Pompoen met helium

De Ultra Long Duration Balloon van de nasa blijft stukken langer in de lucht dan al zijn voorgangers. Eind volgend jaar gaat de eerste operationele missie van start.

DE BALLON is het oudste luchtvaartuig dat de mens kent. Desondanks is hij nog lang niet uitontwikkeld. De Amerikaanse lucht- en ruimtevaartorganisatie NASA werkt hard aan een ballon die drie maanden op een hoogte tussen de 30 en 40 kilometer kan zweven met een nuttige lading van 1000 kilo. Daarmee krijgen wetenschappers een nieuw platform voor wetenschappelijke instrumenten tot hun beschikking. De eerste operationele missie van deze Ultra Long Duration Balloon (ULDB) gaat van start in december 2001.

Een ballon drie maanden lang in de lucht houden vereist een aanpak die radicaal breekt met de traditionele uitgangspunten van de ballonvaart, in het bijzonder de eigenschap dat in de ballon geen druk heerst die hoger is dan die van de atmosfeer. Dit uitgangspunt leidt in praktijk tot een beperkte duur van de vlucht. Neem een heliumballon. Deze kan niet de hele dag door evenveel helium bevatten. Als de ballon na zonsondergang afkoelt, neemt het volume van het helium – en daarmee het draagvermogen – af. Er moet dus helium worden bijgevuld. Als de zon opkomt begint het helium op te warmen en dus uit te zetten. Er moet helium ontsnappen, omdat de ballon anders knapt. Een hetelucht ballon heeft met dezelfde effecten te maken. Daar komt bij dat in dat geval de lucht voortdurend verhit moet worden om voldoende draagvermogen te houden.

Voor beide soorten ballons geldt dat de duur van de vlucht wordt beperkt door de meegevoerde hoeveelheid helium of brandstof. Het maximum van de vluchtduur is in de praktijk drie weken. De enige manier om hieraan te ontsnappen is de ballon te laten zweven in een toestand waarin de temperatuur nauwelijks varieert. Dat kan alleen in de poolstreken, waar het maanden achtereen dag of nacht is. De NASA voert dergelijke vluchten uit vanuit Fairbanks in Alaska en McMurdo Station op Antarctica. Dit zijn echter weinig aantrekkelijke operatiegebieden.

De ULDB heeft van deze beperkingen geen last. Het grote verschil met andere ballonnen is dat het omhulsel overdruk kan weerstaan. Als de helium overdag opwarmt, is dat geen probleem, want deze kan niet ontsnappen. Daardoor is het volume van de ULDB constant. Doordat de temperatuur van de atmosfeer gedurende het etmaal op 30 tot 40 kilometer hoogte weinig varieert, betekent dit dat de kruishoogte van een ULDB min of meer constant is. De ULDB is overigens niet de eerste overdruk-ballon. Kleine ballonnen van dit soort worden al jaren voor wetenschappelijke doeleinden gebruikt.

Wallops Flight Facility van NASA begon in 1997 met de ontwikkeling van de ULDB. Twee aspecten staan hierin centraal. De eerste heeft betrekking op het omhulsel van de ballon. Dit moet een hoge treksterkte hebben, zodat het de overdruk kan weerstaan. Daarnaast moet het omhulsel zo ondoorlaatbaar mogelijk zijn voor helium. De derde eis is dat het goed bestand is tegen UV-straling: die is boven de 30 kilometer genadeloos. De oplossing is een omhulsel dat uit drie lagen bestaat. De buitenste laag is een van polyester geweven stof van 30 denier. Deze levert het grootste deel van de treksterkte van 2600 newton per meter. Daartegenaan zit een folie gelijmd van polyester, dat de belangrijkste barrière vormt voor het helium. De binnenste laag is een folie van poly-ethyleen. De belangrijkste functie hiervan is om het ontstaan en groter worden van kleine gaatjes tegen te gaan. Niettemin zal helium toch langzaam ontsnappen. Daardoor wordt de vluchtduur in de praktijk beperkt tot een dag of honderd. Het omhulsel weegt 55 gram per vierkante meter.

