Duik in de diepte; Microzwaartekracht is routine tijdens vrije-valvluchten per Caravelle

De mens weet niet beter of er is zwaartekracht. Aan de grond heb je houvast, wat je ontglipt valt omlaag, wat je neerzet blijft staan.

Voorspellen wat er gebeurt bij gewichtloosheid is moeilijk. Het is zelfs al lastig te verteren dat die gewichtloosheid zich voordoet in een vallend laboratorium en daar dus kan worden bestudeerd.

Hoe gek het ook mag lijken, het enige wat je hoeft te doen om gewichtloosheid te ervaren is vallen. Voorbeeld: een baksteen op een keukenweegschaal. Als ze allebei vallen, vallen ze even hard. De weegschaal kan de steen niet ondersteunen, de steen kan niet op de weegschaal drukken. Ergo: de weegschaal wijst nul gram aan.

Een populaire methode om gewichtloosheid te creeren is de paraboolvlucht. Een compleet vliegtuig wordt in vrije val gebracht zodat toestel en inhoud gedurende enkele seconden gewichtloos zijn. De curve die daarbij beschreven wordt volgt uit de wet van de zwaartekracht en heet een parabool. Paraboolvluchten worden al tientallen jaren gemaakt, voor het trainen van astronauten, voor het testen van onderdelen van ruimteschepen en voor allerhande wetenschappelijk onderzoek.

Pilotenkeuring

Gewapend met certificaten meld ik me aan de poort van het militair vliegveld Bretigny bij Parijs. Voor mijn paraboolvlucht ben ik, net als iedere deelnemer, onderworpen aan een medische pilotenkeuring.

Gewichtloosheid is leuk, maar geen grapje. Het evenwichtsorgaan verliest alle houvast, het bloed begeeft zich onbelemmerd naar het hoofd. Bij het beeindigen van een vrije val treden krachten op die de zwaartekracht juist versterken. Zo ook wanneer het vliegtuig weer hoogte wint. Alles en iedereen lijkt dan twee keer zo zwaar als normaal. Elke seconde gewichtloosheid betaal je met twee seconden van twee g: verdubbelde zwaartekracht. Vandaar dat van tevoren een cardiogram noodzakelijk wordt geacht, en ook een EEG dat verborgen aanleg voor epilepsie aan het licht kan brengen. Vermeldenswaard is verder het gebitsonderzoek, dat de identificatie van verkoolde stoffelijke resten vergemakkelijkt.

Robuust gebouwd

Ons toestel is een Caravelle van de Franse ruimtevaartorganisatie. Een oud type, maar dat is juist een voordeel, legt de piloot uit: ' Tegenwoordig wordt elk vliegtuig met computergesteunde ontwerpmethoden zo licht mogelijk gemaakt. Daardoor kan het nauwelijks extra belastingen hebben. Dit toestel is van voor het computertijdperk en is noodgedwongen robuust gebouwd.' De Caravelle moet krachten tot 4 g kunnen weerstaan.

Bij de voorbereidingen hoort een instructie over 'bewegingsziekte'. Onder gewichtloosheid raakt het evenwichtsorgaan in de war. Het deelt de hersenen mee: 'ik val', terwijl de ogen het tegendeel waarnemen.

Een veel voorkomend gevolg is ruimteziekte, het astronautenequivalent van zeeziekte. De oorzaak is dezelfde (tegenstrijdige informatie door de zintuigen over beweging), de symptomen ook: overgeven en algehele malaise. De kans op ziekte wordt bij ons vergroot doordat periodiek de zwaartekracht zelfs wordt versterkt, wat bijdraagt tot de zintuiglijke verwarring. Het NASA-vliegtuig voor paraboolvluchten schijnt bekend te staan als Vomit Comet (Kotskomeet). Oude rotten hebben meestal geen last, maar debutanten, zo wordt mij door velen verzekerd, zijn gedoemd.

Bewegingsziekte schakelt je uit. Je kunt, je wilt je werk niet meer doen. Ik had me voorgenomen de vlucht clean te maken, maar nu laat ik mijn flinkheid varen en accepteer een pil, die overigens geen garantie biedt. Ik krijg er een vragenformulier bij, waarop ik mag invullen hoe ziek ik ben geworden en wanneer, dus nu ben ik ook proefkonijn. De adviezen luiden verder: denk niet te veel aan ziek zijn, beweeg het hoofd niet te veel wanneer de zwaartekracht abnormaal is, meld je bij misselijkheid bij de scheepsarts voor een kotszak. Ik besluit de acrobatiek voor het laatst te bewaren.

