Huygens in Lapland

Op tweede Paasdag is vanuit het testcentrum van Fokker Space & Systems op Schiphol-Oost een kleine expeditie vertrokken. Hij bestaat uit twee vrachtwagens, volgestouwd met apparatuur, die morgen bij Kiruna in het noorden van Zweden moeten aankomen. Het meest kostbare object dat zij vervoeren is een model op ware grootte van de Europese ruimtesonde Huygens, die in het jaar 2004 moet afdalen in de dampkring van Titan. Om er zeker van te zijn dat dit waagstuk straks bij Saturnus goed verloopt, houdt men een generale repetitie in de aardatmosfeer.

In de tweede helft van mei zullen de Fokker-onderzoekers, in samenwerking met Franse collega's, de ruimtecapsule vanuit een ballon op bijna veertig kilometer hoogte laten vallen. De proef wordt verricht boven de testbasis 'Esrange' van het Europese ruimte-agentschap ESA.

Vanaf Esrange worden regelmatig raketten afgeschoten voor experimenten onder microzwaartekracht of voor onderzoek aan de atmosfeer. Zulke raketten keren meestal hangend aan een parachute op aarde terug. Deze keer zal er een soort vliegende schotel uit de hemel neerdalen.

De schotelvormige ruimtecapsule is genoemd naar de Nederlandse astronoom Christiaan Huygens, die in 1655 de eerste satelliet van Saturnus ontdekte. Titan is met zijn diameter van 5150 km de op één na grootste maan in het zonnestelsel: hij is zelfs nog iets groter dan de planeet Mercurius. Van het oppervlak van Titan is echter niets te zien, doordat dit permanent door nevels aan het oog wordt onttrokken. Toen de Amerikaanse ruimtesonde Voyager 1 in november 1980 vlak langs Titan scheerde, zag men slechts een oranjebruine bol.

Titan is de enige satelliet in het zonnestelsel met een dichte dampkring. Ongeveer 95 procent hiervan bestaat uit stikstof. De rest is grotendeels methaan, met sporen waterstof, ethaan en complexere verbindingen. De samenstelling komt misschien in grote trekken overeen met die van de aarde kort na haar ontstaan. Sommige verbindingen op Titan lijken wellicht op die welke de aanzet vormden tot het ontstaan van het leven op aarde. Hoewel op Titan zeker geen leven zal voorkomen, vergroot dit natuurlijk wel de belangstelling voor deze maan.

Als alles volgens plan verloopt (en de geldkranen niet worden dichtgedraaid) zullen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en de Europese ESA in oktober 1997 gezamenlijk een 'dubbele' ruimtesonde naar Saturnus sturen: het Cassini/Huygens-project. Na een tocht van zeven jaar zal het Amerikaanse Cassini-deel, het 'moederschip', in een baan om Saturnus komen. Vier jaar lang zal hij Saturnus en zijn omgeving bestuderen.

Huygens zal, na van Cassini te zijn gescheiden, op een koers naar Titan worden gezet. Beschermd door een hitteschild zal hij met een vaart van 6 kilometer per seconde de dichte atmosfeer van deze maan binnendringen. Op een hoogte van 170 km is de snelheid zo sterk afgenomen, dat een hulpparachute kan worden geopend, direct gevolgd door de hoofdparachute. Terwijl de instrumenten hun metingen doen, daalt Huygens in ruim twee uur af naar het oppervlak. Zo wordt de gehele atmosfeer van Titan doorgemeten.

Bonus

'Na de landing blijft de sonde misschien nog enige tijd in werking, maar dat zal dan een bonus zijn, want daarvoor is de capsule niet ontworpen', aldus Paul Robert Nugteren. Hij is een van de onderzoekers van Fokker Space & Systems die het speciale model van Huygens hebben ontworpen en gebouwd. 'De capsule koelt door het contact met de bodem zo snel af, dat de batterijen niet voldoende energie meer leveren.' Aan het oppervlak van Titan is het 180 graden onder nul.

Een radiosignaal van Titan naar de aarde is ongeveer twee uur onderweg en dus zal de afdaling van Huygens in de atmosfeer van Titan volautomatisch moeten plaatsvinden. Het is daarom van het grootste belang om te weten of het uitwerpen en openen van de parachutes inderdaad gebeurt op de manier waarop dat wordt geprogrammeerd. Het zou wel heel frustrerend zijn als Huygens, na een geslaagde tocht van zeven jaar door de ruimte, in de laatste paar uur door het weigeren van een parachute alsnog mislukt.

