ook met een radar proberen te bewijzen dat de oceaan echt bestaat. Nu het megalomane plan voor de Jupiter Icy Moon Orbiter (JIMO) met zijn nucleaire reactor is geschrapt, lijkt de NASA weer wat te voelen voor een gespecialiseerde Europa missie. Iets in de stijl van de Europa Orbiter van het JPL die een aantal jaren geleden sneuvelde. Omdat ook de ESA studeert op een missie naar Europa en het gezamenlijke Cassini-Huygens project succesvol is gebleken, beginnen beide organisaties voorzichtig te denken aan een nieuwe samenwerking.

brokstukken reageren tot Carl Sagan’s befaamde tholins en op het oppervlak neerslaan. Dit proces voltrekt zich in een dusdanig hoog tempo dat al het methaan binnen enkele miljoenen jaren verdwenen zou moeten zijn uit de atmosfeer. Iets moet het dus aanvullen en, aangezien methaan in de aardatmosfeer voornamelijk van biologische oorsprong is, hadden we stilletjes gehoopt dat dit leven zou zijn. Helaas, niet alleen fotografeerde Huygens tijdens zijn afdaling geen wuivende methaanpalmen, maar heeft het ook via een analyse van koolstofisotopen (12C/13C) aangetoond dat het methaan op Titan waarschijnlijk niet van biologische oorsprong is. Dat het van onder het ijsoppervlak komt ligt voor de hand en men vermoedt dat daar zich net als op Europa een oceaan bevindt.

De Saturnusmaan Titan is in ons zonnestelsel een buitenbeentje (samen met de aarde) met zijn atmosfeer die niet in evenwicht is. Ze bestaat voor het grootste gedeelte uit stikstof en bevat een aanzienlijke fractie methaan (enkele procenten). In dit opzicht lijkt ze op de atmosfeer die de aarde miljarden jaren geleden moet hebben gehad. De methaanmoleculen worden voortdurend afgebroken in de bovenste lagen van de atmosfeer door ultraviolette zonnestraling, waarop de

Momenteel is Titan voor astrobiologen voornamelijk interessant vanwege de organische chemie die zich in de atmosfeer en op het oppervlak afspeelt (vaak suggestief aangeduid met de term prebiotische chemie). Hierbij moet men zich realiseren dat het belangrijkste verschil met de oeraarde Titan’s extreem lage temperatuur is (-179°C), die uiteraard vloeibaar water op het oppervlak uitsluit maar ook biologisch interessante chemische reacties extreem traag laat verlopen.


Eventuele vervolgmissies op Huygens (een ballon ligt voor de hand) zullen dan ook niet zozeer in het teken staan van de zoektocht naar leven maar zich concentreren op het in kaart brengen van de methaankringloop (cryovulkanisme?) en het ophelderen van het lot van de tholins. Buiten ons zonnestelsel bevindt zich het nog onontgonnen terrein van de exoplaneten. Er zijn nu al meer dan honderd andere planetenstelsels bekend en dit aantal zal in de komende jaren ongetwijfeld drastisch toenemen. Omdat we verwachten buitenaards leven het best te herkennen als het op ons lijkt, hopen we planeten van het formaat aarde te vinden, het liefst met een omloopbaan rond een ster van het type zon in de habitabele zone. Deze zone wordt grofweg gedefinieerd door de eis dat water vloeibaar moet kunnen zijn aan het oppervlak van de planeet en is afhankelijk van het stertype. Er zijn alleen nog planeten van het formaat Neptunus en groter ontdekt (op een handvol kleine pulsarplaneten na) omdat de huidige generatie instrumenten niet gevoelig genoeg is voor het vinden van aardachtige planeten. Maar er staan een aantal missies op stapel om hier verandering in te brengen. Allen maken gebruik van de techniek van de interferometrie, waarmee individuele telescopen aan elkaar geknoopt kunnen worden tot een supertelescoop. De SIM PlanetQuest van de NASA zal schommelingen in de baan van sterren meten met een precisie die hoog genoeg is om aard-

Darwin. [ESA]


achtige planeten te vinden rond nabije sterren. Om te kunnen bepalen of een exoplaneet bewoonbaar is en sporen van leven vertoont, is het noodzakelijk het licht dat hij uitzendt en reflecteert te analyseren met behulp van spectroscopie. Het meest effectief is dit in het infrarode deel van het spectrum omdat de exoplaneet hier typisch slechts een miljoen maal zwakker schijnt dan zijn ster, tegenover een miljard maal in het visuele. Het belangrijkste bio signature dat we hopen te vinden, is zuurstof. Hierbij moeten we oppassen voor gevallen waarbij dit abiotisch geproduceerd wordt. Voorbeelden hiervan zijn een planeet met oceanen die een op hol geslagen broeikaseffect ondergaat (waarschijnlijk gold dit ooit voor Venus), en een oceaanplaneet (een naar de ster toe gespiraliseerde ijsplaneet). In beide gevallen wordt water onder invloed van UV-licht afgebroken tot zuurstof en waterstof (2H2O → O2 + 2H2), waarop het lichte waterstof ontsnapt uit de atmosfeer. Eenvoudiger te detecteren en een goede indicator voor de aanwezigheid van zuurstof, is ozon (O3). Ook zoeken we naar de spectrale vingerafdruk van water, waarvan we denken dat het een voorwaarde is voor leven. Twee andere interessante moleculen zijn methaan en kooldioxide. Het eerste omdat het een biologische oorsprong kan hebben, het tweede omdat het een aanwijzing is voor een aardachtige oppervlak en het vereist is voor fotosynthese. Tenslotte kunnen de straal en temperatuur van de planeet uit het spectrum worden afgeleid. Door al deze kenmerken te combineren kunnen we aannemelijk maken dat we van doen hebben met een bewoonbare of zelfs bewoonde planeet. Er zijn momenteel twee missies in voorbereiding met dit doel voor ogen. Beide zijn armadas van ruimtetelescopen: de Terrestrial Planet Finder (TPF) van NASA en de Darwin van ESA. De benodigde technologie is zeer geavanceerd en zal waarschijnlijk eerst op kleine schaal getest worden. Als ze succesvol is en er in de buurt van de zon aardach-

tige planeten worden ontdekt, zal de toekomst krachtiger interferometers brengen. Deze ontwikkeling zal in een stroomversnelling komen als één van hen een atmosfeersamenstelling heeft die duidt op leven. Welke astrobiologisch getinte ruimtemissies kunnen we op korte termijn verwachten? Het kan niemand zijn ontgaan dat ambitieuze missies naar de buitenplaneten niet passen in de maan/Mars visie van de huidige president van de Verenigde Staten. Tel daarbij op dat dergelijke missies technisch complex en daardoor peperduur zijn en je komt tot de conclusie dat er voorlopig weinig kans is op astrobiologisch onderzoek op Europa en Titan. Maar wie weet wat de toekomst brengt; andere presidenten, andere visies. Het Amerikaanse Marsonderzoek staat er voorlopig in ieder geval goed voor, met missies in de pipeline als de Phoenix lander en het Mars Science Laboratory. De laatste wordt een rover met instrumenten aan boord om biomoleculen als eiwitten en aminozuren te kunnen detecteren. Toch heerst er onder veel Amerikaanse planeetonderzoekers momenteel een enigszins sombere stemming over de toekomst van het planeetexploratieprogramma van de NASA. Het is daarom hoopgevend dat nu ook de ESA in het kader van het Aurora programma plannen ontwikkelt voor missies met een astrobiologisch karakter, zoals de Flagship missies ExoMars Rover en Mars Sample Return. Als deze trend zich voortzet, zullen de NASA of de ESA eindelijk (samen?) een sample return missie naar Mars uitvoeren. Verder lijkt de ontwikkeling van ruimte-interferometers als TPF en Darwin langzaam maar gestaag te verlopen. Er is een goede kans dat ten minste één van beide projecten zal worden gerealiseerd. In dat geval verwacht ik dat de meest spectaculaire resultaten op het gebied van de astrobiologie zullen worden geboekt in het onderzoek naar exoplaneten. De auteur dankt Nick Hoekzema.

45

Ruimteweer Torsten Bieler ESA/ESTEC

“En dan nu het weer...” is een aankondiging waarmee de meeste nieuwsprogramma’s eindigen. In de toekomst zal het misschien niet alleen over het weer op aarde gaan, maar ook over voorspellingen voor het weer in de ruimte. Ruimteweer? Is de ruimte dan niet een vrijwel perfect vacuüm, met hier en daar wat planeten en sterren die in het grote niets zweven? Hoe kan daar weer zijn en wat hebben wij daar mee te maken? Het weer op aarde, ons klimaat en daarom vrijwel al het leven op deze planeet is afhankelijk van de zon. De warmtestraling van de zon maakt tenslotte het weer, door opwarming van de grond, de atmosfeer en de oceanen. Onze ster verspreidt echter niet alleen licht en warmtestraling, maar ook allerlei andere soorten straling en daarnaast een stroom geladen deeltjes via de zonnewind. Soms spuwt de zon ook plotseling grote hoeveelheden plasma met magnetische velden uit die Coronal Mass Ejections worden genoemd en zijn er zonnevlammen waarbij grote hoeveelheden straling vrij komen. Die straling en deeltjes beïnvloeden planeten, magnetische velden, ruimtevoertuigen, astronauten en zelfs vliegtuigen en hun passagiers.

straling blootgesteld dan op aarde en kunnen uitbarstingen op de zon het radioverkeer, radarwaarnemingen en satellietnavigatie ernstig verstoren. Zelfs het uitvallen van hoge-spanningslijnen voor de stroomvoorziening en bepaalde vormen van corrosie in pijplijnen worden aan ruimteweereffecten toegeschreven. Een grote, negen uren durende stroomstoring in de hele Canadese provincie Quebec in maart 1998 werd bijvoorbeeld veroorzaakt door plotselinge spanningen in elektriciteitsdraden die waren opgewekt door sterke magnetische velden op aarde als het gevolg van sterke zonneactiviteit. Moderne vliegtuigen met hun groeiende afhankelijkheid van complexe

instrumentatie en computerapparatuur zijn kwetsbaarder voor de invloeden van geladen deeltjes uit de ruimte dan hun simpelere voorgangers. De deeltjes veroorzaken ruis in sensorsystemen, verstoren de werking van de boordcomputers en geven onderdelen van het vliegtuig elektrische ladingen die zelf ook weer allerlei storingen kunnen veroorzaken (dit laatste heeft waarschijnlijk zelfs tot crashes geleid). Satellieten boven de atmosfeer lopen natuurlijk nog meer risico en kunnen last hebben van meteorieten, ruimtepuin en toenemende luchtweerstand door het uitzetten van de aardatmos-

