Van Spacelab tot Gateway: 40 jaar modules voor mensen in de ruimte

 Na Spacelab volgde ESA’s Columbus-laboratorium, naast vele andere modules van het internationale ruimtestation, zoals Node 2, Node 3 en de Cupola die de aarde observeert, de ATV en het Cygnus-ruimtevrachtschip, de Europese servicemodule voor de Lunar Orbiter van de Orion, modules voor het particuliere Axiom-ruimtestation en nu cruciale elementen van het Gateway-station dat in een baan om de maan zal draaien. 

De industriële nalatenschap van Spacelab spreekt voor zich. De betrokken bedrijven zijn sinds de jaren 70 verschillende keren van naam veranderd, maar nog steeds worden in Turijn (Italië) drukschalen geproduceerd van de voor de ruimtevaart geschikte aluminium-koperlegering 2219, in een bedrijfspand dat tegenwoordig door Thales Alenia Space wordt gerund.

 In sommige gevallen worden deze schalen ter plekke in Turijn geïntegreerd, zoals in het geval van de Gateway-modules van ESA. Voor andere productlijnen, zoals de ESM's voor de Orion, worden deze in Bremen (Duitsland) in integratiehallen voorzien van apparatuur die nodig is om deze ruimteklaar te maken, zoals meer dan vier decennia geleden werd gedaan voor Spacelab. Tegenwoordig maken deze hallen deel uit van een bedrijfspand van Airbus Defence and Space. 

Vacuüm onder controle houden

Drukschalen zijn een fundamenteel onderdeel van het ontwerp van de module om het uitwendige vacuüm op afstand te houden. Deze zijn gemaakt van metalen platen van een paar millimeter dik, in de vorm van cilinders, met kegelvormige uiteinden. Spacelab was 6,7 m lang met een diameter van 4,1 m. Dit werd bepaald door de afmetingen van het vrachtruim van de Shuttle waarin het werd vervoerd. Columbus en de andere ISS-modules van Europese makelij hebben om dezelfde reden een iets grotere diameter. 

Ter vergelijking, ESA's International Habitat-module voor de Gateway, I-Hab, is ongeveer 8 m lang maar heeft een diameter van slechts 3 m, dezelfde breedte als de in Turijn gemaakte drukschaal voor de ISS-bevoorrader Cygnus. ESA's andere Gateway-module, de ESPRIT-bijtankmodule, is 6,4 m lang en 4,6 m in diameter, hoewel een groot deel van het volume in beslag wordt genomen door brandstoftanks- en een druktunnel met een raam waar astronauten doorheen kunnen, met dezelfde lengte en diameter als I-Hab.

"Gateway-elementen zijn misschien kleiner dan voorgaande Europese modules, maar deze moeten ook sterker zijn," legt materiaal- en procesingenieur Joao Gandra van ESA uit. "Het grote verschil is dat deze nu, net als bij Europa's nieuwste Axiom- en Cygnus-drukschalen, worden gelast met behulp van 'wrijvingsroerlassen', waarbij metalen zachter worden in plaats van smelten en wrijving wordt toegepast om deze samen te voegen. Terwijl traditioneel lassen spanningen in de verbindingen kan veroorzaken, zorgt deze techniek voor sterkere lassen met betere prestaties." 

"Tegenwoordig worden al onze modules op deze manier geproduceerd," voegt Walter Cugno, Vicepresident Exploration and Science bij Thales Alenia Space en als product assurance engineer betrokken bij Spacelab, hieraan toe. "Ons vermogen om onder druk staande elementen te leveren, dat in eerste instantie is opgebouwd via ESA-projecten, aangevuld met bilaterale overeenkomsten tussen de Italiaanse ruimtevaartorganisatie ASI en NASA om ISS-modules te produceren, is een belangrijke troef voor alle menselijke verkenningsinitiatieven in een lage baan om de aarde, op de maan en uiteindelijk op Mars." 

Het I-Hab zal als woonruimte dienen voor crews van vier personen van de meerdere modules van de Gateway, voor telkens maximaal 30 dagen.

Mark Wagner, hoofd van ESA's team voor Lunar Gateway Baseline, Verification and Assembly, Integration and Testing, zorgt ervoor dat de module klaar is voor gebruik voor de lancering, die momenteel gepland staat voor 2028. 

Samenwerken met Gateway-partners

Mark legt uit: "Dit is slechts één module die deel uitmaakt van een station met meerdere modules. We moeten dus controleren of I-Hab compatibel is met alle interfaces die zijn overeengekomen met onze partnerorganisaties zoals NASA, de Canadese ruimtevaartorganisatie en de Japan Aerospace Exploration Agency. Bovendien lopen onze ontwikkelingsschema's niet gelijk: de vlucht van NASA's HALO-module, waarvan de drukschaal ook uit Turijn komt, en van het stroomvoorzienings- en voortstuwingselement staat als eerste gepland. We moeten er zeker van zijn dat alle intermodulaire interfaces en functies compatibel zijn met de rest van het internationale Gateway-programma. 

