Nieuwe vorm van voortstuwing van ruimtevaartuigen voorgesteld voor missie Uranus

De mensheid heeft slechts een handvol ruimtevaartuigen naar het buitenste zonnestelsel gestuurd voorbij de asteroïdengordel. Er waren de Pioneers en Voyagers die de aarde in de jaren zeventig verlieten. De Galileo-missie ging in 1989 naar Jupiter en Cassini-Huygens naar Saturnus in 1997. Ten slotte verliet de New Horizons-missie de aarde in 2006 en is momenteel op weg naar Pluto en de Kuipergordel.

Een probleem met deze missies is de enorme tijd en kosten die ermee gemoeid zijn. Galileo deed er 6 jaar over om Jupiter te bereiken en kostte ongeveer $ 1,6 miljard, terwijl Cassini-Huygens er 7 jaar over deed om bij Saturnus te komen en bijna evenveel kostte.

Nu stelt een door Finland geleid team een ​​missie naar Uranus voor, aangedreven door een exotische nieuwe vorm van voortstuwing die momenteel wordt getest in een baan om de aarde. Deze voortstuwing werkt op zonne-energie en heeft dus geen drijfgas aan boord nodig. En het kan een sonde naar Uranus sturen in ongeveer dezelfde tijd als Galileo nodig had om Jupiter te bereiken, die minder dan de helft zo ver weg is. Maar de kosten van zo'n missie zijn nog niet duidelijk.

Een probleem voor sondes die het buitenste zonnestelsel bezoeken, is het genereren van de snelheid die nodig is om daar te komen, tegen de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de zon in. Het oorspronkelijke plan voor de Galileo-missie was bijvoorbeeld om de spaceshuttle te gebruiken om de sonde en zijn hulpraket in een baan om de aarde te plaatsen. De booster is ontworpen om de sonde in minder dan twee jaar rechtstreeks naar Jupiter te sturen.

Maar in de nasleep van de ramp met de Challenger besloot NASA dat het niet verstandig zou zijn om een ​​onverlichte raket in het vrachtruim van de shuttle te plaatsen. En aangezien geen enkele andere raket Galileo en zijn booster kon optillen, moest NASA een andere manier vinden om daar te komen. Vandaar de katapultaanpak.

De voorgestelde Uranus-missie heeft een heel andere benadering, gebaseerd op het concept van een elektrisch zeil of E-sail, dat in 2006 werd voorgesteld door de Finse ingenieur Pekka Janhunen (die ook de leiding heeft over het nieuwe Uranus-voorstel). Een E-zeil verschilt aanzienlijk van een conventioneel zonnezeil, dat stuwkracht genereert door de druk van fotonen die het zeil raken.

Daarentegen vertrouwt de E-sail op geladen deeltjes zoals protonen en alfadeeltjes in de zonnewind. Het idee is om een ​​elektrisch veld rond het ruimtevaartuig te genereren dat deze geïoniseerde deeltjes afbuigt en een kracht genereert die het ruimtevaartuig tijdens zijn reis versnelt.

Het zeil bestaat uit een reeks geleidende draden die zich radiaal uitstrekken vanuit het ruimtevaartuig als spaken op een wiel. Het elektrische veld wordt opgewekt met behulp van zonne-energie. En met 540 watt zou het zeil ongeveer 0,5 Newton moeten genereren en het vaartuig met ongeveer 1 mm/s^2 versnellen.

Dat zou een snelheid van ongeveer 20 km/s moeten opleveren tegen de tijd dat het Uranus bereikt, wat een reistijd van ongeveer 6 jaar oplevert.

Het vaartuig zelf is ontworpen in drie delen. De eerste is de E-sail module met zonnepanelen en kabelhaspels om de draden te verlengen. De tweede is het hoofdgedeelte van het vaartuig met chemische stuwraketten voor het maken van trajectaanpassingen onderweg en terwijl het dicht bij Uranus is, evenals communicatieapparatuur voor contact met de aarde.

Het laatste deel is een ingangsmodule die wordt vrijgegeven in de atmosfeer van Uranus, waar het verschillende wetenschappelijke metingen doet voor transmissie terug naar de aarde via het hoofdvaartuig dat als een relais fungeert.

Janhunen en co zeggen dat dit ontwerp met kleine aanpassingen ook geschikt zou zijn voor reizen naar andere gasreuzen.

Dat is een ambitieus idee, niet in de laatste plaats omdat het E-Sail-idee nog nooit op een dergelijke schaal is uitgeprobeerd. Een kleine satelliet genaamd ESTCube-1 test momenteel het idee en de Europese Unie heeft een lopend onderzoeksproject om het verder te testen. Een andere Finse satelliet zal het principe dit jaar in meer detail testen, maar voor een dergelijke missie zal zeker meer werk nodig zijn.

Desalniettemin zijn de voordelen van E-sails ten opzichte van zwaartekrachtkatapulten duidelijk. Ze zijn niet alleen sneller, maar kunnen ook op bijna elk moment worden gelanceerd met slechts kleine variaties in reistijd. Katapulten kunnen daarentegen alleen gaan als de zwaartekrachtgoden op één lijn liggen.

Wat Janhunen en co niet bespreken, zijn de kosten van zo'n missie, die om eerlijk te zijn moeilijk vast te stellen is in dit stadium van een ontwerp. Het voordeel van een Cassini- of Galileo-type missie is dat deze vaartuigen jarenlang rond hun doelplaneten opereren en enorme hoeveelheden gegevens terugsturen, zij het tegen enorme kosten. Het nadeel is dat alles verloren gaat als het ruimtevaartuig op de een of andere manier verloren gaat.

Daarentegen stuurt de E-sail-missie een paar minuten aan gegevens terug van zijn vurige binnenkomst in de atmosfeer. Dat is zeker waardevol, maar zou aanzienlijk goedkoper moeten zijn om te rechtvaardigen.

Een goed begrip van de relatieve kosten van dit soort missies zal dus cruciaal zijn om te bepalen of E-Sails een toekomst hebben in de verkenning van het buitenste zonnestelsel.

Referentie: arxiv.org/abs/1312.6554 : Snelle E-Sail Uranus Entry Probe Mission

zich verstoppen