Boven ons hoofd draait een ruimtestation dat qua oppervlakte zo groot als een voetbalveld is. Er zijn drie speciale laboratoria aan boord. Tientallen lanceringen en 100 ruimtewandelingen waren nodig om het te maken zoals het nu is. Een ongelofelijk staaltje constructie in microzwaartekracht. Maar ook een ongelofelijk duur project: alle internationale partners hebben er minstens 100 miljard euro in gestoken. Uiteindelijk was het allemaal te doen om de wetenschap. Wat heeft ISS inmiddels wetenschappelijk geleverd?
In antwoord op de kritiek op de wetenschappelijke waarde van ISS heeft NASA een 262 pagina tellend rapport gepubliceerd over wat ISS opgeleverd heeft. NASA beschrijft hierin alle wetenschap die gedaan aan boord van ISS of met hulp van ISS en die gepubliceerd is.
Welkom in ISS (gefotografeerd vanuit de logistieke module Leonardo).
Die publicaties vallen in vijf categoriën:
Technologie
Natuurkunde en chemie
Biologie
De mens in de ruimte
Aardobservaties
Dit artikel bespreekt de technologische onderzoeken. Een groot deel van dit onderzoek is gericht op de ontwikkeling van de (bemande) ruimtevaart. De onderzoeken richten zich vooral op het karakter van microzwaartekracht, het controleren van de leefomgeving in ISS en satelliettechnologie.
In Noordwijk is ANITA (Analyzing Interferometer For Ambient Air) ontwikkeld, een apparaat dat 32 verschillende gasvormige verontreinigingen in heel lage concentraties kan detecteren, waaronder koolmonoxide, formaldehyde en ammonia. ANITA is een zogemaande "technology demonstrator", een nieuw ontwikkelde technologie die uitgeprobeerd wordt aan boord van ISS om te zien of de technologie werkt.
Astronaut Clay Anderson neemt een luchtmonster, dat met de Analyzing Interferometer For Ambient Air (ANITA) apparatuur geanalyseerd kan worden.
ANITA bestaat uit twee kasten ter grootte van schoenendozen met daarin een Fourier Transform infrarood spectrometer en een laptop om meetgegevens uit te lezen. Dat is een instrument dat op een bepaalde manier spectra verzameld van luchtmonsters. Bemanningsleden kunnen ook zelf monsters nemen in afgelegen hoeken van modules en deze door ANITA laten analyseren.
Sinds 2007 aan boord van de Destiny module en sinds die tijd heeft ANITA al een aantal lekken ontdekt. Vorig jaar lekte een Russische airconditioner Freon en ANITA wist dat nauwkeurig te detecteren. Het kon zelfs zien dat met de komst van de grote Japan Presurized Module (Kibo), de concentratie Freon verdund werd. ANITA vond zelfs een onverwachte verontreiniging die niet op de lijst van 32 stoffen stond. Ik kon niet vinden of ANITA nog steeds aan boord van ISS is.
Lab-on-a-Chip
Een ander probleem in een bemand ruimteschip is dat microorganismen (bacteriën, schimmels) zich ontwikkelen in de omgeving. Dat is een probleem. Allereerst komt niet elke dag de schoonmaker langs om de vloer te dweilen of te stofzuigen. Ten tweede, als je microorganismen wilt bestuderen, dan zou je ze kunnen kweken in een lab op Aarde, maar eer je daar resultaat van hebt, ben je wel even verder.
Sinds 2007 heeft men een Lab-on-a-Chip aan boord dat microorganismen kan detecteren (de officiële naam is LOCAD-PTS). Het werkt zo: een astronaut neemt een monster, bijvoorbeeld door de monstername unit over een wand in een module te vegen. Dit monster wordt met water in een cardridge ter grootte van een duim gebracht. In die cardridge zitten gedroogde bloedcellen van een bepaalde krabbensoort en een kleurloze stof die groen kleurt als er bijv. bacteriën aanwezig zijn. Verschillende cardridges kunnen verschillende stoffen of microorganismen detecteren. Ook bloed, speeksel en urine kunnen gemakkelijk onderzocht worden. Het is dus vrij makkelijk voor een zieke astronaut aan boord een diagnose te stellen. Wel handig, aangezien een dokter op Aarde twee dagen reizen ver weg is.
