Bevrijd van gewicht

Experimenteren in afwezigheid van gewicht kan een vereiste zijn. De beste mogelijkheden biedt een laboratorium in een baan rond de aarde in combinatie met telescience.

Gewichtsloosheid is een toestand die zich op aarde maar moeilijk laat verwezenlijken. Dat komt niet zozeer door de zwaartekracht - op 300 km hoogte is die slechts 9% minder - maar omdat je niet kan toegeven aan die zwaartekracht. Je steunt of je hangt, wat moet je anders, en dus heb je gewicht. Pas als de kabels van de lift breken, of de afgrond zich onder je opent, valt je gewicht weg.

In de wetenschap kan gewichtsloosheid een vereiste zijn. Sommige verschijnselen op het gebied van materiaalkunde, biologie of thermodynamica (warmteleer) komen pas bij microgravitatie 'tot leven'. De experimentele mogelijkheden voor de onderzoeker zijn divers. Zo staat in Bremen een valtoren van 100 meter, die vacuüm kan worden gepompt om hinderlijke luchtweerstand tegen te gaan. Valtijd: 4,5 seconden. Al wat meer microgravitatietijd biedt een 'parabolische vlucht', waarbij een vliegtuig voor ongeveer 20 seconden langs een 'kogelbaan' stuurt, te beginnen 45ß8 met de horizon omhoog. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA gebruikt een aangepaste Caravelle om op parabolische vluchten (maximaal 40 stuks per missie) apparatuur uit te testen. Ook filmregisseurs gebruiken ze bij het schieten van ruimtescènes.

Maar echte microgravitatie vind je pas in een baan om de aarde. Van daaruit gezien houden middelpuntvliedende en zwaartekracht elkaar in evenwicht, leidend tot algehele gewichtsloosheid. Inmiddels heeft Spacelab, het Amerikaans-Europese ruimtelaboratorium dat meevliegt aan boord van een Shuttle, in zijn brede programma ook twee IML-missies (International Microgravity Laboratory) achter de rug, waarvan de laatste afgelopen juli met het ruimteveer Columbia. En is tien dagen te kort, dan is er altijd nog Eureca (European Retrievable Carrier), een ESA-satelliet die door een Shuttle in een baan op 500 km boven het aardoppervlak wordt geparkeerd en een half jaar later door een volgende opgehaald. In 1992 vloog de eerste en 80% van de apparatuur was toen bestemd voor microgravitatie.

Een pionier op het gebied van microgravitatie is dr. A.C. Michels van het Van der Waals-Zeemanlaboratorium in Amsterdam. Zowel IML-1 als IML-2 hadden aan boord een experiment dat door deze vloeistoffysicus is ontworpen. Het gaat daarbij om onderzoek naar zwavelhexafluoride (SF) rond de kritieke temperatuur, in dit geval 46 ß8C. Bij deze temperatuur is de druk van de SF -damp boven de eigen (vluchtige) vloeistof zo hoog opgelopen (37 atmosfeer), dat beide dichtheden samenvallen en het onderscheid tussen de vloeistof- en dampfase wegvalt. Een kritiek gas vertoont buitenissige eigenschappen, waaronder extreme samendrukbaarheid en warmtegeleiding. Op aarde zijn die niet goed te bestuderen omdat de zwaartekracht roet in het eten gooit: het gas zakt in door het eigen gewicht, waardoor het alleen in één laag kritiek is, en bij temperatuurverschillen ontstaat hinderlijke convectie.

Experiment

Om in de ruimte aan kritiek SF te kunnen meten is door ESA een Critical Point Facility (CPF) ontwikkeld waarvan de geschiedenis teruggaat tot 1979. Michels: “Het idee voor een experiment kwam van mij maar tijdens de voorbereidingen bleek het financieel te hoog gegrepen. Zelfs al bouwden we het apparaat zoveel mogelijk in eigen beheer, dan nog kwamen we uit op 3 miljoen gulden. Bovendien zou meereizen met Spacelab ons nog eens 8 miljoen extra kosten en - met alle respect voor de wetenschap - een publikatie van elf miljoen vind ik te gortig.”