Ruimteweer wordt gedefinieerd als: “condities op de zon en in de zonnewind, magnetosfeer, ionosfeer en thermosfeer die de prestaties en betrouwbaarheid van technologische systemen kunnen beïnvloeden en een gevaar kunnen vormen voor de mens en zijn gezondheid.” Net als voor het weer op aarde wordt het ruimteweer vooral door de zon gedreven, maar ook de interstellaire kosmische straling en meteorieten hebben effecten. Bij de aarde moeten we bovendien het rondvliegende en door onszelf veroorzaakte ruimtepuin meerekenen. Zelfs nu heeft ruimteweer al effect op het dagelijks leven op aarde. Zo worden de bemanning en passagiers van lijnvliegtuigen op grote hoogte aan meer

46

Coronal Mass Ejections gaan soms in de richting van de aarde. [ESA]


feer als gevolg van verhitting door zonne-uitbarstingen. Speciaal kwetsbaar zijn astronauten op langdurige ruimtemissies zoals nu in het International Space Station (ISS), maar vooral later bij bemande vluchten naar de maan en Mars. Zonder de bescherming van de atmosfeer krijgen mensen veel hogere doses straling te verwerken dan op aarde, van zowel de zon als uit de interstellaire ruimte via de kosmische straling. Potentieel dodelijk zijn stormen geladen zonnedeeltjes die soms bij Coronal Mass Ejections en zonnevlammen loskomen. In extreme gevallen kan een astronaut dan in een paar uur evenveel straling ontvangen als normaal na jaren in de ruimte. Een van de grootste uitbarstingen ooit gemeten vond plaats tussen de Apollo 16 en 17 vluchten. Computersimulaties van de stralingsniveaus die astronauten in een ruimtecapsule daarbij hadden kunnen ondervinden, lieten zien dat ze in tien uren dodelijk hoeveelheden zouden hebben ontvangen. Zou er tijdens die uitbarsting een Apollo bemanning op weg zijn geweest naar de maan, dan hadden ze dat vrijwel zeker niet overleefd. Het is dus duidelijk dat ruimteschepen en vooral bemanningen in de toekomst moeten worden beschermd tegen hevig ruimteweer. Bescherming tegen micrometeorieten en ruimtepuin zoals toegepast op het ISS zal niet genoeg zijn; er moet ook bescherming tegen gevaarlijke straling komen. Dat kan door middel van relatief dunne stralingsschilden om de normale straling van de zon en uit de kosmische ruimte tegen te houden. De extreem hoge straling van sommige zonne-uitbarstingen zal een speciale schuilruimte met extra dikke en zware bescherming nodig maken. Zo’n ruimte kan bijvoorbeeld bestaan uit een kleine module midden in het ruimteschip dat is omringd met de watervoorraden voor de vlucht, aangezien water een goede substantie is om hoog energetische geladen deeltjes te stoppen. Zo’n schuilruimte


Tekening van hoe een Solar Orbiter er uit zou kunnen zien. [ESA]

heeft alleen zin als de bemanning op tijd kan worden gewaarschuwd voor komend stralingsgevaar en daarom zal er een netwerk van strategisch geplaatste zonneobservatiesatellieten moeten komen. Afhankelijk van het type bemande missie kunnen deze satellieten in banen rond de aarde worden geplaatst, in de Lagrange punten van het aarde-zon systeem, bij Mars of zelfs verder weg. Een combinatie van satellieten zal dan de activiteit van de zon in de gaten houden. Aan de hand van metingen aan het magnetische veld en observatie van het zonneoppervlak zullen in de toekomst steeds nauwkeurigere voorspellingsmethoden ontwikkeld worden, waarmee tijdig astronauten in de ruimte en op andere planeten kunnen worden gewaarschuwd om snel hun schuilplaatsen op te zoeken. Zo verwacht men dat Coronal Mass Ejections en zonnevlammen kunnen worden voorspeld door het waarnemen van toename in de elektromagnetische activiteit van de

zon. Uiteraard is dan ook een systeem nodig dat bij het waarnemen van deze verschijnselen bepaalt of de schadelijke straling ook echt een gevaar zal vormen in de omgeving van de astronauten. Dit is mogelijk door strategisch geplaatste waarnemingsstations die tijdig alarm kunnen slaan. Zo zal bijvoorbeeld voor bemande marsmissies een ander netwerk nodig zijn dan voor maanmissies. Net als het weer op aarde kunnen we ruimteweer nauwelijks beïnvloeden en zullen we het gewoon moeten accepteren dat we ervoor waarschuwen en ertegen beschermen. Voordat we in de zomer naar het strand gaan, kijken we op de televisie naar de weersverwachtingen en nemen we zonnecrème, zonnebrillen en parasols mee. In de winter doen we dikke kleren aan en vullen we het sproeisysteem van de auto met antivries. Als we steeds verder het zonnestelsel in willen, zullen we op een soortgelijke manier moeten leren omgaan met het weer in de ruimte.

47

21ste eeuw: De mensheid verkent het zonnestelsel Marco van der List

Toen de Apollo-17 astronauten hun laatste voetafdrukken in de stoffige maanbodem achterlieten, was de algemene opinie dat de eerste mensen ergens in de jaren tachtig voet op Mars zouden zetten. NASA zou met de spaceshuttle goedkoper en meer frequent toegang tot een lage baan om de aarde krijgen. Vanuit een groot ruimtestation zouden de maan en de planeten immers efficiënter en makkelijker te bereiken zijn.

Inleiding De spaceshuttle kwam er maar daarna stagneerde het programma. Wat niemand indertijd kon voorspellen, gebeurde toch. Meer dan dertig jaren na de laatste maanvlucht is de bemande ruimtevaart nu nog steeds beperkt tot een baan om de aarde op slechts enkele honderden kilometers hoogte. Toch gloort er, aan het begin van de eenentwintigste eeuw, hoop aan de horizon. Zowel in Europa als de Verenigde Staten zijn programma’s geformuleerd voor een bemande exploratie van ons zonnestelsel. Op een hoogte van gemiddeld 380 kilometer boven het aardoppervlak draait sinds november 1998 het International Space Station (ISS) elke 92 minuten om de aarde. Zestien landen, waaronder de vroegere kemphanen in de koude oorlog, de Verenigde Staten en Rusland, werken samen om het ruimtestation te ontwikkelen, te bouwen en te bemannen. Hiermee is het ISS niet alleen voor de ruimtevaart een uniek internationaal samenwerkingsproject; het kent zelfs geen gelijke op welk ander wetenschappelijk onderzoekterrein dan ook. Met een waarde van rond de 100 miljard euro is het ruimtestation zelfs het grootste civiele project tussen individuele landen dat ooit ondernomen is. Hoewel de ontwikkeling en assemblage van het ISS met zowel technische tegenslagen als politieke strubbelingen gepaard zijn gegaan, is het een belangrijke stap in het proces naar internationalisering en samenwerking tussen verschillende culturen en landen. Wellicht zal dat een

48

van de belangrijkste zaken zijn die men van het ISS project kan leren en kunnen we deze kennis effectief toepassen bij toekomstige internationale projecten die al dan niet ruimtevaart gerelateerd zijn. Gebeurtenissen van de laatste jaren hebben laten zien dat bemande ruimtevaart niet alleen voorbehouden hoeft te zijn aan de grote spelers zoals de VS en Rusland. Eind 2003 werd China het derde land ter wereld dat zelfstandig een bemand ruimteschip lanceerde en bijna een dag later weer behouden naar de aarde terugbracht. Nog voor het einde van 2005 zal waarschijnlijk

de tweede bemande vlucht van een Shenzhou ruimteschip plaatsvinden. Het communistische land heeft al aangekondigd binnen tien jaren een eigen permanent bemand ruimtestation te willen lanceren dat net als de Russische Mir uit vier of vijf modules zal worden samengesteld.

Technologie en commerciële invloeden Ruimtevaart, en zeker de bemande variant daarvan, is altijd al een speerpunt van technologische vernieuwing geweest. Ook voor toekomstige

12 december 1972. Geoloog Harrison Schmitt is aan het werk nabij de buggy te Taurus-Littrow op de maan. [NASA]


bemande ruimtevaartprojecten zullen er nog vele nieuwe technieken ontwikkeld moeten worden. Als men langere vluchten verder weg van de aarde wil maken, is het een eerste vereiste om tot een gesloten leefinstandhoudingssysteem te komen waarbij zoveel mogelijk aan boord van een ruimteschip gerecycled wordt. Nu krijgen de bewoners van het ISS ongeveer elke twee maanden verse voorraden aangeleverd vanaf de aarde. Eind 2004 waren de voedselvoorraden zover teruggelopen dat men serieus plannen begon te ontwikkelen om de bemanning naar de aarde te evacueren als de lancering van een Russische bevoorradingscapsule zou mislukken of om een andere reden niet zou arriveren. Een expeditie op weg naar Mars heeft deze mogelijkheid eenvoudigweg niet en dat stelt natuurlijk hele andere eisen aan de te gebruiken techniek en het betrouwbaarheidsniveau daarvan. De ontwikkeling van nieuwe technologieën ligt tegenwoordig voornamelijk bij commerciële ondernemingen en de keuze voor innovatierichting wordt meer en meer bepaald door de mogelijke afzetmarkten. Dit in groot contrast tot de jaren zestig toen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA zich actief bemoeide met de innovaties die tot stand gebracht moesten worden om een mens op de maan te zetten. Deze top-down wijze van werken kon toen zo functioneren omdat president John F. Kennedy het Apolloproject een duidelijke doelstelling had meegegeven, namelijk een mens voor 1970 te laten landen op de maan en hem weer behouden naar de aarde terug te laten keren. Als heden ten dage individuele bedrijven echter onvoldoende gestuurd worden in een bepaalde richting, dan zullen ze wegens markteconomische redenen voor die technologieontwikkeling kiezen die ze op redelijke termijn de grootste afzetmarkt oplevert. Het is evident dat de gekozen richting niet persé die innovaties op zal leveren die benodigd zijn voor een overheidsprogramma.


