2.3.2 KUNSTMANEN, RUIMTESONDES EN RUIMTESTATIONS

Ruimtesondes zijn onbemande ruimtevaartuigen die worden gebruikt voor onderzoeksdoeleinden in het universum. In tegenstelling tot satellieten die om de aarde draaien, reizen ruimtesondes naar verder gelegen doelen, zoals andere planeten en zelfs plaatsen buiten ons zonnestelsel. Zo hebben de ruimtesondes Voyager 1 en 2, die in 1977 gelanceerd werden, ondertussen ons zonnestelsel verlaten. Ze bevinden zich momenteel in de interstellaire ruimte en sturen nog altijd waardevolle informatie terug naar de aarde.

Op 14 april 2023 werd de onbemande interplanetaire ruimtesonde JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) gelanceerd door ESA. Als alles goed verloopt, komt JUICE in juli 2031 bij de grootste manen van Jupiter aan, om daar sporen van levensvormen of de mogelijkheid tot leven te onderzoeken.

Kunstmanen zijn satellieten die rond de aarde of andere planeten draaien. Ze kunnen zowel bemand als onbemand zijn. Bemande kunstmanen, zoals het ISS (International Space Station), zijn vooral gericht op onderzoek in een omgeving zonder zwaartekracht. Onbemande kunstmanen voorzien ons van allerlei informatie (bv. weersvoorspelling, plaatsbepaling en spionage). Bekende ruimteagentschappen, zoals NASA en ESA, maar ook landen zoals Japan, China en India, lanceren vaak satellieten om de aarde voor variërende doeleinden, waarbij ook internationaal prestige een rol speelt.

Op iDiddit vind je een animatie over het ISS.

2.4 SATELLIETBANEN

2.4.1 GEOSTATIONAIRE BANEN

Een geostationaire satelliet (Eng. Geostationaire Earth Orbit of GEO) bevindt zich constant boven hetzelfde punt op aarde. De omlooptijd van een geostationaire satelliet is dus exact gelijk aan de rotatietijd van de aarde. Dat is enkel mogelijk in het equatoriale vlak, op een gemiddelde afstand van 35 800 km van de aarde. Globaal observerende meteorologische satellieten, zoals die van de Meteosat-familie, zijn geostationaire satellieten. Een waarnemer op de evenaar ‘ziet’ de satelliet 24 uur aan één stuk in het zenit staan.

2.4.2 POLAIRE BANEN

Voor onderzoekstoepassingen is een ander type satelliet nodig, namelijk de polaire satelliet (Eng. Low Earth Orbit of LEO), aangezien die beelden met hoge resolutie kan maken. Die satellieten scannen een smalle strook van de aarde, variërend tussen 65 en 180 km breed, van noord naar zuid of omgekeerd. Gedurende één omwenteling van de satelliet rond de aarde is de aarde weer een klein beetje verder rond haar as gedraaid. Polaire satellieten cirkelen gemiddeld op een hoogte tussen 450 en 1 000 km boven de aarde en doen gemiddeld 90 minuten over een rondje. Op die manier begint de satelliet telkens aan de verkenning van een nieuw strookje aarde.

Op iDiddit vind je enkele animaties over polaire en geostationaire satellieten.

2.4.3 OBLIEKE BANEN

Dit zijn satellieten die in een baan rond de aarde bewegen die schuin hellend op het evenaarsvlak staat en dus niet over de Noord- en Zuidpool vliegen. De schuin hellende banen noemen we oblieke banen (Eng. Highly Elliptical Orbit of HEO). Bij onderzoek naar tropische plantengroei bijvoorbeeld, laat men de baan een kleine hoek maken met het evenaarsvlak. Terwijl de satelliet altijd in hetzelfde vlak blijft draaien, draait de aarde onder de satelliet door. Dit is berekend op zo’n manier dat de satelliet altijd op hetzelfde tijdstip boven een bepaalde plaats voorbijkomt, bij voorkeur wanneer de zon hoog aan de hemel staat. Daardoor is de invalshoek van het licht telkens gelijk en bevinden de satellieten zich altijd boven een belicht deel van de aarde. Eén omwenteling van dit soort satellieten duurt 101 minuten.

2.5 STRALING ALS INFORMATIEDRAGER

We kunnen het heelal niet aanraken om het te onderzoeken. Zelfs de toestellen waarmee we werken, komen niet in direct contact met de voorwerpen die bestudeerd worden. Om informatie te verzamelen over het heelal, maken we gebruik van teledetectie of remote sensing, onderzoek op basis van indirecte waarneming.

2.5.1 INFORMATIE OVER CHEMISCHE SAMENSTELLING

Wanneer het licht van de zon door een prisma valt, valt het uiteen in de verschillende kleuren van de regenboog. Hete lichtbronnen zoals sterren zenden een bijna continu spectrum van licht uit.

Wanneer het licht van een ster door een wolk van materiaal gaat, wordt een deel van het licht geabsorbeerd en verschijnen er absorptielijnen in het spectrum. Dat materiaal kan de buitenste lagen van een ster zijn, een interstellaire gaswolk of een stofwolk. De zwarte absorptielijntjes heten fraunhoferlijnen. De plaats van die lijnen in het spectrum leert ons veel over de chemische samenstelling van een ster.