Na verloop van tijd besloot ESA op basis van Michels' oorspronkelijke ontwerp tot de bouw van een faciliteit die per vlucht meerdere onderzoeksgroepen kon bedienen: de CPF. De 'zuivere' vluchttijd van een Shuttle, op IML-2 312 uur, wordt in deze constructie over vijf projecten verdeeld. Het apparaat is in hoge mate geautomatiseerd: het enige dat een astronout moet doen is op gezette tijden thermostaten (met een per experiment verschillende testcel met toebehoren) of films verwisselen. Michels: “In de toekomst kan dat net zo goed door een robot gebeuren, die kunnen hele auto's bouwen dus een metalen bus omruilen kan geen probleem zijn. Maar zolang de astronaut niet tegen het apparaat stoot, kan zijn aanwezigheid ook voordelen hebben. Zo hebben we de afgelopen keer, toen de beelden die we ontvingen wat donker waren, een bemanningslid de belichtingstijd van de CPF-camera laten controleren.”

De Critical Point Facility is in opdracht van ESA gebouwd door Dasa, met het Van der Waalslaboratorium als belangrijke subcontractor. De Amsterdamse instrumentmakers zijn zeer gespecialiseerd en bezitten kennis die elders niet of moeilijk te halen is. Uit deze lucratieve 'derde geldstroom'-activiteit - de Nederlandse industrie ziet met lede ogen toe - bekostigt Michels extra medewerkers op het gebied van informatica en data-analyse. Ook een aio (assistent in opleiding) en een post-doc worden uit dit potje betaald.

De hoge ontwikkelkosten van CPF zitten hem vooral in de strenge standaards die de bemande ruimtevaart oplegt. Michels: “Als hier in Amsterdam in het lab bij het experimenteren iets mis loopt, en het gaat een beetje stinken, dan trek ik de stekker eruit, zet het raam open en kom na een tijdje terug om eens te zien hoe het ermee staat. In de ruimte is dat anders. Het gas dat we wilden onderzoeken mocht in geen geval giftig zijn en het moest drievoudig worden ingesloten.”

Michels heeft ermee leren leven dat het toekennen van schaarse meettijd ook een politieke aangelegenheid is. “Tijd is een probleem. Om te beginnen gaat de helft naar Nasa, geen ontkomen aan. De Amerikaanse principal investigator heeft er onder druk van zijn vluchtmanagers maar een experiment bijbedacht, om de tijd vol te krijgen. Ook mijn Duitse collega had eigenlijk aan 20 uur genoeg maar moest dat toen oppompen tot het toegewezen quotum van 44 uur was volgeboekt.”

Hoewel het doen en laten van de Critical Point Facility, zoals het uitvoeren van een drukmeting of het inschakelen van een verwarmingselement, volledig in een timeline is voorgeprogrammeerd, kan er op basis van waarnemingen die naar de aarde worden gestuurd door de onderzoeker in real time worden bijgestuurd: telescience. Gingen er tijdens IML-1 circa 1000 commando's naar boven, bij de (verlengde) tweede missie waren het er al meer dan 1500.

Afgelopen juli is door het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) voor het eerst een Dutch Utilization Centre (DUC) ingericht waar de Amsterdamse onderzoekers ver weg van de Nasa-bureaucratie de eerste data-analyses konden doen. Leidde dat tot voorstellen om in te grijpen, dan stuurde DUC deze via een speciale verbinding naar een Science-team in het vluchtleidingscentrum in Huntsville (Alabama), waartoe ook Michels behoorde. Pas als dat laatste akkoord ging, mocht het commando vanuit Huntsville naar boven. Op die manier konden de Amsterdamse wetenschappers met een vertraging van enkele minuten in de voortgang van hun experiment ingrijpen en kon de beschikbare experimenteertijd zo goed mogelijk worden benut. Bovendien waren de data direct beschikbaar terwijl die bij IML-1 pas zes maanden na de missie door Nasa werden aangeleverd op een wijze die niet compatible was met de Amsterdamse computersystemen.