Artistieke impressie van een vroege bemande basis op de planeet Mars. [ESA]

Zoals het zich nu laat aanzien, zal de commerciële industrie zich eerst concentreren op het verwezenlijken van ruimtetoerisme. Het winnen van de Ansari X-Prize in 2004 door het team dat de SpaceShipOne bouwde en dit toestel tweemaal binnen veertien dagen naar een hoogte boven de 100 kilometer vloog, is hier de eerste voorbode van. Sir Richard Branson, bekend van de vliegmaatschappij Virgin, is van plan de SpaceShipOne en haar opvolgers binnen enkele jaren commercieel te gaan exploiteren. Begin 2005 hadden zich al bijna 15 000 aspirant passagiers aangemeld die zich bereid stelden om 200 000 dollar op tafel te leggen voor een vlucht naar de rand van de ruimte in de te bouwen SpaceShipTwo. Branson heeft al aangegeven dat, als de suborbitale vluchten van de SpaceShipTwo een commercieel succes zijn, hieruit de SpaceShipThree zal worden ontwikkeld welke een omloopbaan moet kunnen bereiken. Later zal deze ontwikkeling zich hopelijk voortzetten tot commercieel ruimtetoerisme in een lage baan om de aarde, waarbij ruimtestations als hotel fungeren voor bezoekende toe-

risten die dan enkele dagen kunnen genieten van gewichtloosheid en onze planeet van boven kunnen aanschouwen. Om dit te stimuleren is er kort na het winnen van de Ansari X-Prize een nieuwe prijs ter waarde van 50 miljoen dollar uitgeloofd voor diegene die met hetzelfde toestel binnen 60 dagen twee ruimtevluchten in een baan om de aarde maakt. Helaas kunnen alleen bedrijven en teams meedoen die in de Verenigde Staten gevestigd zijn. De competitie is dan ook heel toepasselijk America’s Space Prize genoemd. In Europa probeert de ruimtevaartorganisatie ESA de technologie-innovatie een bepaalde gewenste richting te geven door contracten voor specifieke studie- en ontwikkelingsopdrachten uit te geven. Zo wordt de Europese industrie uitgenodigd specifieke componenten en systemen te ontwikkelen voor bepaalde platformen en missies waar een specifieke behoefte aan bestaat. Maar naast het richting geven aan de ontwikkelingen is er voor de grote civiele ruimtevaartorganisaties ook een andere rol weggelegd. De investeringen die gemoeid zijn met projecten zoals SpaceShipOne staan

49

met 20 miljoen dollar namelijk geheel niet in verhouding tot de ontwikkelingskosten van bemande ruimtevaartprojecten, zoals shuttle en ISS, waarbij miljarden benodigd zijn. Hier zal in de toekomst voorlopig dan ook een duidelijke rol weggelegd blijven voor overheidsorganisaties.

Voorbij de aardbaan De Europese ruimtevaartorganisatie ESA wil met haar Aurora programma zowel bemande als onbemande missies naar de planeten uitvoeren en technologieën ontwikkelen waarmee uiteindelijk bemande reizen naar de maan en Mars mogelijk zouden moeten worden. De Amerikaanse president kondigde op 14 januari 2004 aan dat NASA een soortgelijk programma zou moeten starten, het zogenaamde Vision for Space Exploration. Ook in andere landen, met de Russen voorop, worden regelmatig plannen gepubliceerd voor bemande reizen naar de maan en de planeten. Vision for Space In het Amerikaanse Vision for Space zijn ruwweg drie stappen gedefinieerd. In de eerste fase tot 2014 zal er een transportsysteem voor bemande ruimtereizen naar een lage baan om de aarde ontwikkeld worden. Dit vierpersoons toestel staat bekend als de Crew Exploration Vehicle (CEV). Omdat NASA nog in het aanbestedingstraject zit, is het nog onduidelijk hoe de CEV er uiteindelijk uit gaat zien, maar omdat het toestel ook ingezet dient te worden voor de volgende fase ligt een Apolloachtige capsule voor de hand. In deze periode zullen onbemande sondes de maan verkennen. Voor de tweede fase is voorzien dat, in ieder geval voor 2020, maar op zijn vroegst al in 2015, mensen weer voet op de maan zullen zetten. De CEV zal gebruikt worden in combinatie met een te ontwikkelen Lunar Surface Access Module (LSAM), om expedities met een

50

Toekomstbeeld? Een industrieterrein op de maan. [NASA/Rawlings]

gemiddelde verblijfsduur van enkele dagen tot weken naar het maanoppervlak mogelijk te maken. In de derde fase, die na 2020 zal plaatsvinden, zullen langere bemande missies naar het maanoppervlak uitgevoerd worden en de infrastructuur (zoals energie- en communicatiesystemen) op en nabij de maan worden uitgebreid. Parallel aan de bemande activiteiten op de maan, zal de onbemande verkenning van de planeet Mars geïntensiveerd worden. Uit de technologieën die worden ontwikkeld gedurende de eerste drie fasen zullen uiteindelijk nieuwe ruimtevaarttuigen ontwikkeld kunnen worden waarmee de drie jaren durende reis naar Mars gemaakt kan worden. Hoewel de Amerikaanse plannen in de deelname van andere landen voorzien, zijn er nog geen concrete onderwerpen genoemd waaraan Europa, Japan en/of Rusland zouden kunnen bijdragen. Aurora Al voor president Bush de Amerikaanse plannen presenteerde, had de ESA onder de naam Aurora in 2001 haar eigen programma voor de verkenning van ons zonnestelsel opgesteld. Dit programma is breder van opzet dan het Amerikaanse, daar de verkenning van het zonnestelsel niet alleen geli-

miteerd is tot de maan en Mars, maar ook de nabije planetoïden als mogelijke doelen in aanmerking komen. De Europese wetenschappelijke wereld is dan ook uitgenodigd om actief met ideeën en voorstellen te komen. Aurora is ook flexibeler van opzet dan haar Amerikaanse tegenhanger. Het Aurora programma bestaat uit vlaggenschip missies (Flagship) en speerpunt missies (Arrow). De laatste zijn bedoeld om een bepaald aspect te onderzoeken, zoals areo braking (de atmosfeer van een planeet gebruiken om een ruimtevaartuig af te remmen). De vlaggenschepen zijn de grote projecten van het kaliber Rosetta. De eerste, ExoMars, is gepland voor lancering in 2011 en bestaat uit een 180 kg zware rover die over het oppervlak van de rode planeet moet gaan rijden en een kunstmaan in een omloopbaan. De rover zal beschikken over een set instrumenten waarmee specifiek naar leven, al dan niet uitgestorven, gezocht kan worden. Halverwege 2010 – 2020 zou dan wellicht een bodemmonster van Mars naar de aarde gebracht kunnen worden. Hoewel het Aurora programma geen specifieke mijlpalen zoals het Amerikaanse heeft, maar een vloeiender verloop, wordt 2033 vaak genoemd als het jaar waarin mogelijk de eer-


ste bemande reis naar Mars wordt gemaakt. Niet alleen missies naar andere hemellichamen maken deel uit van het Aurora programma, maar dat kan even goed onderzoek op aarde of aan boord van een ruimtestation zijn. Te denken valt aan onderzoek naar effecten van langdurige ruimtevluchten in een lage baan om de aarde.

De motivatie Alvorens we als mensheid steeds verder het zonnestelsel intrekken, zouden we als maatschappij eerst de redenen moeten onderzoeken waarom we dit zouden moeten doen. Het heeft altijd al in de aard van mensen gelegen om grote uitdagingen aan te gaan. Daarom zeilden al meer dan vijfhonderd jaar geleden schepen de wereld rond, beklom men de hoogste bergen en daalde men af in de diepste troggen in de oceaanbodem. Tijdens het Apollo-project in de jaren zestig van de vorige eeuw culmineerde dit in zes maanlandingen waarbij telkens twee mensen eventjes op de maan rondliepen. Dat is echter al generaties geleden. De ingenieurs, technici, beleidsmakers en zelfs de ruimtevaarders die betrokken zijn bij het International Space Station, waren kinderen, of zelfs nog niet geboren, toen Apollo-17 commandant Eugene Cernan in december 1972 zijn laatste stap op de maan achterliet. Sindsdien heeft geen een ruimtevaarder de omloopbaan om de aarde verlaten. Het Apollo-project was voornamelijk ingegeven door politieke motivatie. Het was een gelegenheid, en wellicht de enige mogelijkheid, voor de toenmalige twee kernmachten om hun technische expertises op de proef stellen, zonder dat een directe militaire confrontatie noodzakelijk was. Wellicht dat een voortdurende koude


oorlog tot ver in de jaren negentig had geleid tot een hernieuwde ruimtewedloop tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie. Nu niet met de maan als doel, maar Mars. Toen de SovjetUnie ten onder ging, had hun zware draagraket Energia al twee succesvolle vluchten gemaakt en hadden de Russen al flink wat ervaring opgedaan met langdurige ruimtevluchten in hun Salyut en Mir ruimtestations. De politieke verhoudingen zijn nu echter danig anders. Westerse en socialistische werelden hebben elkaar gevonden en zijn sterke economische banden aangegaan. Ook China heeft haar economie omgevormd welke nu een enorme groei doormaakt. Behoudens enkele kleinere staten met een sterk communistische of religieuze inslag, lijken er geen redenen meer te bestaan voor een militaire of technologische krachtmeting tussen naties op grotere schaal. De meest gegeven reden voor bemande reizen verder het zonnestelsel in, is dat mensen beter in staat zouden zijn om wetenschappelijk onderzoek ter plaatse te verrichten. En dat is, ondanks de verrichtingen die de marswagentjes Spirit en Opportunity het afgelopen jaar hebben laten zien, inderdaad ten dele zeker waar. Tijdens de laatste drie Apollo-landingen konden de twee

maanwandelaars met hun maanbuggy sneller en flexibeler een groter terrein verkennen dan die wagentjes en dat in een veel kortere tijdsbestek van slechts drie dagen. Daarnaast kan een mens de ervaring om een ander hemellichaam te verkennen veel beter overbrengen dan een robot. In juni 2002 bracht Apollo17 astronaut en geoloog Harrison Schmitt een bezoek aan Nederland en gaf op de TUDelft een boeiende lezing over zijn maanreis. Dertig jaar na dato kon hij de toehoorders, waaronder een groot aantal NVR-leden, in gedachten meevoeren naar een andere wereld. Ruimtevaart heeft aangetoond grote invloed op de menselijke cultuur en beschaving te hebben. Een andere veel gehoorde reden om dieper de ruimte in te trekken, is dat de mensheid niet altijd op aarde kan blijven, zoals de Russische raketprofeet Tsjolkovsky al besefte bij het aanbreken van de twintigste eeuw. De overlevingskansen van de menselijke soort worden vergroot als we menselijke kolonies op andere planeten vestigen. In ons zonnestelsel is echter geen ander hemellichaam waar een mens zonder hulpapparatuur zou kunnen (over)leven. Sterker nog, er is geen hemellichaam waar iemand