"Het systeem voor klimaatbeheersing en levensondersteuning van I-Hab, dat door JAXA aan ons wordt geleverd, moet bijvoorbeeld samenwerken met het equivalent daarvan in HALO.  Het thermische regelsysteem van de I-Hab-module is via warmtewisselaars verbonden met de andere modules en bezoekende voertuigen, waardoor het de hele Gateway bedient en ervoor moet zorgen dat de warmtelast via externe radiatoren naar de diepe ruimte wordt afgevoerd. Deze en andere gekoppelde systemen moeten feilloos samenwerken."

Kleine ruimtes

De relatief kleine afmetingen van I-Hab werden bepaald door de beperkingen van de lanceermassa. De ontwerpers van de module stonden voor de uitdaging om alle benodigde systemen in slechts 10 kubieke meter bewoonbaar volume te stoppen, inclusief wetenschappelijke apparatuur, kookfaciliteiten waaronder een uitschuifbare keukentafel, voorraden, levensondersteunende voorzieningen en zelfs een viertal privécabines om te slapen. 

"De vorige ISS-modules, zoals het eerdere Spacelab, waren ontworpen met een boven- benedenoriëntatie omdat astronauten dat makkelijker vinden om mee te werken. Met de I-Hab beschikken we echter niet over die luxe, omdat we alle beschikbare ruimte zo efficiënt mogelijk moeten gebruiken en tegelijkertijd moeten voldoen aan alle eisen die aan de menselijke factor en de prestaties van de crew worden gesteld."

Voorlopig is er echter nog geen toilet: daarvoor moet de crew even terug naar Orion. De eerste expedities zullen hun eigen verbruiksgoederen mee moeten nemen. Dat is een van de redenen, naast de hoge stralingsniveaus in de diepe ruimte, waarom de missies beperkt zullen blijven tot 30 dagen per keer. Het grootste gedeelte van elk jaar zal er daardoor niemand aan boord van de Gateway zijn en moet er dus toezicht op worden gehouden. 

Testen door astronauten

Om te controleren of I-Hab een geschikte plaats is om in te leven en te werken, heeft het ontwikkelingsteam van de module zich gewend tot ervaren ESA-astronauten, waaronder Samantha Cristoferreti, Alexander Gerst en Luca Parmitano, voor een eerste menselijke beoordeling van het ontwerp. Er zullen ook menselijke testcampagnes worden uitgevoerd op basis van een representatieve proefopstelling van I-Hab die bij Thales Alenia in Turijn is geïnstalleerd. Ook zal er gebruik worden gemaakt van VR en in de toekomst zullen die twee worden gecombineerd in de vorm van augmented-reality toepassingen.

"We willen echt gebruikmaken van de ervaring die ze tijdens hun werk in een baan om de aarde aan boord van het ISS hebben opgedaan," voegt Mark toe. "Ze helpen ons ontwikkelingsteam om allerlei variabelen te controleren, zoals de kwaliteit van de verlichting, de leesbaarheid van etiketten, de indeling van de nooduitgangen en zelfs hoe geschikt de compartimenten voor de crew zijn voor privacy en slaap." I-Hab streeft naar dezelfde werkomgeving in hemdsmouwen als in het Spacelab en de ISS-modules, met een temperatuur van 22°C en een luchtvochtigheid van 50%, hoewel de atmosferische druk 0,7 atmosfeer zal zijn in vergelijking met de druk op zeeniveau die op het station heerst, om de massa omlaag te brengen.

Mark voegt hieraan toe: "Ondanks dat I-Hab kleiner is, zal het meer inclusief zijn in de zin dat het ontwerp van de accommodatie geschikt is voor 99% van de astronauten. Dit betekent dat zowel de allerkleinste vrouwelijke astronauten als de grootste mannelijke astronauten in staat zullen zijn om de apparatuur gemakkelijk en comfortabel te bedienen, zoals het openen van luiken of het snel loskoppelen van vloeistofleidingen, vergeleken met 95 procent bij het ISS." 

De beoordeling van het voorlopige ontwerp van de I-Hab is afgerond en het project bevindt zich momenteel in de gedetailleerde ontwerpfase. Voor de tweede door ESA geleverde Gateway-module, de ERM ofwel de ESPRIT bijtankmodule, wordt momenteel de laatste hand gelegd aan de contractuele overeenkomst. De beoordeling van het voorlopige ontwerp wordt binnenkort verwacht. 

Dit nieuwste voorbeeld van de ontwikkeling van een Europese bemenste module heeft een ontwerplevensduur van 15 jaar, maar te oordelen naar het voorbeeld van het ISS zal de module waarschijnlijk veel langer in bedrijf blijven.

Op basis van de huidige architectuur van de Lunar Gateway zal meer dan de helft van dit inspirerende ruimtestation van Europese makelij zijn. 

En het lijkt erop dat Europa's basismodel voor Spacelab-modules nog verder de ruimte in zal gaan, nu ASI en Thales Alenia Space onlangs een contract hebben getekend voor het ontwerpen van modules voor het maanoppervlak, als onderdeel van een toekomstige maanbasis.