2.5.2 INFORMATIE OVER DE WARMTETOESTAND (TEMPERATUUR)

Uit de hoeveelheid energie die op verschillende golflengten wordt uitgestuurd, kunnen we de oppervlaktetemperatuur van een ster afleiden. Hoe korter de overheersende golflengte is, hoe hoger de temperatuur wordt. De kleur van de ster verschuift daarbij van rood over geel naar blauw.

2.6 TELEDETECTIE IN VERSCHILLENDE SPECTRAALBANDEN

De elektromagnetische straling afkomstig uit de kosmos, wordt door verschillende soorten telescopen opgevangen en digitaal verwerkt, net zoals in een digitaal fototoestel. Daarvoor gebruikt men een zogenaamde CCD-chip (Charge Coupled Device = ladinggekoppeld element, fig. 1.19a). Dat is een lichtgevoelig halfgeleiderelement opgebouwd uit een groot aantal siliciumdioden. Als er straling op valt, wordt de pixel afzonderlijk opgeladen. Die ladingen worden uitgelezen in de vorm van elektrische impulsen (fig. 1.19b). Om die straling zichtbaar te maken, wordt volgens de intensiteit van de straling een kleurencode toegevoegd (fig. 1.19c).

3 Het Nut Van Ruimtevaart

Heel wat mensen beseffen te weinig dat we in ons dagelijks leven afhankelijk zijn van de technologie van de ruimtevaart. Naast de directe toepassingen van ruimtetechnologie (zie 3.1), zijn er ook afgeleide toepassingen die hun oorsprong vinden in de ruimtevaart en nu alomtegenwoordig zijn. Dat noemen we spin-offs (zie 3.2).

3.1 TOEPASSINGEN

3.1.1 COMMUNICATIESATELLIETEN

Dankzij communicatiesatellieten kunnen we supersnel op het internet surfen en sportevenementen van over de hele wereld live bekijken. Tegenwoordig zijn dit soort satellieten voornamelijk nog nodig in afgelegen gebieden (waar geen reguliere communicatieinfrastructuur beschikbaar is) of in conflictgebieden. Het bedrijf SpaceX heeft sinds 2019 meer dan 3 000 satellieten in omloop gebracht in het Starlink-project. Dankzij die satellieten kan bijvoorbeeld Oekraïne blijven communiceren wanneer mobiele netwerken en landverbindingen uitvallen.

3.1.2 WEERSATELLIETEN

Tegenwoordig kunnen we het weer vrij nauwkeurig voorspellen, zelfs voor een iets langere periode. Dat is mogelijk doordat satellieten ons foto’s van wolkenvelden doorsturen, waardoor meteorologen een beter inzicht krijgen in de weersomstandigheden.

3.1.3 SPIONAGESATELLIETEN

Spionagesatellieten hebben als doel informatie te verzamelen over mogelijk vijandige landen, om zo de veiligheid van het eigen land te garanderen. Daarnaast kan spionage ingezet worden voor economische of politieke doeleinden. Met behulp van deze satellieten kunnen gedetailleerde opnames van een terrein of een voorwerp gemaakt worden, zelfs tot ver over de eigen landsgrenzen heen.

3.1.4 OBSERVATIESATELLIETEN

Observatiesatellieten leveren een verhelderend globaal overzicht op van onze aarde en maken het tegelijk mogelijk om in te zoomen op details van bewoonde en onbewoonde gebieden op onze planeet. We gebruiken ze om bosbranden te monitoren en de toenemende vervuiling in zeeën en oceanen op te volgen. Bovendien kunnen we overzichtsbeelden krijgen van de vegetatiezones in de wereld, het smelten van de ijskappen, de uitbreiding van woestijnen, de versnelde afname van de oppervlakte van het tropisch regenwoud, enz.

Daarnaast maken observatiesatellieten het mogelijk om de situatie van het milieu op globale schaal in kaart te brengen. Zo kunnen we bijvoorbeeld de verspreiding van as in de atmosfeer bij vulkaanuitbarstingen opvolgen, de toename of afname van de ozonconcentratie meten en de wereldwijde opwarming van de atmosfeer (broeikaseffect) monitoren. Dat geeft wetenschappers en beleidsmakers waardevolle informatie om het milieu te beschermen en duurzame oplossingen te ontwikkelen.

3.1.5 NAVIGATIESATELLIETEN

Het gebruik van gps-systemen bij verplaatsingen is tegenwoordig vanzelfsprekend, maar die technologie is enkel mogelijk dankzij navigatiesatellieten die in een baan rond de aarde draaien.

Satellietnavigatie berust op een eenvoudig principe: je hebt een ontvangsttoestel nodig met een ingebouwde klok die gesynchroniseerd is met de atoomklok van de satellieten. De nauwkeurigheid van de plaatsbepaling hangt af van het aantal satellieten waarvan signalen ontvangen worden. Er zijn minstens vier satellieten nodig voor een betrouwbare plaatsbepaling. De vierde is nodig ter controle. Hoe meer satellieten, hoe nauwkeuriger de positie berekend wordt. Niet enkel het aantal satellieten, maar ook hun onderlinge positie bepaalt de nauwkeurigheid.