Alle plannen voorzien in maanbases. [NASA]

51

Een bemand ruimteschip passeert de Jupitermaan Io. Voor de voortstuwing levert een laser, gesitueerd nabij de zon, de benodigde energie welke via de twee parabolische spiegels aan de motor toegevoerd wordt. [NASA/Rawlings]

op het oppervlak het zonder drukpak zou kunnen stellen. Dat is een niet erg aantrekkelijk milieu voor eventuele kolonisten die zich op de maan, Mars of de grote manen van de reuzenplaneten Jupiter en Saturnus willen vestigen. Bases op andere hemellichamen in ons zonnestelsel zullen dus voornamelijk wetenschappelijk onderzoek en het winnen van natuurlijke grondstoffen tot doel hebben. Zo kan op de maan het Helium-3 isotoop gewonnen worden dat gebruikt kan worden in nog te ontwikkelen kernfusiegeneratoren. Ook kan in de ruimte volop geprofiteerd worden van zonne-energie. Al in de jaren zeventig van de vorige eeuw werden voorstellen gemaakt om deze energie met grote zonnepanelen te winnen en via microgolfstraling naar de aarde te zenden. Wellicht dat deze exploitatie in de toekomst commercieel rendabel gemaakt kan worden.

lijke kolonisatie zouden vinden, dan maken de enorme afstanden een reis nog praktisch onmogelijk. De gemiddelde afstand tussen sterren in ons gedeelte van de melkweg bedraagt vier lichtjaren. Van emigratie naar andere werelden zal niet direct sprake zijn en reizen naar de sterren, tenzij genieën zoals Stephen Hawking doorbraken forceren op het gebied van ruimte-tijd fysica, zullen in de 21-ste eeuw nog tot het rijk van de sciencefiction blijven behoren. Visie Aurora. [ESA]

Aardachtige planeten, of beter gezegd planeten die (menselijk) leven zouden kunnen herbergen, zullen dus buiten ons zonnestelsel gezocht moeten worden. Er zijn nu iets meer dan 50 planeten rondom andere sterren gevonden, maar deze vallen allemaal in de categorie gasreuzen en aardachtige planeten zijn nog niet met zekerheid gevonden. Zelfs als we een planeet rondom een andere ster geschikt voor mense-

52


Ruimtetoerisme Michel van Pelt

Ruimtetoerisme was tot voor kort een toekomstdroom dan wel een waanidee, afhankelijk van aan wie je het vroeg. Met de twee Soyuzvluchten van multimiljonairtoeristen naar het ISS en het winnen van de X-prize voor suborbitaal ruimtetoerisme zijn pleziertochtjes in de ruimte dan toch werkelijkheid geworden. Voordat we met de hele familie een weekendje op de maan kunnen kamperen, moet er echter nog wel heel wat gebeuren. Waarom zou iemand puur voor het plezier de ruimte in willen? Voor de toerist biedt de ruimte een geweldig uitzicht op de aarde, speelse gewichtloosheid en een nieuwe, spannende ervaring die nog slechts een handvol mensen heeft kunnen ondergaan. Zelfs professionele astronauten zeggen dat het zien van de aarde vanuit de ruimte het hoogtepunt van hun missie was. Marktonderzoek laat zien dat er heel veel mensen een ruimtevlucht zouden willen maken, mits het goedkoop en veilig genoeg is. Toerisme is momenteel de grootste economische drijfveer in de wereld waarin jaarlijks zo’n 3400 miljard dollar omgaat. Zelfs het redelijk kleine gedeelte ‘avontuurlijk toerisme’ hiervan is goed voor een omzet van meer dan 120 miljard dollar per jaar. De budgetten van NASA (rond de

16 miljard dollar), ESA (rond de 3 miljard Euro) en de hoeveelheid geld die omgaat in de commerciële ruimtevaart zijn hierbij vergeleken klein. Ruimtetoerisme heeft dus de mogelijkheid uit te groeien tot de grootste markt voor ruimtevaart en lanceervoertuigen ooit. Als net zoals in de luchtvaart vluchtprijzen hierdoor scherp dalen, kunnen wetenschappelijke en andere ruimtemissies hiervan ook profiteren. Ook op dit moment zijn er al aan ruimtevaart gerelateerde toeristische mogelijkheden. Je kan in Rusland met een straaljager naar dertig kilometer hoogte vliegen om de kromming van de aarde te zien of je kan in Sterrenstad bij Moskou een kosmonautentraining volgen en diverse bedrijven bieden al parabolische vluchten in een vliegtuig aan waarbij de passagiers voor korte

SpaceShipOne en White Knight. [Scaled Composites]


tijd gewichtloosheid kunnen ervaren. Echt ruimtetoerisme is sinds een paar jaar ook mogelijk sinds Rusland voor zo’n 20 miljoen dollar stoelen in hun Soyuz ruimteschepen aanbiedt voor vluchten van ongeveer een week naar het ISS. De Amerikaan Dennis Tito en de Zuid-Afrikaan Mark Shuttleworth maakten daar in 2001 en 2002 al gebruik van. De Russen hebben aangekondigd in de nabije toekomst meer flight participants mee te nemen op routinevluchten naar het ISS, om zo hun lege ruimtevaartkas te spekken. Soyuzvluchten zijn duur, in vergelijking met een normale lijnvlucht erg riskant en ook is er bijna een jaar training nodig om mee te mogen, maar het begin is er. De verwachting is dat er uiteindelijk vluchten speciaal voor ruimtetoeristen gemaakt zullen worden en dat de ticketprijzen zullen dalen. Daardoor zullen meer mensen een vlucht kunnen en willen maken, waarmee de economische groeispiraal gestart zal worden van meer vluchten die leiden tot lagere prijzen die weer leiden tot nog meer vluchten. De ruimtebarrière wordt ook vanuit de luchtvaart aangevallen. In 2004 won het bedrijf Scaled Composites van luchtvaart innovator Burt Rutan de X-prize voor suborbitale ruimtevluchten. Om de prijs van 10 miljoen dollar te winnen, maakte hun driepersoons SpaceShipOne raketvliegtuig binnen twee weken twee vluchten naar meer dan 100 km hoogte. Er was beide keren alleen een piloot aan boord, maar het bedrijf is van plan een vijfpersoons versie van hun vliegtuig te ontwik-

53

Ascender. [Bristol Spaceplanes]

kelen waarmee commerciële vluchten naar de grens van de atmosfeer gemaakt zullen worden. De Britse Virgin groep, bekend van de CD-winkels, cola en goedkope lijnvluchten, heeft het bedrijf Virgin Galactic opgezet om trips met het nieuwe vliegtuig te verkopen. Medisch gezien zijn er weinig fysieke problemen te verwachten: iedereen met een redelijke gezondheid kan een Space Shuttle vlucht gemakkelijk aan en de veranderingen in het lichaam door de microzwaartekracht en kosmische straling zijn na een vlucht van slechts een paar dagen klein. Alleen de misère die wordt veroorzaakt door ruimteziekte kan het plezier in een toeristische ruimtetrip verstoren. Ruimteziekte is een vorm van bewegingsziekte die gepaard gaat met misselijkheid en lusteloosheid en waarvan

54

ongeveer 70% van de astronauten de eerste dagen in de ruimte last heeft. Er zijn echter goede medicijnen voor. Deze kunnen wel leiden tot enige slaperigheid, maar aangezien toeristen niet verantwoordelijk zullen zijn voor ingewikkelde zaken tijdens de missie zal dat geen probleem vormen. Technisch gezien is het bouwen van raketten of raketvliegtuigen voor suborbitaal en orbitaal ruimtetoerisme in een baan rond de aarde zeker niet onmogelijk; we doen tenslotte al meer dan 40 jaren aan bemande ruimtevaart. Het probleem, vooral voor orbitaal ruimtetoerisme, is hoe het goedkoop en veilig genoeg is te maken. De meeste bemande en onbemande lanceervoertuigen, inclusief de spaceshuttle, zijn minder dan 99% betrouwbaar. En als er iets fout gaat, eindigt

de missie meestal in een catastrofale ontploffing. Als in de luchtvaart van iedere honderd lijnvluchten er één zou neerstorten dan zouden de starten landingsbanen bij Schiphol elke dag vol met gecrashte vliegtuigen liggen. Massa ruimtetoerisme is met zulke risico’s natuurlijk onmogelijk. De prijs voor een lancering is momenteel ook veel te hoog. De 20 miljoen dollar die je voor een Soyuzvlucht moet neertellen, is echter het best haalbare met de huidige lanceervoertuigen. De vraag naar veiligere en goedkopere vluchten leidt tot de noodzaak om herbruikbare ruimtevliegtuigen te ontwikkelen. Alleen zulke systemen die met minimaal onderhoud steeds hergebruikt kunnen worden, die zelfs als er iets fout gaat veilig kunnen landen, en die in korte tijd vaak kunnen vliegen, kunnen ruimtetoerisme voor het grote publiek mogelijk maken. De


lanceerkosten zullen hiermee sterk gereduceerd worden zodat de ticketprijzen ver genoeg dalen om een redelijke markt te creëren. Dit betekent dat de voertuigen vooral voor minimale operationele kosten (voor onderhoud, startklaar maken en de vlucht zelf) ontworpen moeten worden, zoals dat met de huidige commerciële lijnvliegtuigen gebeurt. Er zijn grote investeringen nodig voor de ontwikkeling van de benodigde technologie, maar tot nu toe zijn potentiële investeerders zeer terughoudend om geld te steken in herbruikbare lanceervoertuigen voor ruimtetoerisme. Dit komt vooral omdat men de zeer optimistische, maar erg beperkte, marktanalyses niet vertrouwt en omdat de technische en economische risico’s als erg hoog