De service van het DUC moet volgens projectmanager ir. M.P.A.M. Brouwer in de eerste plaats gezien worden als aanloop naar het Space Station, het internationale ruimtestation dat rond de eeuwwisseling gestalte moet krijgen. “Dan krijg je experimenten van 365 dagen per jaar en is de service die wij de wetenschappers in de vorm van kennis en communicatieprogrammatuur te bieden hebben pas echt lonend.” De Spacelab-gegevens, waaronder videobeelden van het Critical Point Facility experiment en hoge-resolutie-sensorgegevens, bereiken het DUC via het Europese controlecentrum in Darmstadt. In de praktijk heeft Nasa moeite haar autonomie af te staan, weet Brouwer. “Het vereist een cultuuromslag in hun denken. Maar onze commando's kunnen net zo goed in Europa worden gecheckt, dat spaart tijd. Het kost ons weleens moeite Nasa ervan te overtuigen dat een fout ook bij hen kan liggen. Om die reden hadden we de verbindingen voor IML-2 pas 36 uur van te voren rond. Gelukkig is alles goed gekomen en na afloop waren de reacties van de vluchtleiders in Huntsville positief.”

Vervolgonderzoek

Toen de kwalitatieve testexperimenten van IML-1 daadwerkelijk uitzicht boden op wetenschappelijk interessant vervolgonderzoek, durfde Michels het aan er een promovendus op te zetten. Aan drs. R. de Bruijn de taak om de kwantitatieve analyse van de IML-2 data tot een goed einde te brengen. Zijn materiaal bestaat uit 180 foto's en talloze videobeelden die een camera op de Critical Point Facility heeft gemaakt. Ze tonen gestreepte interferentiepatronen die verkregen zijn door op een slimme manier (de Twyman-Green methode) laserlicht door de SF-cel te sturen. Detectie met licht heeft het voordeel dat je het SF, gekozen om zijn perfect bolvormige moleculen en handzame kritieke temperatuur en druk, met rust laat. Bij temperatuurinstellingen die binnen 0,0005 ß8C nauwkeurig zijn, is dat een absolute vereiste.

De Bruijn: “Als je nu het gas aan een kant een gecontroleerde warmtepuls toedient, dan verandert daar de dichtheid - en daarmee de brekingsindex - en krijg je in het interferentiepatroon krommingen die je iets fundamenteels vertellen over het mechanisme van het warmtetransport. Voor het begrijpen van de faseovergang, die bij het passeren van de kritieke temperatuur optreedt, is het nodig te weten hoe snel die veranderingen verlopen.”

Of De Bruijns uitkomsten de natuurkunde vooruit helpen, zal afhangen van de nauwkeurigheid die hij uit zijn beelden weet te destilleren. Op het moment worden de foto's - die inderdaad nogal donker zijn uitgevallen - digitaal ingelezen. Nasa stuurt nog digitale videobeelden die vervolgens in Amsterdam voor onscherpte worden gecorrigeerd en van ruis ontdaan. Daarna volgt data-analyse via speciaal ontwikkelde computertechnieken. Michels: “Komen we uit op 0,1% marge dan hebben we een knalexperiment, is het een magere 10% dan is het aardig de verschijnselen gezien te hebben maar kun je er weinig specifieks over zeggen.”

Met de uitkomsten in de hand hoopt Michels straks een plekje te reserveren op IML-3 of - nog beter - op Eureca-2. “Misschien moet ik daarna maar eens iets anders gaan doen”, laat de werkgroepleider zich ontvallen. “Collega's vinden het een beetje belachelijk als je zo lang blijft peuteren aan één experiment.”