Huygens weegt ongeveer 300 kilo. Een belangrijk deel van dit gewicht zit in het soepbordvormige hitteschild van 2,7 meter diameter, de aeroshell, dat de instrumenten moet beschermen als tijdens het binnendringen in de atmosfeer van Titan de temperatuur door de wrijving oploopt tot 12.000amer C. In de tweede helft van mei zal het testmodel van Huygens aan een enorme heliumballon worden opgelaten vanaf de ESA-basis Esrange in Lapland. Huygens is dan bevestigd onder een speciale gondel die aan de ballon hangt.

Na het bereiken van een hoogte van 38 km wordt de capsule losgelaten en begint hij aan een vrije val. Een halve minuut later (op 34,5 km hoogte) wordt een hulpparachute uitgestoten. Dat gebeurt op basis van een vooraf geprogrammeerde tijdklok. In de atmosfeer van Titan zal dit gebeuren wanneer versnellingsmeters een bepaalde snelheid signaleren.

'Het uitstoten van de hulpparachute gebeurt met een soort mortier, die dóór het achterste (bovenste) schild heen schiet', zegt Nugteren. 'Dat geweld is nodig om te bereiken dat de parachute voldoende ver van de capsule komt om zich in de luchtstroom te kunnen openen'. Als hij zich opent, trekt de parachute tevens het achterste schild weg, waardoor de hoofdparachute naar buiten wordt getrokken. Weer een halve minuut later (hoogte 30 km) wordt het voorste hitteschild afgeworpen, dat daarna vrij naar de aarde tuimelt.

De capsule zelf daalt intussen in ruim zes minuten naar een hoogte van 14,6 km. Speciale vaantjes aan de onderkant zorgen er voor dat de schotel langzaam draait en zich zo stabiliseert. Dan wordt een kleinere parachute uitgeworpen, waardoor de capsule weer wat sneller gaat dalen, iets wat straks in de dampkring van Titan ook moet gebeuren. Nugteren: 'De achtergrond hiervan is het feit dat Huygens het oppervlak van Titan moet bereiken vóórdat het om Saturnus draaiende moederschip Cassini achter de horizon is verdwenen'. Cassini moet in het jaar 2004 fungeren als 'steunzender' tussen Huygens en de aarde.

Een kleine tien minuten na het loslaten is de Huygens-schotel gedaald naar een hoogte van 4,8 km. Dan wordt een laatste, grotere parachute uitgevouwen, waarmee Huygens uiteindelijk met een snelheid van niet groter dan acht meter per seconde op aarde valt. De afdaling heeft dan in totaal ongeveer 17 minuten geduurd, in welke tijd vier parachute-mechanismen foutloos moeten hebben gefunctioneerd.

UFO-meldingen

Ook in de ophangkabel van de ballongondel is een parachute ingebouwd. Mocht de ballon tijdens het opstijgen knappen (een kans van ongeveer één op 25), dan kunnen gondel en capsule toch min of meer ongeschonden - en zonder brokken te maken - op aarde landen. Het enige deel dat ongecontroleerd omlaag komt is het schotelvormige hitteschild van de capsule. Misschien levert die val nog een aantal UFO-meldingen op: de weinige Lappen die hier wonen zijn echter over het gebeuren ingelicht.

In het capsule-model bevinden zich instrumenten die constant alle bewegingen en versnellingen registreren. Ook de temperatuur wordt gemeten. Positie en snelheid worden bepaald met behulp van de satellieten van het Global Positioning System. Al deze informatie wordt rechtstreeks naar het grondstation op aarde gezonden, zowel vanuit de capsule als door tussenkomst van een ontvanger en zender die zich in de achtergebleven ballongondel bevinden (de Cassini-imitatie). Eén camera filmt wat er boven de capsule gebeurt en een andere filmt het afwerpen van het hitteschild naar de aarde. De filmbanden bevinden zich in een behuizing die ook bij een ongelukkige landing heel moet blijven. Het hitteschild mag in de toendra verdwijnen, want daarmee en daaraan wordt toch niets gemeten, maar deze filmbanden moeten wel worden teruggevonden. Men verwacht dat de stroom van positiebepalingen de klaarstaande helikopter snel naar de juiste plaats zal leiden.

Het Esrange-terrein is ongeveer 70 bij 100 km groot. Om er zeker van te zijn dat Huygens ook werkelijk in dit gebied landt, wordt de ballon alleen binnen bepaalde weerssituaties opgelaten. De windsnelheid moet kleiner zijn dan 3 m/s, de temperatuur hoger dan 10amer C onder nul en het mag niet regenen. Ook de wind op grotere hoogte moet aan bepaalde eisen voldoen en er moeten voldoende GPS-satellieten boven de horizon staan. Misschien zullen de onderzoekers dus nog een flink aantal dagen 'vrij' hebben. Dat lijkt leuk, maar de ervaring heeft geleerd dat men in Lapland al snel op de rendieren is uitgekeken.