worden ervaren. Daarbij komt dan nog dat zelfs bij groot succes de winst vele jaren op zich zal laten wachten, veel langer dan bij andere lucratieve investeringen. Een ander groot probleem dat zal moeten worden opgelost, is het huidige gebrek aan wetten, richtlijnen en certificatieprocessen die ruimtetoerisme mogelijk moeten maken. De internationale overeenkomsten die nu bestaan, zijn gericht op bemande ruimtevaart uitgevoerd door overheden, niet op commerciële vluchten met gewone passagiers. Het is te verwachten dat ruimtetoerisme zal evolueren van een kleinschalige operatie met dure, korte en relatief riskante vluchten voor de happy few,

tot betaalbare, uitgebreide mogelijkheden voor een groot gedeelte van de wereldbevolking. De hierna volgende ‘geschiedenis van de toekomst in vogelvlucht’ geeft een idee hoe ruimtetoerisme zich deze eeuw zou kunnen ontwikkelen. Wij wensen u een goede reis. 2009: Virgin Galactic voert de eerste volledig commerciële vlucht uit. Een vijfpersoons SpaceShipTwo raketvliegtuig wordt op 14 km hoogte van onder een groter moederschip gelanceerd en schiet dan bijna recht omhoog naar de grens van de atmosfeer. De raketmotor brandt ongeveer 80 seconden en geeft het vliegtuigje een snelheid van meer dan 4000 km/u. Dan stopt de motor en wordt de reis naar 100 km hoogte zonder stuwkracht voortgezet. De toeristen zijn vanaf dat moment gewichtloos en blijven dat ongeveer drie minuten. Op grote hoogte zien ze duidelijk de kromming van de aarde en de dunne schil van de atmosfeer die onze planeet beschermt. Terwijl het voertuig terugvalt en wordt afgeremd door de atmosfeer, krijgen de toeristen hun gewicht weer terug. 2012: Virgin Galactic maakt haar 50ste vlucht, maar krijgt dat jaar ook concurrentie van twee nieuwe organisaties. Eén in Amerika die het nieuwe Xerus vliegtuig van XCOR Aerospace gebruikt en een ander bedrijf in Japan dat met een eigen voertuig vliegt. Er worden steeds meer suborbitale voertuigen besteld en steeds meer vluchten vanaf meer vliegvelden gemaakt, waardoor de vluchtprijzen snel dalen tot rond de 10 000 euro per ticket. Virgin Galactic begint ook vluchten vanuit Europa te maken.

Ruimtetoerisme wordt een feit. [Space.com/Space Adventures]


2016: Een raketvliegtuig met ruimtetoeristen verongelukt door een productiefout in de raketmotor. Al eerder moesten vluchten onderweg worden afgebroken, maar de noodlandingen liepen altijd goed af. Voor het eerst zijn er nu ruimtetoeristen omgekomen. Alle machines met dezelfde

55

motoren worden aan de grond gehouden, maar de vluchten met andere ontwerpen gaan door. Het publiek is inmiddels zo gewend geraakt aan ruimtetoerisme dat het aantal klanten nauwelijks daalt. Wel worden de controles en veiligheidseisen voor de raketvliegtuigen aangescherpt en worden de verzekeringspremies voor korte tijd verhoogd.

2043: Het eerste puur voor toerisme bedoelde ruimtestation wordt in gebruik genomen. Ruimtevliegtuigen van verschillende maatschappijen kunnen hier tegelijk aankoppelen. Het station is niet veel meer dan een verzameling grote cilinders waarin ruimtetoeristen vrijuit kunnen rondzweven, maar voor het eerst zijn nu vluchten van enkele dagen mogelijk.

2018: Er worden zulke goede zaken gedaan met de suborbitale vluchten dat een gedeelte van het verdiende geld kan worden geïnvesteerd in de ontwikkeling van echte ruimtevliegtuigen, ook al blijven grote overheidsinvesteringen aanvankelijk nodig. Zelfs in Europa wordt na tientallen jaren van paper studies en de bouw van een paar testvoertuigen eindelijk serieus begonnen met de ontwikkeling van herbruikbare raketvoertuigen.

2050: Het eerste echte ruimtehotel wordt gebouwd. Het is een klassiek wielvormig station, met luxe maar kleine hotelkamers met 1/3de g zwaartekracht in de ring en een groot microzwaartekrachtgebied in de as. Hier wordt het eerste kampioenschap float ball gehouden, een sport waarbij de spelers niet alleen een bal maar ook teamgenoten en tegenstanders mogen weggooien. De bruidsuites van het hotel zijn een ongekend succes.

2026: De eerste van een nieuwe generatie ruimtevliegtuigen rolt uit de fabriek. Het volledig herbruikbare eentrapsraketvoertuig kan niet genoeg snelheid opbouwen om in een baan om de aarde te komen, maar kan wel net één volledige vlucht rond de planeet maken. Na een testperiode wordt een jaar later de eerste toeristenvlucht gemaakt. De vroege klanten betalen bijna een miljoen euro per vlucht (gerekend in euro’s van 2005), maar na een paar jaar is de prijs nog maar een vijfde daarvan.

2052: Na een aantal botsingen van ruimtevliegtuigen met ruimteschroot, met soms bijna fatale gevolgen, beginnen ruimtevaartorganisaties eindelijk met het opruimen van de troep die rond de aarde zweeft. Grotere brokstukken worden gevangen en naar de aarde gebracht, terwijl kleinere maar nog altijd gevaarlijke deeltjes met krachtige lasers worden verdampt.

Space habitat. [Space Island Group]

2038: Een tweetrapsvliegtuig, bestaande uit een moederschip en een kleiner raketvliegtuig, wordt het eerste systeem dat toeristen voor een redelijke prijs in een baan rond de aarde kan brengen. Aanvankelijk kosten de vluchten meer dan een miljoen euro (2005) per persoon, maar de prijs daalt, door de populariteit en de onderlinge concurrentie van verschillende vliegmaatschappijen, zeer snel tot onder een ton per vlucht.

56

2056: Het eerste ruimte bejaardenhuis wordt geopend. Vermogende ouderen die op aarde nauwelijks meer kunnen lopen kunnen hier vrij bewegen en voelen zich weer jaren jonger. 2062: Het eerste ruimtehotel met langzaam roterend zwembad wordt geopend. Het is mogelijk ver uit het water te springen en vanaf een enorm hoge duikplank langzaam naar beneden te vallen. Dat jaar lanceert de eerste multimiljardair ook zijn eigen ruimtevilla, bereikbaar met zijn eigen privé ruimtevliegtuig. Al snel worden luxe ruimtevliegtuigen en -stations populaire statussymbolen voor de zeer rijken der aarde.

2063: Onder groot protest van andere maanvarende landen voert China de eerste toeristenvlucht naar de maan uit. Snel worden er regels opgezet om historische en geologisch belangrijke plaatsen op de maan te beschermen tegen het toeristengevaar. Een voetstap blijft er tenslotte miljoenen jaren zichtbaar. De Apollo 11 landingsplaats, door een koepel van op de maan geproduceerd glas omgeven, wordt een belangrijke toeristentrekker. 2065: De eerste maanbuggy rally wordt gehouden. Al snel evenaart het spektakel de populariteit van de Formule1 races op aarde. Het is inmiddels zo druk op de maan geworden dat er een kleine politiepost moet worden opgezet. Iedere maantoerist wordt verplicht schoenen met een uniek zoolpatroon te dragen; mensen die buiten de toegestane gebieden lopen kunnen aan de hand van hun voetafdrukken snel getraceerd en bestraft worden. 2100: Hotels in een baan rond de aarde en op de maan zijn normale bestemmingen voor massatoerisme geworden. Door de zeer lage vluchtprijzen en de faciliteiten die voor het toerisme in de ruimte gebouwd zijn, is het ook voor allerlei industrieën goedkoop genoeg geworden om zich buiten de aarde te vestigen. Aanvankelijk gedreven door ruimtetoerisme is de mensheid nu niet langer een planeetgebonden civilisatie.


Exploitatie van de ruimte Hoe ver zijn we van sciencefiction verwijderd? Bas Theelen EADS Astrium

Wanneer zal de stroom die we gebruiken geleverd worden door enorme satellieten die om de aarde cirkelen? Wanneer zal de eerste goudkoorts in de ruimte uitbreken, waar avonturiers op zoek gaan naar waardevolle mineralen die op aarde maar beperkt te vinden zijn? Dit soort dromen waren lange tijd het domein van sciencefiction schrijvers, maar vandaag worden de eerste stappen gemaakt die wellicht binnen enkele jaren al tot de eerste toepassingen kunnen leiden. Zeker is dat echter allerminst.

Inleiding Het woord exploitatie zegt het al. Er moet geld verdiend worden. Op dit moment wordt alleen met telecommunicatie via geostationaire satellieten winst gemaakt. Er zijn weliswaar drie constellaties (Iridium, Orbcomm en Globalstar) die eveneens telecommunicatiediensten aanbieden, maar alle drie zijn ze eerst bankroet gegaan voordat ze winst maakten. Ook bij aardobservatie wordt bij de verkoop van de informatie die uit de foto’s afgeleid kan worden goed geld verdiend, maar de kosten van de satelliet worden niet in de prijs meeberekend. Het opzetten van een ruimtevaartonderneming die werkelijk alle kosten dekt en dan ook

nog winst maakt, is niet vanzelfsprekend. Hoewel het voor de ruimtevaart geïnteresseerde niet altijd even leuk is om te horen, moet bij dit soort grote ondernemingen aan een duidelijke behoefte voldaan worden. Die miljarden aan investering moeten weer worden terugverdiend. Tot de verbeelding sprekende voorbeelden van exploitatie van de ruimte zijn zonne-energie vanuit de ruimte, mijnbouw op de maan of asteroïden, of productie-installaties die gebruik maken van de geringere zwaartekracht. Dit artikel gaat in op wat de obstakels zijn voor de verwezenlijking van zulke ondernemingen en of we er op kunnen rekenen dat we ze in

Concept voor een ruimtevaartuig voor zonne-energie toepassing. [NASA/Rawlings]


ons leven nog zullen meemaken. Hiervoor worden eerst twee voorbeelden in meer detail bekeken.