Het vluchtprofiel. Dat is als volgt. De kruishoogte is acht km. Op een bepaald ogenblik trekt de piloot het toestel met de neus omhoog, tot de helling met de horizon maar liefst 50 graden is. Bij deze 'pull up' wordt alles en iedereen met 2 g tegen de vloer gedrukt. Klimt het toestel steil genoeg, dan mag de zwaartekracht haar gang gaan. Het vliegtuig schiet door, bereikt een maximum hoogte van 10 km (en, al is de beweging opwaarts, dit is al vrije val want de zwaartekracht heeft vrij spel) en valt terug, tot de piloot de duikvlucht beeidigt. Daarbij treedt opnieuw 2 g op. Doordat de val tijdens een klim begint kan hij langer duren. De hele manoeuvre biedt 25 seconden gewichtloosheid en wordt op mijn vlucht 36 keer uitgevoerd.

De eerste parabool

De piloot telt af: three, two, one, pull up. Optrekken. Ik word in mijn stoel gedrukt met een kracht die ik nog nooit in een vliegtuig heb gevoeld. Op een weegschaal zou ik nu 140 kilo wegen. Ademen en spreken wordt moeilijker. De kracht is duidelijk naar de vloer gericht, maar als ik naar buiten kijk lijkt het wel of het vliegtuig rechtop staat. De piloot telt af: three, two, one, inject. De Caravelle valt onder me vandaan. Opeens laat mijn stoel me los. In plaats daarvan spant mijn gordel zich om mij op de zitting te houden. Ik krijg dat achtbaangevoel: de ingewanden willen omhoog. Maar haast opvallender dan dat is het gevoel dat mijn ogen omhoog willen in hun kassen.

In mijn ooghoek zie ik iets bewegen: mijn fototoestel dat zojuist is opgestegen. Buiten kantelt de horizon. De Caravelle duikt omlaag en bereikt in tien seconden een snelheid van 100 meter per seconde. Ik weet niet of ik me nu moet schrap zetten of niet.

Three, two, one, recovery. Oef. En ik begin uitgelaten te giechelen. Mijn stoel omhelst me energiek. Over twee minuten weer een.

Onwennigheid

De derde parabool beleef ik geknield naast mijn stoel. Mijn rechtervoet heb ik ergens onder gewurmd, met twee handen houd ik me aan een stoelleuning vast. Three, two, one, inject. Zonder dat ik er iets aan kan don spannen nu al m'n spieren zich. Of nee, vooral de spieren die me tegen de grond helpen houden. Ik weet dat als ik me zou ontspannen, ik tegen het plafond te pletter zou slaan.

Onmiddellijk na deze parabool meld ik me bij Jean-Francois Clairvoy, een Franse astronaut, om opheldering te eisen. Gewichtloosheid prima, maar de zwaartekracht omdraaien, dat gaat te ver. Hij stelt me gerust: 'Het zijn de zenuwen en de onwennigheid. Je probeert onbewust je benen het gevoel te geven dat ze een normaal gewicht dragen. Dus druk je jezelf omlaag. Maar dat is helemaal niet nodig. Kijk maar.'

En bij de volgende parabool kaatst hij met een vinger en met het puntje van zijn schoen zichzelf tussen het plafond en de vloer heen en weer. Ik volg zijn voorbeeld en vanaf dat ogenblik voel ik me een volleerd parabolicus. De gewichtloosheid is als een warm bad. Ik kan me ontspannen en geniet.

Instrumentenrack

Het grootste deel van het vliegtuig wordt in beslag genomen door mensen en spullen van Estec, het onderzoekscentrum in Noordwijk van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Dit team heeft een prototype aan boord gesleept van een instrumentenrack voor het ruimtestation Columbus. Columbus wordt een onderdeel van het Amerikaanse ruimtestation Freedom (als dat er ooit komt).

Complete experimentele opstellingen moeten per Shuttle worden aangevoerd en door astronauten Columbus worden binnengemanoeuvreerd. Daar worden ze dan geinstalleerd in plaats van andere racks vol apparaten, die terug gaan naar de Aarde. Dat manoevreren en installeren wordt tijdens paraboolvluchten geoefend. Een vol rack kan 700 kilo wegen. Dat lijkt bij gewichtloosheid geen punt van zorg, maar 700 zwevende kilo's krijg je niet zomaar in beweging - of tot stilstand. Het gewicht is weg, maar de massa is er nog. Bovendien moeten talloze kabels en leidingen worden aangesloten voor elektriciteit, datatransport, aan- en afvoer van water, stikstof, koolzuurgas, vacuum en noem maar op. De aansluitingen hiervoor moeten bij gewichtloosheid makkelijk door mensenhanden los en vast gemaakt kunnen worden, maar zomaar losraken moet nagenoeg uitgesloten zijn. Prototypes hiervoor beproeft het ESA-team ook.