Al sinds de vroege periode van de opbouw van ISS is ARIS actief in de Destiny module. In meer dan een jaar tijd zijn 1700 tests gedaan en het systeem blijkt goed in staat te zijn trillingen en kleine versnellingen te stoppen.
Andere systemen verifiëren of aan de condities van microzwaartekracht die nodig zijn voor bepaalde experimenten wordt voldaan. De systemen Microgravity Acceleration Measurement System (MAMS) en Space Acceleration Measurement System II (SAMS-II) meten op verschillende manieren versnellingen en trillingen langs drie assen te meten. Wetenschappelijk gezien is het belangrijk dit bij te houden.
Vuur op Aarde en in de ruimte.
Brand aan boord van een ruimteschip is al niet wenselijk, maar vuur reageert ook anders dan op Aarde. Hoe het reageert is belangrijk om te weten. Een van de dingen die men over brand in de ruimte geleerd heeft, is dat de rookdeeltjes die ontstaan groter zijn. Dat heeft men geleerd van het Smoke And Aerosol Measurement Experiment (SAME). In dit experiment zijn in een verschillende materialen in brand gezet, zoals koolwaterstof brandstoffen, plastic, papier, Teflon, Kapton, cellulose en siliconenrubber. Het bleek dat rookdeeltjes 50% groter waren dan op Aarde. Dit betekent dat rookdetectors in de ruimte hier op aangepast moesten worden.
Astronaut Clay Anderson bij de opstelling van het Smoke And Aerosol Measurement Experiment in de zogenaamde Glovebox. Zou hij zo'n brede grijns hebben omdat hij een vuurtje mag stoken?
Het Dust And Aerosol Measurement Feasibility Test (DAFT) experiment, geïnitieerd na het ongeluk met de Columbia, deed onderzoek naar de rookdeeltjes en aerosolen (kleine druppeltjes vloeistof. Het experiment is inmiddels weer teruggenomen naar Aarde.
Een ruimteschip wordt van buiten blootgesteld aan extreme condities: intense ultraviolet straling van de zon, extreme temperatuurverschillen, oxidatie door atomische zuurstof en micrometeorieten. NASA wilde weten hoe uiteenlopende materialen zich gedragen in die omstandigheden. Daarom heeft men het experiment genaamd Materials International Space Station Experiment (MISSE) bedacht. Het werkt heel simpel: hang een plaat met verschillende materialen voor een jaar buiten. Na afloop neemt een ruimtewandelende astronaut het weer mee naar binnen. Eenmaal op Aarde worden de monsters onderzocht.
Astronaut Patrick Forrester haalt op missie STS-105 het MISSE experiment op dat vier jaar lang aan de buitenkant van de Quest luchtsluis bevestigd heeft gezeten. Normaal duurt het experiment maar een jaar, maar de ramp met de Columbia vertraagde het ophalen van het experiment.
Er zijn sinds 2001 meerdere series van MISSE experimenten uitgevoerd met per keer honderden monsters van materialen. STS-128 bijvoorbeeld, neemt MISSE-6a en 6b terug. Tussen de monsters zaten de meest uiteenlopende materialen: thermische coating, allerlei plastics, polymeren, Kevlar, Teflon, basilicumzaadjes, zonnecellen, soorten glas en coatings voor dat glas en nog veel meer. Inmiddels weten bouwers van satellieten en ruimtevaartuigen beter welke materialen het beste stand houden en ook, om een voorbeeld te noemen, welke coating de ramen schoonhoudt.
Solderen
Bij een ander experiment zijn astronauten aan het solderen geslagen. Het kunnen solderen en zo electronische apparatuur aan boord van ISS te repareren kon nog wel eens van pas komen, zo heeft NASA gedacht. Helemaal op weg naar Mars, waar helemaal niemand je kan helpen. Maar: levert solderen in microzwaartekracht wel hetzelfde resultaat op?