Satellieten sturen twee signalen naar jouw toestel: hun eigen positie rond de aarde en het exacte tijdstip van verzending. Die signalen reizen met een snelheid van 300 000 km/sec naar jouw toestel, dat ze iets later ontvangt. Het tijdsverschil wordt gebruikt om de afstand tot de satellieten en de hoogte van de satelliet te berekenen, zodat jouw ontvanger je coördinaten en hoogteligging kan bepalen. Om te achterhalen met welk navigatiesysteem je smartphone is verbonden, kun je de app Satellite Check installeren.

3.2 SPIN-OFFS

Men schat dat NASA de afgelopen 50 jaren meer dan 1 600 spin-offs ontwikkeld heeft. We geven enkele voorbeelden.

Miniaturisatie is een verzamelnaam voor microsysteemtechnologie en nanotechnologie. De onderdelen van toestellen worden steeds kleiner, soms tot op 1/1 000 000 mm (= 1 nanometer) grootte, zoals bij de productie van chiponderdelen. De ruimtevaart heeft door de noodzaak om componenten van satellieten zo licht, compact en efficiënt mogelijk te maken, veel bijgedragen aan de ontwikkeling van miniaturisatie.

De ontwikkeling van verschillende soorten gereedschap vindt haar oorsprong in de ruimtevaart. Denk bijvoorbeeld aan de snoerloze boormachine, die oorspronkelijk ontworpen was voor de Apollomissies naar de maan.

In de jaren 1960 ontwikkelde NASA voor het Apolloproject een technologie om maanfoto’s in alle details te kunnen bestuderen. Selfies maken, foto’s uploaden ... Het zou allemaal niet mogelijk zijn zonder deze technologie.

De vooruitgang in digitale beeldbewerking is van onschatbare waarde voor de medische sector, waar het mogelijk is om MRI- en CT-scans op een scherm te visualiseren. Om die beelden te kunnen weergeven en verwerken, zijn enorme hoeveelheden gegevens nodig. De technologie achter die dataverwerking is afkomstig uit de ruimtevaart.

Uit de technologie van de Space Shuttle zijn niet alleen miniatuurhartpompen en materialen voor orthopedische geneeskunde (zoals kunstgewrichten) voortgekomen, maar ook bloeddrukmeters en hartmonitoren, die nu onmisbaar zijn.

De ruimtevaart ging op zoek naar nieuwe vormen van energie om de ruimtetuigen te voorzien van energie. De zon was de meest voor de hand liggende bron van energie die in het heelal beschikbaar was, en dus zocht men naar manieren om zonne-energie om te zetten in energie voor ruimtetuigen. In 1958 werd de eerste kunstmaan gelanceerd die was uitgerust met zonnepanelen. Tegenwoordig zijn zonnepanelen niet meer uit ons straatbeeld weg te denken.

De basis voor warmtedekens is de Mylarfolie. Dat is een gemetalliseerde, weerspiegelende en isolerende plastic folie die oorspronkelijk werd gebruikt om ruimtetuigen te beschermen tegen de hitte van de zon. De zogenaamde ‘space blankets’ werden voor het eerst gebruikt tijdens het Apollo-maanprogramma en bleken al snel een onmisbaar hulmiddel te zijn voor reddingswerkers.

3.3 NADELEN VAN RUIMTEVAART

Hoewel de voordelen van ruimtevaart niet te ontkennen zijn, zijn er ook enkele belangrijke nadelen die we niet over het hoofd mogen zien.

De enorme kostprijs van onderzoek, voorbereiding, lanceerbases, materiaal, enz.

Het gebrek aan duurzaamheid: veel dure, eenmalig gebruikte raketten.

Het is niet altijd veilig. Lijsten van ongevallen en incidenten met ruimtevaartuigen zijn vrij beschikbaar op het internet. Voor NASA is 1 februari een dag van herinnering. De organisatie herdenkt op die dag de mensen die zijn omgekomen bij verschillende missies.

Het is absoluut niet goed voor het milieu: niet alleen het brandstofverbruik en de uitlaatgassen bij de lancering zijn een probleem, maar ook de enorm kostbare grondstoffen die nodig zijn om het materiaal te maken. Bovendien liggen lanceerbasissen vaak in afgelegen natuurgebieden die hierdoor verstoord worden.

Het probleem van ruimte-afval. Veel ruimtetuigen blijven na gebruik (als de energie en/of het materiaal opgebruikt zijn of ze zich te ver van de aarde bevinden om nog signalen door te geven) in de ruimte rondzweven. Er zijn ondertussen erg veel objecten in de ruimte, zelfs een Tesla, die kunnen ontploffen of op elkaar botsen en dan in duizenden kleine brokstukken blijven rondvliegen en een nog groter gevaar vormen voor andere, nog werkende, satellieten en ruimtesondes. Het Europese ClearSpace heeft een project opgestart om ruimteafval op te kuisen.