Zonne-energie uit de ruimte Een bekend thema is dat de energiebronnen op aarde vroeger of later uitgeput zullen raken en dat we alternatieven nodig hebben. Het wereldomvattende gebruik van energie zal in de komende 20 jaren met 40-50% toenemen en in dezelfde tijd zal de behoefte aan elektriciteit verdubbelen. Een van de alternatieven levert de ruimte, want daar is aan zonne-energie geen gebrek. Het idee stamt al uit de 19e eeuw en is in 1968 door Peter Glaser van het bedrijf Arthur D. Little in meer detail uitgewerkt. Immens grote zonnepanelen in een geostationaire baan om de aarde leveren energie die via microgolven of lasers naar de aarde gestraald kan worden. Dit is een vrijwel ongelimiteerde energiebron. En er zijn genoeg voordelen: het is een van de meest schone vormen van energie die je je kunt voorstellen en in de ruimte heb je geen last van de atmosfeer of dag en nacht. Gemiddeld is er dan ook 10-15 maal zoveel zonlicht voorhanden. En misschien is het nog goedkoop ook, maar daarover zijn de meningen verdeeld. De technologie is op het eerste gezicht voorhanden. Zonnepanelen worden al jaren gemaakt en ook het versturen

57

van energie per radiogolven is al experimenteel bewezen. Het probleem is echter de enorme schaal waarop een dergelijk systeem gebouwd moet worden voordat het rendabel is, zeker in vergelijking met de aardse systemen zoals nucleaire- of zonne-energie. De kosten van het systeem worden bepaald door de constructiekosten (zowel de satellieten als de enorme ontvangststations op de grond) en de kosten om het geheel te lanceren. De zonnecellen die voor ruimtevaarttoepassingen worden gebruikt hebben een efficiëntie waarmee ze zonlicht in energie omzetten van ongeveer 28% BOL (Begin Of Life), dat wil zeggen voordat de efficiëntie door de straling in de ruimte vermindert. Deze efficiëntie wordt elk jaar een beetje beter, maar dat gaat erg langzaam. In tien jaren verwacht men tussen de 35-40% bereikt te hebben en de theoretische limiet ligt net onder de 60%. Vandaag ligt de efficiëntie voor zonnepanelen net boven de 300 W/m2. Om het equivalent van een kleine kernreactor van 300 MW te bereiken, zou er dus een vierkante kilometer nodig zijn, ongeveer 200 voetbalvelden. En dan houden we nog geen rekening met de energieverliezen die optreden tijdens de transmissie naar de aarde. Doordat de zonnecellen aan veel speciale eisen moeten voldoen om de destructieve omgeving in de ruimte te overleven, kosten deze zonnecellen in energie per oppervlakte tientallen malen meer dan hun aardse equivalent. Om massa en dus lanceerkosten uit te sparen, wil men gebruik maken van lichtgewicht structuren en van zonnecellen uit zeer dunne folie. Deze folie, die ongeveer 200 tot 300 micrometer dik is, vervangt dan de huidige zonnepanelen. Het nadeel is dat de efficiëntie behoorlijk naar beneden gaat tot 12-14%, wat nu nog resulteert in ongeveer 100 W/m2. Deze folies zijn op dit moment nog in een experimenteel stadium en uit ervaring blijkt dat de tijd tussen experimenteel stadium en geac-

58

Ruimtekolonies zullen nodig zijn om zonne-energie ten volle te kunnen exploiteren. [NASA]

cepteerde toepassing in de ruimtevaart al gauw meer dan tien jaren ligt. Een ander technisch probleem is de kilometers lange structuur. Die moet niet alleen superlicht zijn, maar ook stabiel; ze moet ook onder veranderende temperaturen niet teveel kromtrekken. In geostationaire baan kunnen de voor-, en achterkant van een zonnepaneel meer dan 100° van elkaar in temperatuur verschillen. Over een afstand van meerdere kilometers kan de structuur dus aardig kromtrekken. Om dit soort, op het eerste gezicht moeilijk oplosbare technische en financiële problemen op te lossen, stellen de meeste organisaties die zich met het thema bezig houden een stapsgewijze ontwikkeling voor. Elke stap moet meerdere technologische doelen verwezenlijken, maar moet natuurlijk ook de haalbaarheid van een profitabel systeem elke keer versterken. Zo gaat het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA bijvoorbeeld uit van een ontwikkelingstraject in vier stappen, over een periode van ongeveer twintig jaar. Hun ontwerp gaat ervan uit dat uiteindelijk een station met een capaciteit van 1000 MW bereikt kan worden. Echter,

zelfs met de aannames van zeer lichte structuren en dunne zonnecellen heeft deze nog altijd een massa van 10 000 ton. Met de huidige Ariane 5, die meer dan 150 M€ per lancering kost, betekent dit meer dan 1000 lanceringen. Ook als we een significante reductie van de lanceerkosten aannemen, blijven de kosten enorm. De totale prijs zal dus gemakkelijk tientallen miljarden Euro’s per station zijn. Als we alleen uitgaan van de technische problemen, dan zal het verwezenlijken van zonne-energie uit de ruimte dus minstens nog een goede twintig jaren op zich laten wachten. Voorspellingen gaan er echter van uit dat tot 2020, de huidige energiebronnen nog aan de vraag aan energie kunnen voldoen. Verder zijn de financiële en politieke belangen zo groot dat het maar de vraag is of het investeren van zulke grote bedragen in zonne-energie uit de ruimte te rechtvaardigen is. Daarbij komen nog enkele vragen betreffende de nationale veiligheid. Allereerst heerst er grote onenigheid over de potentiële effecten voor de volksgezondheid, waardoor het idee politiek niet haalbaar zou kunnen zijn. Ook is een laser van die grootte tegelijkertijd


een wapen dat wereldwijd kan worden ingezet, waardoor een dergelijk project op hevige internationale kritiek kan rekenen. Deze overwegingen zouden deze toepassing dus wel eens tot ver voorbij 2020 kunnen schuiven.

Mijnbouw op de maan Een mogelijke toepassing van de exploitatie van de ruimte die wat dichter bij zou kunnen liggen, is mijnbouw op de maan. Ook hier gaat het echter om enorme bedragen die nodig zijn om dit te verwezenlijken. Prospectors op de maan zullen niet op zoek zijn naar goud of diamanten, maar naar Helium-3 (He3). Van alle materialen op de maan is dit het meest waardevolle en wellicht het enige dat waardevol genoeg is om terug naar de aarde te brengen, aangezien He3 voor energiewinning via kernfusie gebruikt kan worden. Aardse materialen hebben het nadeel dat ongeveer 80% van de geproduceerde energie omgezet wordt in radioactieve energie, wat bij He3 niet het geval is. Het gebruik van He3 wordt zo veilig geacht dat men een reactor zonder problemen midden in de stad kan bouwen.

Het effect van zwaartekracht De energie die nodig is om iets in een baan om de aarde te brengen wordt gemeten in delta-v, het verschil in snelheid die nodig is. Deze delta-v is vooral afhankelijk van de zwaartekracht en dus is het beduidend gemakkelijker om vanaf de maan of vanaf een asteroïde, iets in een hoge baan te brengen dan vanaf de aarde. 0,06 km/s vanaf asteroïde 1982DB 2,37 km/s vanaf de maan 10,00+ km/s vanaf de aarde Dat betekent dat op de lange termijn het financieel gunstiger kan zijn om op de maan of asteroïden geproduceerde materialen naar een baan om de aarde te brengen dan het vanaf de aarde omhoog te schieten.

Helaas bestaat er van He3 maar een paar honderd kilogram op aarde als gevolg van het gebruik van tritium in nucleaire wapens. Op de maan is er echter genoeg van. Er is daar een enorme reserve van ongeveer een miljoen ton die daar in de loop van miljoenen jaren door de zonnewind terecht is gekomen. Dit He3 zou uit het regoliet en de rotsen gehaald kunnen worden met behulp van zonne-energie, waarbij het regoliet tot 1400° verhit moet worden. Om een ton He3 te produceren is maar liefst 200 miljoen ton regoliet nodig, een gigantische operatie. Is het dat waard? 1000 kg He3 zou onge-

Combinatie van zonne-energie en mijnbouw op de maan. [SSI]


veer 10 000 MW per jaar produceren. Met een dergelijke efficiëntie zou een enkele vracht van de spaceshuttle (25 ton) voldoende zijn om de Verenigde Staten een jaar van elektriciteit te voorzien. Met de huidige olieprijs is 1 kg He3 dan ongeveer 3-4 miljoen dollar waard. Dat zou zich dus nog wel eens terug kunnen verdienen, zij het dat we dan wel eerst de installatie op de maan moeten hebben opgebouwd. Het probleem is, ook bij deze vorm van exploitatie, zowel van financiële als van technische aard. De fusie van He3 is bewezen onder laboratoriumomstandigheden, waarbij het met deuterium (een isotoop van waterstof) gecombineerd wordt, maar op het moment kost het gehele proces nog energie, in plaats van dat het energie opwekt. De fusie verloopt onder zeer hoge temperaturen die niet eenvoudig te beheersen zijn. Al met al schat men dat het, met de huidige financiering van fusie onderzoek, nog zo’n 30 jaren duurt voordat de fusie van He3 een geaccepteerde alternatieve bron van energie is waarmee geld verdiend kan worden. Toch geloven sommige mensen dat het wat sneller zal gaan. Hoewel de Outer Space Treaty van 1967 het bezitten van grond op de maan verbiedt, geldt dit verdrag niet voor mineralen die uit de maan gewonnen kunnen worden.

59

Men kan op dit moment dan ook al per internet de eerste rechten op deze mineralen kopen. Gezien het geheel dat nodig is aan investeringen en de technische problemen die nog overwonnen moeten worden, moet men dat echter nogal sceptisch bekijken. Wellicht komt de ruimtekoorts nog een keer, maar zeker niet in de nabije toekomst.

Mijnbouw op asteroïden Wellicht dat een andere toepassing, mijnbouw op asteroïden, nog verwezenlijkt kan worden. Asteroïden komen in vele verschillende vormen voor en zijn ook totaal verschillend van inhoud. Naast ijzer, nikkel en magnesium, verwacht men dat ook zuurstof, goud en platina op sommige asteroïden gevonden kunnen worden. Sommige van deze materialen zouden waardevol genoeg kunnen zijn om naar de aarde te brengen of om te gebruiken voor grote ruimtevaartmissies. Vooral asteroïden die dicht bij de aarde zijn, komen hiervoor in aanmerking. Daarvan zijn er al 400 gevonden en elk jaar komen er zo’n 50 bij. Ongeveer 10% daarvan zijn gemakkelijker te bereiken dan de maan en men verwacht dat ongeveer de helft daarvan waardevol erts bevat. Erg moeilijk is het niet om deze asteroïden te bereiken. Sommige zijn dichterbij dan de maan en als men eenmaal de snelheid heeft bereikt om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen, kost het bereiken van deze soort asteroïden niet veel meer energie. En daar een asteroïde vele malen kleiner is dan de maan of de aarde, is de zwaartekracht eveneens vele malen kleiner en zal het vertrekken van de asteroïde ook geen probleem zijn. De technische uitdagingen zijn hier van een andere aard. Hoe moet men bijvoorbeeld dokken met een asteroïde met zulke lage zwaartekracht, of hoe de asteroïde op te laten houden met roteren. En hoe moet het erts gewonnen worden? Zijn

60

Mijnbouwschepen verlaten een astroïde in de nabijheid van de aarde. [NASA]

deze missies bemand of is een robot voldoende om het werk te doen? Om mijnbouw op asteroïden te verwezenlijken, worden de eerste stappen gezet. Dit gebeurt met wetenschappelijke missies die ons meer moeten vertellen over de samenstelling van de asteroïden en die tegelijkertijd nieuwe technologieën testen. De eerste vlucht naar een asteroïde was de Amerikaanse NEAR Shoemaker missie (Near Earth Asteroid Rendezvous) die uiteindelijk in 2001 landde op de asteroïde Eros. De Japanse Hayabusa (Japans voor valk) is in 2003 gelanceerd en zal in 2007 als eerste materiaal van een asteroïde terugbrengen. Opnieuw zal moeten worden gezien of een dergelijke onderneming winst oplevert en liefst op niet al te lange termijn. Er wordt nogal gespeculeerd hoeveel het materiaal waard is en sommige schattingen gaan uit van honderden miljarden aan erts per asteroïde. De eerste missies die het erts terugbrengen zullen daarover meer informatie verschaffen en over de financiele en technische haalbaarheid van dit soort missies.

Ook hier lijkt het er op dat het nog lange tijd zal duren voordat een eerste exploitatie missie zal plaatsvinden.

De nabije toekomst Is er dan helemaal geen hoop meer dat we de daadwerkelijke exploitatie van de ruimte zullen zien beginnen voordat er een of twee generaties voorbij zijn? Voor de overheid is veiligheid, prestige of wetenschap van belang terwijl de industrie vooral op winst uit is. De investeringen voor de voorstelde missies zijn enorm en het is moeilijk voor te stellen hoe de belangen van de naties de bedragen voor dergelijke doelstellingen rechtvaardigen. Bovendien zijn industrieën niet al te geïnteresseerd in grote investeringen die pas vele jaren later (misschien) geld opleveren. Toch is er wellicht een andere manier waarop het geheel zich wat sneller kan voltrekken. Alle missies die hier boven beschreven zijn, gaan uit van de traditionele manier om met ruimtevaart om te gaan en die zich sinds het Apollotijdperk heeft ontwikkeld. Recentelijk


heeft SpaceShipOne met het winnen van de X-Prize echter bewezen dat er wellicht andere en goedkopere manieren mogelijk zijn. Het lijkt een wat luchthartige sprong van een enkel klein ruimteschip dat net de ruimte heeft bereikt, naar het verwezenlijken van de decennia durende miljardenmissies van de eerdere voorbeelden. Maar is dat zo? De echte ontwikkeling voor SpaceshipOne begon in april 2001 en kostte ongeveer 20 miljoen dollar. De Ariane 5 ontwikkeling duurde vanaf de goedkeuring van het programma bijna tien jaren tot de eerste succesvolle vlucht en kostte ongeveer 500 maal zoveel. Natuurlijk zijn beide programma’s niet met elkaar te vergelijken, maar hebben we echt miljarden kostende technologie nodig om te bereiken wat hier nodig is? Een ander voorbeeld is Space-X, de firma die een nieuw ontwikkelde draagraket op de markt heeft gebracht, de Falcon. Space-X is een volledig commercieel bedrijf, gestart in juni 2002 door Elon Musk, die zelf miljonair geworden is met zijn Internet bedrijf

PayPal. De eerste Falcon vlucht moet in het derde kwartaal van 2005 plaatsvinden, minder dan drie jaren nadat het bedrijf is opgericht. De prijs? Zes miljoen dollar, drie tot vier maal goedkoper dan vergelijkbare raketten. Het doel van Space-X is de lanceerkosten met een factor tien te verminderen. De X-Prize, SpaceshipOne en SpaceX zijn zonder meer katalysatoren die nog veel meer in beweging kunnen zetten. In 2007 is de eerste SpaceX Cup gepland waar verscheidene teams tegelijkertijd zullen starten. En waarom dan niet als volgende doel een asteroïde? Volgens Peter Diamandis, oprichter en president van de X-Prize, zal de eerste commerciële misse naar een asteroïden binnen 10 tot 12 jaar plaatsvinden. Maar wordt dat nu echt wat? Richard Branson, de miljardair-avonturier die de voorzitter is van Virgin Atlantic, heeft besloten 25 miljoen dollar te investeren in Virgin Galactic, een nieuwe ruimtevaartonderneming die de SpaceShipOne technologie zal gebruiken om commerciële suborbitale vluchten aan te bieden voor

200 000 dollar. Een voorschot van 20 000 dollar per klant moet worden betaald. Midden augustus 2005, een paar maanden na de oprichting van Virgin Galactic, is er een waarde van bijna tien miljoen dollar bereikt, dus bijna 500 klanten. De eerste commerciële vlucht is gepland voor 2008 en Branson verwacht dat hij in vijf jaren een capaciteit heeft voor ongeveer 3000 klanten per jaar. Ruimtevaarttoerisme is nog geen exploitatie in de zin van dit artikel, maar het gebeurt, en wel volledig buiten de traditionele ruimtevaartindustrie om. Natuurlijk lost een enkel ruimteschip nog niet de problemen op die nodig zijn om de exploitatie te verwezenlijken. Tegelijkertijd hebben deze wel de recente ontwikkelingen in gang gezet die op zeer korte termijn tot spectaculaire resultaten hebben geleid voor relatief lage kosten. Op de traditionele manier zal het nog decennia duren voordat we exploitatie verwezenlijkt zien. Als we het sneller willen doen, dan kan een nieuwe, commerciële manier om ruimtevaart te bedrijven de juiste zijn.

Asteroïde Eros. [NASA]


61

Interstellaire missies Sciencefiction of een kwestie van tijd? Alessandro Atzei

Iedereen die sciencefiction series of films heeft gezien, weet hoe gemakkelijk het zou moeten zijn. Ruimteschepen zo groot als vliegdekschepen vertrekken achteloos vanuit een aardbaan naar andere sterrenstelsels die zo ver weg liggen dat onze meest geavanceerde telescopen hun licht tot op de dag van vandaag niet hebben waargenomen. Het zijn antimaterie systemen die, indien nodig, de ruimte opvouwen of gebruik maken van wormgaten. Zo worden de lichtjaren verslonden alsof het een ritje met de taxi naar het vliegveld is. Een paar dagen geduld en voor je het weet is ons zonnestelsel niets meer dan een lichtpuntje in de ogenschijnlijk oneindige sterrenzee. Op deze manier lijkt de exploratie van het heelal minder uitdagend dan een expeditie naar Antarctica (zolang de plaatselijke buitenaardse bevolking je niet gebruikt als doelwit voor hun nieuwste superwapen). Het mag duidelijk zijn dat de menselijke fantasie minder te lijden heeft onder de harde realiteit van de natuurwetten dan de ingenieurs en wetenschappers die al decennia lang op zoek zijn naar manieren om de toegang tot de ruimte te vereenvoudigen. Vandaag de dag zijn interstellaire reizen dan ook nog net zo uitdagend als in de beginjaren van het ruimtevaarttijdperk. Tot nu toe is het record voor Voyager 1. Dit in 1977 gelanceerde ruimtevaartuig bevindt zich na bijna 30 jaren in de uiterste regionen van de heliosfeer, vanwaar de eenzame sonde mondjesmate signalen verstuurt. Zonder af te doen aan de schat aan gegevens die deze reiziger heeft opgebracht, is de limiet bijna bereikt. De energie die wordt geleverd door zijn nucleaire krachtbron neemt gestaag af en door de grote afstand en

62

beperkte instrumentatie worden nog maar weinig wetenschappelijke gegevens ontvangen. Men kan zich afvragen waarom het nodig is om missies buiten ons zonnestelsel te ondernemen. De belangrijkste reden is uit wetenschappelijk interesse, om meer te ontdekken over de interactie tussen ons zonnestelsel en het interstellaire medium, over wat gebeurt in de heliopauze. Welke invloed hebben ander sterren op ons zonnestelsel? Wat ligt er nu werkelijk buiten de invloedsfeer van de zon? Is er leven buiten onze aarde? Daarnaast is er de droom van sommigen die hopen dat de mens ooit ons zonnestelsel zal verlaten, op zoek naar andere planeten en om nieuwe buitenposten te vestigen. Voorgaande artikelen hebben al duidelijk gemaakt dat we voor een dergelijk scenario beter niet onze adem in kunnen houden. Het is meer dan waarschijnlijk dat zelfs de meest geduldige optimisten onder ons hun meerdere zullen moeten erkennen in de enorme uitdaging van interstellaire reizen, nu en in de toekomst. Maar laten we niet op de feiten vooruit lopen. Wat kunnen we verwachten op het gebied van reizen buiten ons zonnestelsel? De eerste stap is dus in de jaren zeventig ondernomen. Zonder dat het de bedoeling was, hebben de Voyagers hun verwachtte levenstijd zodanig overtroffen dat ze nu nog steeds op weg zijn – met een slordige 17 km/s – en al ver voorbij de laatste planeten van ons zonnestel zijn. De verwachting is dat de energievoorraad deze ruimtevaartuigen tot ongeveer 2020 in leven kan houden, waarna de uitgeputte Voyagers met blik op oneindig geruisloos hun

weg naar andere sterrenstelsels zullen voortzetten. De daaropvolgende stap is ook genomen. Met behulp van telescopen op aarde en in de ruimte wordt door middel van interferometrie en spectroscopie gezocht naar planeten rondom andere sterren (zie het artikel over astrobiologie). Inmiddels zijn rond de 150 planeten waargenomen. De meeste van deze exoplaneten zijn gasreuzen, vele malen groter dan Jupiter, waardoor de kans op leven zoals wij het kennen zeer beperkt zal zijn. De verwachting is dat zodra de Darwin en TPF telescopen actief zullen zijn, het aantal waargenomen exoplaneten snel zal toenemen en dankzij hun veel hogere ruimtelijke resolutie ook meer kleinere aardachtige planeten zullen worden gevonden. Uiteraard is dit een indirecte manier om de interstellaire ruimte te onderzoeken en biedt het niet dezelfde mogelijkheden als in situ onderzoek. De volgende stap die we op dit gebied kunnen verwachten in de komende 30-40 jaren zijn de zogenaamde heliopauze missies. Hierbij worden sondes gestuurd naar de heliopauze, de grens tussen het enorme magnetische veld van de zon en het interstellaire medium. Dit gebied is zeer interessant omdat hier complexe interacties plaatsvinden tussen de zonnewind met materie en andere fenomenen van buiten ons zonnestelsel. Zelfs naar dit relatief nabije gebied op 100-200 AU is, met onze huidige technologie, een reistijd van 25 jaren een grote uitdaging. Een AU is de afstand tussen de zon en de aarde en bedraagt 150 miljoen kilometer. Op een afstand van meer dan 5 AU is de zonne-energie


al onrendabel en moet naar minder conventionele energiesystemen zoals nucleaire energie worden gekeken. Los van de politieke problematiek van deze energiebron is ook de beschikbaarheid van deze systemen erg beperkt. Aannemend dat in de komende decennia deze problemen zullen worden opgelost, resteren nog de enorme snelheidveranderingen die nodig zijn om aan de aantrekkingskracht van de zon te ontsnappen, om in overzienbare tijd de heliopauze te bereiken. Het is onwaarschijnlijk dat dit met conventionele (lees chemische) voortstuwing zal kunnen. Een optie zou nucleair-elektrische voortstuwing kunnen zijn. Dit zijn elektrische voortstuwingsystemen die worden gevoed door een nucleaire energiebron. Het benodigde vermogen en de hoeveelheid stuwstof (bijvoorbeeld Xenon) zullen een dergelijk ontwerp verre van eenvoudig maken. Een alternatief waar serieus over wordt nagedacht is voortstuwing door middel van zonnezeilen. Mits de nu nog grote vraagtekens bij deze technologie kunnen worden opgelost, zou dit concept de mogelijkheid kunnen bieden om door zeer dicht bij de zon te vliegen genoeg snelheid te krijgen om binnen 25 jaren de grens van ons zonnestelsel te bereiken. Dit is de photonic assist waarbij de zon op een afstand van ongeveer 0.25 AU wordt gepasseerd. Uiteraard blijft dit een lange tijd en zal er veel moeten worden gedaan om de kennis paraat te houden van de ingenieurs en wetenschappers die werkzaam zullen zijn als de sonde eindelijk aankomt. Het overgrote deel van de initiatiefnemers zal tegen die tijd al lang en breed met pensioen zijn. Het voorgaande scenario biedt de mogelijkheid om rond 2040 nieuwe informatie te verkrijgen over de uiterste regionen van ons zonnestelsel en het interstellaire medium dat ons omringt. Maar wat moeten we doen om de daaropvolgende stap te nemen? Om binnen 25 jaren de heliosfeer te bereiken, is een gemiddelde snelheid van


bijna 30 km/s nodig. Stel dat men deze snelheid zou aanhouden voor een reis naar de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, die 4,3 lichtjaren van ons verwijderd is. We zouden meer dan 450 eeuwen moeten wachten, voordat de sonde de naburige ster zou bereiken. Een klein lichtpuntje in de duisternis is dat de 4,3 jaren die het signaal, waarmee de aankomst gemeld wordt, nodig zal hebben om ons te bereiken dan ook niet zoveel meer uitmaakt. Deze simpele maar tegelijkertijd versoberende berekening laat zien dat we technologieën nodig zullen hebben die de gemiddelde snelheid met een factor 1000 kunnen verhogen om Proxima Centauri binnen 50 jaren te bereiken. Het mag duidelijk zijn dat om dergelijke sprongen te maken een doorbraak in de natuurkunde en voortstuwingstechnologie nodig zal zijn, zoals de voorgaande artikelen over voortstuwing en lanceersystemen hebben uitgelegd. Het zal dus nog wel even duren eer we zover zijn. Maar hoe zou zo een missie er dan uit kunnen zien? Een concept is in de jaren zeventig door leden van de British Interplanetary Society bestudeerd en werd het Daedalus project genoemd. Voor dit concept werd uitgegaan van

technologie die binnen afzienbare tijd beschikbaar zou zijn (althans dat was toen de verwachting), om een zo geloofwaardig mogelijk ontwerp te kunnen presenteren. Het hart van de interstellaire sonde was een voortstuwingsysteem gebaseerd op kernfusie. Als doel van de studie werd niet Proxima Centauri gekozen, maar de zogenaamde ster van Barnard, een rode dwerg die 5,9 lichtjaren van ons verwijderd is. De nu achterhaalde reden voor deze keuze was dat men aanwijzingen had dat, in tegenstelling tot Proxima Centauri, deze ster minstens een planeet zou hebben, hetgeen de uitdagende missie zou rechtvaardigen. Het streven was om de ster binnen 50 jaren te bereiken, waarvoor een snelheid van ongeveer 12% van de lichtsnelheid nodig zou zijn. Het gekozen kernfusiesysteem zou gebruik maken van Deuterium en Helium-3 pillen, waarvan er 250 per seconde in een enorme verbrandingskamer zouden worden geïnjecteerd. Geconcentreerde elektronenbundels zouden het fusieproces op gang brengen, terwijl een zeer krachtig magneetveld de nucleaire explosies in bedwang zou houden, waarna het ontstane plasma met ongekende snelheid de motor zou verlaten. In wezen zouden op deze manier gecontroleerde thermonucleaire explosies de

Daedalus. [Joe Bergeron]

63

stuwkracht opwekken die de Daedalus binnen vier jaren de gewenste snelheid zou geven. Het resultaat van dit ontwerp was een onbemand ruimteschip met een massa van 54 000 ton, waarvan 50 000 ton aan Helium-3 en Deuterium en 500 ton aan wetenschappelijke instrumenten, waaronder 18 kleinere sondes met nucleaire ionenmotoren. Een dergelijk gevaarte zou in de ruimte gebouwd moeten worden, aangezien lancering vanaf de aarde onmogelijk zou zijn. Het benodigde Helium-3 zou in de ruimte moeten worden ontgonnen, omdat dit materiaal op aarde zeer schaars is. Een mogelijke bron zou de atmosfeer van Jupiter kunnen zijn, mits een manier gevonden zou worden om het Helium-3 uit de atmosfeer te winnen, wat door de zeer sterke straling rond de gasreus en zijn enorme aantrekkingskracht verre van eenvoudig zou zijn. Een alternatief zou kunnen liggen in de ontginning van de maan. Aannemende dat de benodigde hoeveelheid stuwstof beschikbaar zou komen om het kernfusieproces op gang te houden, zou de Daedalus door middel van een tweetrapssysteem de gewenste snelheid bereiken. De eerste trap zou in twee jaren het gevaarte tot 7% van de lichtsnelheid versnellen, waarna de tweede trap de sonde in eveneens twee jaren de gewenste 12% van de lichtsnelheid zou geven, om met deze snelheid na 46 jaren de doelster te bereiken. Reizen met dergelijke snelheden gaat niet zonder problemen. De kleinste micrometeorieten zouden bij deze snelheid een enorme energie vrijgeven. Een deeltje van één gram zou bij een botsing met de aanstormende Daedalus dezelfde energie vrijgeven als 150 ton TNT. Een schild combinatie zou hiertegen de oplossing moeten bieden. Een zeven millimeter dik schild van Beryllium aan de voorkant van het schip met een totale massa van 50 ton en daarvoor, op een afstand van zo’n 200 km, een kunstmatig gegenereerd

64

Melkwegstelsel. [Starry Night]

veld van deeltjes, dat in aanraking zou komen met de rondzwevende micrometeorieten. De deeltjes zouden bij de botsing omgezet worden in een superheet plasma, dat door het Beryllium schild zou worden tegengehouden. Nu moet worden opgemerkt dat los van de technologische uitdagingen, rekening moet worden gehouden met nog een complicatie. Voor dit ontwerp werd geen voorziening getroffen om het voertuig bij aankomst af te remmen. Dit zou per slot van rekening dezelfde hoeveelheid stuwstof kosten als gebruikt was voor het versnellen tot 12% van de lichtsnelheid. Dus een slordige 50 000 ton aan uiterst schaars materiaal, dat op zijn beurt ook nog versneld zou moeten worden, wat de massa van het gevaarte met een sneeuwbaleffect zou vergroten. Het zoeken naar tekenen van leven en leefbare planeten zou dus al ruim van tevoren moeten worden gestart met geavanceerde telescopen en de eerder genoemde sondes, omdat bij de enorme snelheid van wachten tot de aankomst geen sprake zou kunnen zijn.

Het mag duidelijk zijn dat als de Daedalus in de categorie van meest realistisch concept hoort, het uiterst onwaarschijnlijk is dat een dergelijke missie in de komende eeuw zal plaatsvinden. Sterker nog, het zal naar alle waarschijnlijkheid sciencefiction blijven, tenzij grote doorbraken plaatsvinden in de benodigde technologie en in de beleving van ruimtevaart door de maatschappij. Want zonder die onontbeerlijke publieke steun zal technologische vooruitgang alleen niet genoeg zijn. Tot die tijd zullen interstellaire reizen voor de mens alleen plaatsvinden in onze fantasie, het liefst terwijl we op een heldere nacht staren naar de ontelbare sterren aan de hemel. Hierbij zullen we dan met moeite beseffen dat sommige fonkelende lichtpuntjes afkomstig zijn van opgebrande sterren, zo ver weg, dat hun licht het enige bewijs is dat ze ooit, soms miljarden jaren geleden, bestaan hebben.


Ruimtevaart. Inhoud. Jaargang 54 Nummer 5. De toekomst van touw Ir. Michiel Kruijff. Introductie Redactie

Recommend Documents