Op Aarde willen er nog wel eens belletjes ontstaan in het soldeersel en dat verlaagt de kracht van de verbinding en het geleidingsvermogen enigszins. De hypothese was dat die belletjes in de ruimte niet kunnen ontsnappen, en dat is belangrijk om te weten. Het In-Space Soldering Experiment werd in 2005 uitgevoerd en met verrassende resultaten.
In soldeer zit tin, maar ook colofonium, een hars dat zorgt dat soldeer beter vloeit en ook dat het ijzer in de soldeer niet verroest. Toen het soldeer verhit werd en ging smelten, bleef een bolletje colofonium plakken aan de buitenkant van het soldeerbolletje. Toen het heter werd, begon de druppel hars opeens sneller en sneller rond de soldeer te draaien als een soort miniatuur kermisattractie. Dat krijg je niet voor elkaar op Aarde.
Al met al was het soldeerwerk een stuk zwakker. Wellicht zal voor soldeer in de ruimte een andere samenstelling bedacht moeten worden. Oh ja, en astronauten moeten een beschermende bril dragen en uitkijken voor langsvliegende hete druppels hars.
Elastisch geheugenmateriaal
Er wordt in de wereld van de ruimtevaart altijd gezocht naar nieuwe, lichtere, materialen. In ISS is een experiment uitgevoerd dat Elastic Memory Composite Hinge (EMCH) heet. Er is een kast voor naar boven gestuurd waarin allerlei proeven uitgevoerd kunnen worden. Het geheugenmateriaal was een verbinding van hars en koolstofvezels. De bedoeling is dat in de toekomst dit materiaal zonnepanelen zal uitvouwen. En dit materiaal zal lichter zijn dan de metalen constructies daar nu nog voor worden gebruikt.
Maar het Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites (SPHERES) programma is wat spannender. Als je de SPHERES satellieten op de foto ziet, denk je dat ruimtevaart eindelijk op Star Wars begint te lijken. Maar de SPHERES satellieten zijn niet bedoeld voor lichtzwaardtrainingen. De drie SPHERES satellieten die nu aan boord van ISS zijn, moeten met elkaar samenwerken en bepaalde formaties vliegen. Ze hebben kleine uitlaten waar ze stootjes kooldioxide mee kunnen geven en ultrasonische sensors waarmee ze kunnen "voelen" of ze ergens tegenaan komen. En ze lopen op 2 AA-batterijen en een tank met CO2.
De SPHERES satellieten hebben alledrie een andere kleur, zodat makkelijk te zien is welke satelliet wat doet.
De SPHERES satellieten kunnen rondjes vliegen of achtjes of andere patronen vliegen. Ook zijn er tests gedaan met automatische koppelingen, alhoewel de SPHERES' geen koppelmogelijkheid hebben. Er is op Youtube een filmpje te zien hoe twee SPHERES satellieten een cirkelvormige baan tegenover elkaar aanhouden.
Als dat nog niet voldoende is, bekijk dan deze eens waarbij drie satellieten met elkaar vliegen. Zoals je ziet, kan de astronaut die het experiment uitvoert na het starten van het experiment met zijn armen over elkaar gaan zitten (of zweven). Er zijn sinds 2006 experimenten gedaan met deze satellietjes. Het Massachusetts Institute of Technology, waar de SPHERES vandaan komen, heeft ook een programma voor gast-wetenschappers en het is een dankbaar onderwerp voor afstuderende studenten.
Astronaut Koichi Wakata met drie SPHERES satellieten.
Bron: NASA: Research on the ISS, Massachusetts Institute of Technology.
In antwoord op de kritiek op de wetenschappelijke waarde van ISS heeft NASA een 262 pagina tellend rapport gepubliceerd over wat ISS opgeleverd heeft. NASA beschrijft hierin alle wetenschap die gedaan aan boord van ISS of met hulp van ISS en die gepubliceerd is.
Welkom in ISS (gefotografeerd vanuit de logistieke module Leonardo).
