Sloshsat zet grote stap vooruit in klotsonderzoek
Gooi een half gevuld flesje water door de lucht en hij beweegt door het klotsen van het water langs een nauwelijks te voorspellen route. Dat probleem doet zich ook voor bij ruimtevaartuigen met vloeibare stuwstof in de brandstoftanks, dus is het van groot belang dit geklots onder controle te houden.
Om deze controle te optimaliseren, onderzoekt de Sloshsat-satelliet twee weken lang hoe vloeistoffen zich in de ruimte gedragen. Vrijdag wordt de kubus met aan boord ruim 33 liter water vanaf Kourou, Frans Guyana gelanceerd. Klotswetenschappers staan paraat met theoretische modellen, onderzoeksvragen en praktijkexperimenten.
Sloshsat kent een lange geschiedenis, die in 1977 begon met de ontwikkeling van theoretische modellen. Het ‘brein’ achter die modellen was de grote computer van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR), met aan boord één megabyte werkgeheugen. Om de berekeningen vervolgens aan de praktijk te toetsen, voerden Ulf Merbold en Wubbo Ockels klotsexperimenten uit tijdens hun Spacelab missies in 1982 en 1985. De wetenschappelijke resultaten waren beperkt, dus ging het klotsexperiment in de herkansing aan boord van een MASER sondeerraket in 1992.
Stroomversnelling
Daarna kwam het klotsende water in een stroomversnelling terecht. Computers werden sterker en driedimensionale modellen kwamen op. In 1992 kreeg het onderzoek naar klotsen een nieuwe impuls met de ontwikkeling van een op maat gesneden satelliet: Sloshsat. Arthur Veldman, hoogleraar wiskunde aan de Rijksuniversiteit Groningen (RuG), is sinds die eerste dagen één van de Sloshsat-onderzoekers. Voor hem is klotsen bijna een wetenschapsgebied: ‘In de ruimtevaart wordt veel gebruik gemaakt van vloeibare stuwstof. Vooral bij koppelingsmanoeuvres of baancorrecties staat veel op het spel. Je moet dus wel weten hoe je het zaakje koest kunt houden.’
Dat is precies wat Sloshsat twee weken lang gaat onderzoeken. Hoe reageert vloeistof op bepaalde bewegingen en hoe krijg je klotsend water weer onder controle? Om zijn verhaal inzichtelijk te maken, heeft Veldman altijd drie petflesjes met water in de boekenkast van zijn werkkamer staan. ‘Kijk, als ik dit volle flesje water omhoog gooi, dan draait het lekker door en kan ik het makkelijk vangen. Ik weet namelijk hoe het gaat bewegen. Van het lege flesje is ook redelijk te voorspellen hoe het terechtkomt. Maar een half met water gevuld flesje draait anders. Het water klotst en zorgt voor rare bewegingen. Die bewegingen willen we beter leren kennen.’
Capillaire krachten
Een complicerende factor in de ruimtevaart is gewichtloosheid. Water en flesje worden niet één kant op getrokken, zoals op aarde, maar blijven gaan als je ze ergens heen gooit. In plaats van zwaartekracht, krijgt het water te maken met capillaire krachten, die er bijvoorbeeld voor zorgen dat het oppervlak van water niet bollend is, maar juist hol. Dat heeft te maken met de contacthoek van het water, de manier waarop het water tegen de tank leunt. In gewichtloze omstandigheden is die contacthoek anders dan op aarde.
De Sloshsat-proef ‘Flat-Spin’ moet deze theorie toetsen. Eenmaal in een ellipsvormige baan (170 – 36.000 km) rond de aarde, laat Jan Vreeburg van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) de satelliet vrij tuimelen. De tank en de vloeistof maken vervolgens samen uit wat er gebeurt. Uiteindelijk zal de satelliet gaan draaien rond een stabiele as, in wetenschappelijke termen: die met het grootste traagheidsmoment. Hoe snel gaat dat? Welke effecten spelen een rol? En komen die met de voorspellingen met theoretische modellen overeen?
Koppeling
De gegevens uit de Flat-Spin proef kunnen gebruikt worden om baancorrecties van satellieten te optimaliseren. Een andere proef is ontworpen om hetzelfde te doen voor de koppelingsmanoeuvre. Vanuit een evenwichtsstand krijgt Sloshsat te maken met kleine verstoringen. Net als het Europese onbemande vrachtschip ATV bijvoorbeeld, dat lading van en naar het internationale ruimtestation gaat brengen. Wetenschappers zoeken met Sloshsat naar de manoeuvres die koppelingen zo soepel mogelijk laten verlopen.
Deze en andere proeven beslaan een totale experimenteertijd van 24 uur, verdeeld over twee weken. Tussen de verschillende manoeuvres en metingen door krijgt het water de kans tot rust te komen en worden de batterijen opgeladen via zonnepanelen. Daarna worden nieuwe commando’s gevoed vanaf het ESA grondstation in Kourou, Frans Guyana, met behulp van ESA’s controlecentrum in Darmstadt, Duitsland. In de twee weken dat Sloshsat operationeel is, kunnen de partners, waaronder het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR) de satelliet in ‘realtime’ volgen via het internet bij het technisch centrum van ESA (ESTEC) in Noordwijk. Veldman kan niet wachten: ‘Met Sloshsat komen we een heel eind verder in de wetenschap van het klotsen.’
