Deep Space 1 navigeert zelf; IONENMOTOR LIJKT GESCHIKT VOOR REIS NAAR PLANETOIDEN

OP 24 OKTOBER werd vanaf de Amerikaanse basis Cape Canaveral de Deep Space 1 gelanceerd. Hij bijt de spits af van NASA's New Millennium Program, een serie van satellieten en ruimtesondes die de nieuwe technologieen moeten testen die NASA in de komende eeuw in haar ruimteprojecten wil gaan toepassen. Met Deep Space 1 zal een dozijn van zulke noviteiten worden beproefd. De belangrijkste is een ionenmotor, die de baan van Deep Space 1 met een minimum aan energie zodanig moet gaan veranderen dat hij in juli 1999 op korte afstand langs de planetoide 1992 KD kan scheren.

De manshoge ruimtesonde, die een gewicht heeft van 490 kilogram, werd met behulp van een Delta II-raket in een baan om de zon gebracht die slechts weinig afwijkt van de baan van de aarde. Twee weken na de lancering zal een begin worden gemaakt met het testen van de ionenmotor die is gebouwd op het Jet Propulsion Laboratory (Pasadena) en NASA's Lewis Research Center (Cleveland). Bij een ionenmotor wordt gebruik gemaakt van de stuwkracht van een geioniseerd gas, in plaats van die van gassen die ontstaan door de explosieve reactie van een mengsel van chemische stuwstoffen.

In de ionenmotor worden atomen van het edelgas xenon uit een holle kathode bestookt met elektronen. De atomen raken hierdoor een elektron kwijt en krijgen een positieve elektrische lading. De positieve ionen worden vervolgens in een elektrostatisch veld - met een spanningsverschil van 1280 volt - versneld en vliegen dan de ruimte in. Volgens de derde wet van Newton veroorzaakt deze werking (actie) een stuwkracht (reactie) in tegenovergestelde richting. De ionenmotor heeft een diameter van 30 centimeter en levert een stuwkracht van maximaal 92 milli-newton, ofwel 9 gram.

Deze geringe stuwkracht maakt direct duidelijk dat ionenvoortstuwing geen zin heeft wanneer een ruimtevaartuig in korte tijd een grote snelheid moet krijgen: in zo'n geval bieden alleen conventionele, chemische stuwstoffen uitkomst. Maar wanneer de versnelling een lange tijd mag duren, kan ionenvoorstuwing grote besparingen bieden. Deep Space 1 heeft ongeveer 65 kg xenongas aan boord, waarop zijn ionenmotor ongeveer 15 maanden lang zou kunnen werken. De snelheid zou hierdoor met 3,6 km per seconde kunnen worden opgevoerd. Met eenzelfde hoeveelheid chemische stuwstof zou een snelheidstoename van slechts 0,4 km/s kunnen worden bereikt.

De oorzaak van dit grote verschil ligt in het feit dat de gasdeeltjes de ionenmotor met een snelheid van maar liefst 30 km/s verlaten: bijna tien maal zo snel als bij een motor die op chemische stuwstoffen werkt. De hoeveelheid impuls per massa-eenheid stuwstof, de specifieke impuls, is daardoor veel groter. Het hangt echter af van de massa van het ruimtevaartuig en van de beschikbare tijd of het gebruik van een ionenmotor zinvol is. Daar komt nog bij dat voor het ioniseren van het xenongas elektriciteit nodig is: in het geval van Deep Space 1 bij vol vermogen 2,5 kilowatt. Deze elektriciteit moet worden geleverd door zonnepanelen en die zijn alleen effectief op niet te grote afstand van de zon.

Ionenmotoren lijken heel geschikt voor (onbemande) reizen naar planetoiden en kometen in de binnendelen van het zonnestelsel. Daarnaast zullen ze waarschijnlijk in toenemende mate worden gebruikt voor het bijsturen van geostationaire satellieten: satellieten die op een `vast' punt boven de aarde moeten blijven staan. Twee van zulke - Amerikaanse - satellieten draaien reeds rond de aarde en ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA zit niet stil: eind volgend jaar zal de experimentele communicatiesatelliet Artemis worden gelanceerd, die ook met behulp van een ionenmotor op zijn plaats wordt gehouden.

STOREND

Als Deep Space 1 positieve ionen uitstoot, krijgt hij zelf een negatieve lading. Zo'n lading is storend voor de elektronica en instrumenten en leidt bovendien tot een minder effectieve ionenversnelling. Daarom worden de tijdens de ionisatie van het xenongas vrijkomende elektronen via een holle kathode in de uitstromende ionenbundel geinjecteerd. Deep Space 1 heeft allerlei instrumenten aan boord die moeten uitwijzen of de ruimtesonde zo elektrisch neutraal blijft.

Ook wordt nagegaan of het uitgestoten plasma de ruimte rond Deep Space 1 niet zodanig `vervuilt' dat metingen aan die ruimte zelf - en wat zich daarin bevindt - onmogelijk worden.

De tweede belangrijke techniek die met Deep Space 1 wordt beproefd is die van autonome navigatie. De ruimtesonde bepaalt door positiemetingen aan bekende planetoiden zelf zijn exacte positie in de ruimte. Op grond van de gemeten posities berekent het zijn baan en bepaalt vervolgens of er koerscorrecties nodig zijn om op het juiste moment bij het gewenste hemellichaam (in dit geval ook een planetoide) te arriveren. Tot nu toe werden de posities van ruimtesondes gewoonlijk bepaald met behulp van de radioschotels van NASA's Deep Space Network. Dit tijdrovende werk zal in de toekomst wellicht (deels) door ruimtesondes zelf kunnen worden overgenomen.