Die publicaties vallen in vijf categoriën:
Controleren van de leefomgeving
Alleen al het feit dat ISS zo'n grote, aan elkaar gekoppelde leefomgeving is, is al stof tot onderzoek. Zo is het helemaal niet vanzelfsprekend dat overal een gelijke atmosfeer aan boord heerst. Ook kunnen verontreinigingen zich ophopen als de luchtstroom niet goed is. Om te controleren of de atmosfeer goed is, is een aantal detectoren ontwikkeld.In Noordwijk is ANITA (Analyzing Interferometer For Ambient Air) ontwikkeld, een apparaat dat 32 verschillende gasvormige verontreinigingen in heel lage concentraties kan detecteren, waaronder koolmonoxide, formaldehyde en ammonia. ANITA is een zogemaande "technology demonstrator", een nieuw ontwikkelde technologie die uitgeprobeerd wordt aan boord van ISS om te zien of de technologie werkt.
Astronaut Clay Anderson neemt een luchtmonster, dat met de Analyzing Interferometer For Ambient Air (ANITA) apparatuur geanalyseerd kan worden.
ANITA bestaat uit twee kasten ter grootte van schoenendozen met daarin een Fourier Transform infrarood spectrometer en een laptop om meetgegevens uit te lezen. Dat is een instrument dat op een bepaalde manier spectra verzameld van luchtmonsters. Bemanningsleden kunnen ook zelf monsters nemen in afgelegen hoeken van modules en deze door ANITA laten analyseren.
Sinds 2007 aan boord van de Destiny module en sinds die tijd heeft ANITA al een aantal lekken ontdekt. Vorig jaar lekte een Russische airconditioner Freon en ANITA wist dat nauwkeurig te detecteren. Het kon zelfs zien dat met de komst van de grote Japan Presurized Module (Kibo), de concentratie Freon verdund werd. ANITA vond zelfs een onverwachte verontreiniging die niet op de lijst van 32 stoffen stond. Ik kon niet vinden of ANITA nog steeds aan boord van ISS is.
Lab-on-a-Chip
Een ander probleem in een bemand ruimteschip is dat microorganismen (bacteriën, schimmels) zich ontwikkelen in de omgeving. Dat is een probleem. Allereerst komt niet elke dag de schoonmaker langs om de vloer te dweilen of te stofzuigen. Ten tweede, als je microorganismen wilt bestuderen, dan zou je ze kunnen kweken in een lab op Aarde, maar eer je daar resultaat van hebt, ben je wel even verder.
 |
| Suni Williams werkt met het Lab-on-a-Chip systeem. |
Sinds 2007 heeft men een Lab-on-a-Chip aan boord dat microorganismen kan detecteren (de officiële naam is LOCAD-PTS). Het werkt zo: een astronaut neemt een monster, bijvoorbeeld door de monstername unit over een wand in een module te vegen. Dit monster wordt met water in een cardridge ter grootte van een duim gebracht. In die cardridge zitten gedroogde bloedcellen van een bepaalde krabbensoort en een kleurloze stof die groen kleurt als er bijv. bacteriën aanwezig zijn. Verschillende cardridges kunnen verschillende stoffen of microorganismen detecteren. Ook bloed, speeksel en urine kunnen gemakkelijk onderzocht worden. Het is dus vrij makkelijk voor een zieke astronaut aan boord een diagnose te stellen. Wel handig, aangezien een dokter op Aarde twee dagen reizen ver weg is.
Microzwaartekracht in ISS
Veel experimenten aan boord van ISS gaan natuurlijk over de gevolgen van microzwaartekracht. Sommige experimenten zijn erg gevoelig voor verstoringen van die microzwaartekracht, of beter gezegd: kleine vibraties. Die kunnen optreden als een ruimteschip aankoppelt, de motoren ontstoken worden of als een astronaut iets te ruig tegen de wand valt. Active Rack Isolation System (ARIS) is een systeem dat die verstoringen van die vibraties teniet kan doen. Het bevat sensors en zogenaamde actuators die de trilling tegengaan. ARIS is dus eigenlijk ISS' schokbreker.Al sinds de vroege periode van de opbouw van ISS is ARIS actief in de Destiny module. In meer dan een jaar tijd zijn 1700 tests gedaan en het systeem blijkt goed in staat te zijn trillingen en kleine versnellingen te stoppen.