Ruimteschroevedraaier

Aan boord zie ik de astronauten Wubbo Ockels en Ulf Merbold zeulen met het rack. Anderen houden zich onledig met van klitband voorziene schoenen en met een ruimteschroevedraaier. Gewichtloosheid mag een interessante sensatie zijn, het is meestal lastig. Je hebt geen houvast aan een vloer, dus als je maar een knop van een appraat indrukt geef je jezelf een zet, weg van het apparaat. Klevende schoenen zouden dat kunnen verhelpen. Bij het draaien van schroeven is een extra complicatie dat een weerbarstige schroef alle kanten op kan dobberen. Overzichtelijk omlaag vallen is er niet bij. De ruimteschroevedraaier is uitgerust met een klem die de schroef onder alle omstandigheden in ieder geval vasthoudt.

Een driekoppig team uit het AMC onder leiding van prof.dr. W. Oosterveld onderzoekt de werking van het evenwichtsorgaan. Dat is te vinden in het binnenoor en het bestaat uit een drietal met vloeistof gevulde halfcirkelvormige buisjes. Bij beweging van het hoofd raakt die vloeistof in beweging en het brein reconstrueert daaruit de beweging van het hoofd, ook als de ogen dicht zijn.

Oostervelds proefpersonen krijgen koud of warm water in het oor gespoten. Normaal veroorzaakt dat beweging in de vloeistof van het evenwichtsorgaan, zoals lucht beweegt boven heet asfalt. De proefpersoon ervaart daardoor een beweging (als hij de ogen dicht houdt), en dit valt te meten aan de hand van onwillekeurige oogbewegingen. Oosterveld meet nu wat er gebeurt bij nul g. Dan veroorzaakt verwarming of afkoeling geen beweging in de vloeistof, omdat die beweging gebaseerd is op verschillen in soortelijk gewicht.

Aquarium

Oosterveld is beperkt in de keuze van zijn proefpersonen. Vrijwilligers meenemen is te duur, dus zijn zijn medewerkers, hijzelf en een enkele andere opvarende de pineut. Voor een vooronderzoek heeft hij nog een aquarium met vissen meegenomen. Sommige daarvan zijn blind, zodat ze zich alleen met hun evenwichtsorgaan kunnen orienteren. Juist deze blinde vissen raken tijdens parabolen zo de kluts kwijt, dat hun capriolen later op de video nauwelijks te volgen zijn.

Een Italiaanse groep bestudeert manieren om vloeistof bij afwezigheid van zwaartekracht uit tanks te krijgen. Onderzoekers van de Universite Libre de Bruxelles zijn doende met vloeistoffilms en kristallen. En twee Britten uit Sheffield beproeven een elektrodengordel die door weerstandsmetingen kan registreren hoe een mens bij gewichtloosheid het bloed naar het hoofd stijgt. Normaal helpen hart en spieren het bloed de benen uit en naar het hoofd. Zonder zwaartekracht doen ze dat nog steeds, zodat het bloed zich in het hoofd ophoopt. Astronauten krijgen vaak wat dikke hoofden en dunne beentjes. Een verschijnsel dat niet als gewenst wordt ervaren en dus ten prooi valt aan onderzoek.

Zelfs salto's en schroeven tijdens de laatste parabolen bezorgen me geen bewegingsziekte. De teller blijft overigens staan op 34. De laatste twee parabolen worden geschrapt wegens brandstoftekort. Het vliegtuig zou eens naar beneden kunnen vallen.

Wat de piloot doet

Parabolen vliegen is geen sinecure. Als de piloot niets zou doen, dan zou de luchtweerstand de parabool bederven. Het vliegtuig zou worden afgeremd en de inzittenden zouden een kracht naar voren ervaren, net als in een remmende bus. Een beetje gas geven is dus nodig om daarvoor te compenseren.

Ander probleem: de vleugels zijn erop gebouwd om een opwaartse kracht te leveren. Bij een parabool moeten ze dat juist niet doen. Ook daar moet iemand op letten. De eerste en tweede piloot verdelen de taken: de een controleert de beweging in de lengterichting en de ander die in de dwarsrichting. Cracks kunnen ongewenste krachten beperken tot 3% van de zwaartekracht.

Valtorens en sondes

Een experimentator die voor zijn proef genoeg heeft aan een paar seconden gewichtloosheid kan sinds kort terecht in Bremen. Een 145 m hoge valtoren geeft ruim 4 seconden microzwaartekracht. In het volgebouwde Japan zijn plannen voor een valkuil van 720 meter voor 10 seconden gewichtloosheid.

Paraboolvluchten met verschillende vliegtuigen halen 10 tot 60 seconden, met de sterke en logge B-52 als recordhouder. Wie minuten gewichtsloosheid nodig heeft moet naar het Zweedse Kiruna, waar raketten de ruimte in gaan - ruimtesondes - en in een paraboolvlucht van 7 minuten naar de aarde terugvallen.

Daarna zijn er alleen nog maar de Space Shuttle en de Mir.