lokale druk

Het andere belangrijke aspect van de overdruk-ballon is de vorm. De trekkracht die de overdruk op het omhulsel uitoefent is de resultante van de lokale druk en van de straal van het omhulsel. In kleine overdruk-ballonnen is deze zo klein, dat de ballon bolvormig kan zijn. De ULDB is echter zo groot, dat een bolvorm tot een te hoge trekkracht zou leiden. De oplossing voor dit probleem is de pompoen-vorm. Ieder schijfje van de pompoen heeft in horizontale richting een straal die veel kleiner is dan de straal van de ballon zelf. Daardoor is de trekkracht in deze richting beperkt. In verticale richting is er wel sprake van een grote straal. De trekkracht die dit tot gevolg heeft, kan worden weerstaan door de naden, waarin de secties van het omhulsel aan elkaar bevestigd zijn, dikker te maken. Deze vorm en constructiewijze hebben tot gevolg dat de trekkracht niet groter is dan 600 N/m. Dat is zoveel lager dan de treksterkte van 2600 N/m, dat de ontwerpers onderzoeken of het omhulsel dunner kan zijn dan nu het geval. Dan wordt het gewicht van het omhulsel lager, zodat het gewicht van de nuttige lading groter kan worden.

Het vluchtprofiel van de ULDB maakt hem bij uitstek geschikt voor wetenschappelijke missies. Dankzij de grote vlieghoogte bevindt 99 procent van de atmosfeer zich onder de ballon. Daardoor is een vrijwel ongehinderde blik op de ruimte mogelijk. De nuttige lading zal dan ook vaak bestaan uit telescopen en andere detectoren van signalen uit de ruimte. Het grote voordeel boven satellieten is dat de kosten lager liggen. Voorts vergt een missie met een ballon een voorbereidingstijd van dagen, aanzienlijk korter dan die bij een ruimtemissie. Als er een supernova ontdekt wordt, kan een ballon snel opgelaten worden om gedetailleerde beelden te maken – vooropgesteld dat de telescoop klaar ligt voor gebruik.

Dat de vlieghoogte niet boven de 40 kilometer uitkomt, heeft ook voordelen ten opzichte van kunstmanen. Doordat de ballon dichter bij de aarde is, kunnen er gedetailleerde beelden van die aarde worden gemaakt. Het voordeel boven vliegtuigen is, dat de ballon veel langer in de lucht kan blijven.

De eerste operationele missie van de ULDB is de TIGER, wat staat voor Trans Iron Galactic Element Recorder. Het instrument kan kosmische straling detecteren die afkomstig is van elementen met de atoomnummers 26 (ijzer) tot en met 40 (zirkonium). De TIGER gaat in december 2001 de lucht in. Het registreren van kosmische straling is overigens iets dat vaker wordt uitgevoerd met ballons.

Het ziet er naar uit dat het gebruik van ULDB's niet beperkt blijft tot de aarde. NASA studeert op vluchten van dit soort ballons in de atmosferen van de planeten Mars, Venus, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus en Titan, een maan van Saturnus. De mogelijkheden zijn legio. Behalve gedetailleerde beelden van het oppervlak van planeten als Mars en Venus, kunnen er monsters genomen worden van de atmosfeer. Dat kan op verschillende hoogtes. Vanuit de gondel onder de ballon kan een capsule worden neergelaten aan een kabel, wellicht is het mogelijk langs deze weg bodemmonsters te nemen.

ULDB is niet de eerste op dit gebied. In 1985 lieten de Russische satellieten VEGA-1 en VEGA-2 ieder een ballon los in de atmosfeer van Venus. Beide bleven ongeveer 46 uur werken. In die tijd legden de ballonnen 11.000 kilometer af. Onder de ballonnen hingen 6,35 kilo zware gondels die gegevens vastlegden over temperatuur, druk, dichtheid, windsnelheid en samenstelling van de atmosfeer. Met de ULDB zijn, net als op aarde, grotere nuttige ladingen en langere vluchten mogelijk. Zo biedt het oudste luchtvaartuig ons op termijn wellicht waarnemingsmogelijkheden van planeten die lucht- en ruimtevaarttechnologie van latere datum in de schaduw stelt.

    • Jan van den Berg