Andere systemen verifiëren of aan de condities van microzwaartekracht die nodig zijn voor bepaalde experimenten wordt voldaan. De systemen Microgravity Acceleration Measurement System (MAMS) en Space Acceleration Measurement System II (SAMS-II) meten op verschillende manieren versnellingen en trillingen langs drie assen te meten. Wetenschappelijk gezien is het belangrijk dit bij te houden.
Rookdetectie in microzwaartekracht
Vuur op Aarde en in de ruimte.
Brand aan boord van een ruimteschip is al niet wenselijk, maar vuur reageert ook anders dan op Aarde. Hoe het reageert is belangrijk om te weten. Een van de dingen die men over brand in de ruimte geleerd heeft, is dat de rookdeeltjes die ontstaan groter zijn. Dat heeft men geleerd van het Smoke And Aerosol Measurement Experiment (SAME). In dit experiment zijn in een verschillende materialen in brand gezet, zoals koolwaterstof brandstoffen, plastic, papier, Teflon, Kapton, cellulose en siliconenrubber. Het bleek dat rookdeeltjes 50% groter waren dan op Aarde. Dit betekent dat rookdetectors in de ruimte hier op aangepast moesten worden.
Astronaut Clay Anderson bij de opstelling van het Smoke And Aerosol Measurement Experiment in de zogenaamde Glovebox. Zou hij zo'n brede grijns hebben omdat hij een vuurtje mag stoken?
Het Dust And Aerosol Measurement Feasibility Test (DAFT) experiment, geïnitieerd na het ongeluk met de Columbia, deed onderzoek naar de rookdeeltjes en aerosolen (kleine druppeltjes vloeistof. Het experiment is inmiddels weer teruggenomen naar Aarde.
Materialen en systemen van ruimtevaarttuigen
Materialen in de ruimteEen ruimteschip wordt van buiten blootgesteld aan extreme condities: intense ultraviolet straling van de zon, extreme temperatuurverschillen, oxidatie door atomische zuurstof en micrometeorieten. NASA wilde weten hoe uiteenlopende materialen zich gedragen in die omstandigheden. Daarom heeft men het experiment genaamd Materials International Space Station Experiment (MISSE) bedacht. Het werkt heel simpel: hang een plaat met verschillende materialen voor een jaar buiten. Na afloop neemt een ruimtewandelende astronaut het weer mee naar binnen. Eenmaal op Aarde worden de monsters onderzocht.
Astronaut Patrick Forrester haalt op missie STS-105 het MISSE experiment op dat vier jaar lang aan de buitenkant van de Quest luchtsluis bevestigd heeft gezeten. Normaal duurt het experiment maar een jaar, maar de ramp met de Columbia vertraagde het ophalen van het experiment.
Er zijn sinds 2001 meerdere series van MISSE experimenten uitgevoerd met per keer honderden monsters van materialen. STS-128 bijvoorbeeld, neemt MISSE-6a en 6b terug. Tussen de monsters zaten de meest uiteenlopende materialen: thermische coating, allerlei plastics, polymeren, Kevlar, Teflon, basilicumzaadjes, zonnecellen, soorten glas en coatings voor dat glas en nog veel meer. Inmiddels weten bouwers van satellieten en ruimtevaartuigen beter welke materialen het beste stand houden en ook, om een voorbeeld te noemen, welke coating de ramen schoonhoudt.
Solderen
Bij een ander experiment zijn astronauten aan het solderen geslagen. Het kunnen solderen en zo electronische apparatuur aan boord van ISS te repareren kon nog wel eens van pas komen, zo heeft NASA gedacht. Helemaal op weg naar Mars, waar helemaal niemand je kan helpen. Maar: levert solderen in microzwaartekracht wel hetzelfde resultaat op?
Op Aarde willen er nog wel eens belletjes ontstaan in het soldeersel en dat verlaagt de kracht van de verbinding en het geleidingsvermogen enigszins. De hypothese was dat die belletjes in de ruimte niet kunnen ontsnappen, en dat is belangrijk om te weten. Het In-Space Soldering Experiment werd in 2005 uitgevoerd en met verrassende resultaten.
In soldeer zit tin, maar ook colofonium, een hars dat zorgt dat soldeer beter vloeit en ook dat het ijzer in de soldeer niet verroest. Toen het soldeer verhit werd en ging smelten, bleef een bolletje colofonium plakken aan de buitenkant van het soldeerbolletje. Toen het heter werd, begon de druppel hars opeens sneller en sneller rond de soldeer te draaien als een soort miniatuur kermisattractie. Dat krijg je niet voor elkaar op Aarde.
Al met al was het soldeerwerk een stuk zwakker. Wellicht zal voor soldeer in de ruimte een andere samenstelling bedacht moeten worden. Oh ja, en astronauten moeten een beschermende bril dragen en uitkijken voor langsvliegende hete druppels hars.
Elastisch geheugenmateriaal
Er wordt in de wereld van de ruimtevaart altijd gezocht naar nieuwe, lichtere, materialen. In ISS is een experiment uitgevoerd dat Elastic Memory Composite Hinge (EMCH) heet. Er is een kast voor naar boven gestuurd waarin allerlei proeven uitgevoerd kunnen worden. Het geheugenmateriaal was een verbinding van hars en koolstofvezels. De bedoeling is dat in de toekomst dit materiaal zonnepanelen zal uitvouwen. En dit materiaal zal lichter zijn dan de metalen constructies daar nu nog voor worden gebruikt.
Picosatellieten en controlesystemen
Aan boord van ISS zijn ook een aantal tests gedaan met microsatellieten die in het ruimtestation zelf losgelaten worden. Het is de volgende generatie, slimmere satellieten. Al op de eerste twee expedities aan boord van ISS vloog het Middeck Active Control Experiment-II (MACE-II) experiment. MACE-II was bedoeld om te compenseren voor vibraties. Het was een voorbereiding voor meer gevoelige satellieten.Maar het Synchronized Position Hold, Engage, Reorient, Experimental Satellites (SPHERES) programma is wat spannender. Als je de SPHERES satellieten op de foto ziet, denk je dat ruimtevaart eindelijk op Star Wars begint te lijken. Maar de SPHERES satellieten zijn niet bedoeld voor lichtzwaardtrainingen. De drie SPHERES satellieten die nu aan boord van ISS zijn, moeten met elkaar samenwerken en bepaalde formaties vliegen. Ze hebben kleine uitlaten waar ze stootjes kooldioxide mee kunnen geven en ultrasonische sensors waarmee ze kunnen "voelen" of ze ergens tegenaan komen. En ze lopen op 2 AA-batterijen en een tank met CO2.
De SPHERES satellieten hebben alledrie een andere kleur, zodat makkelijk te zien is welke satelliet wat doet.
De SPHERES satellieten kunnen rondjes vliegen of achtjes of andere patronen vliegen. Ook zijn er tests gedaan met automatische koppelingen, alhoewel de SPHERES' geen koppelmogelijkheid hebben. Er is op Youtube een filmpje te zien hoe twee SPHERES satellieten een cirkelvormige baan tegenover elkaar aanhouden.
Als dat nog niet voldoende is, bekijk dan deze eens waarbij drie satellieten met elkaar vliegen. Zoals je ziet, kan de astronaut die het experiment uitvoert na het starten van het experiment met zijn armen over elkaar gaan zitten (of zweven). Er zijn sinds 2006 experimenten gedaan met deze satellietjes. Het Massachusetts Institute of Technology, waar de SPHERES vandaan komen, heeft ook een programma voor gast-wetenschappers en het is een dankbaar onderwerp voor afstuderende studenten.
Astronaut Koichi Wakata met drie SPHERES satellieten.
Bron: NASA: Research on the ISS, Massachusetts Institute of Technology.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten