Tegeltjes ruimteveer altijd een probleem geweest

Het ongeluk met het Amerikaanse ruimteveer Columbia lijkt te zijn veroorzaakt door de inwerking op elkaar van de isolatie van de brandstoftank en het toestel zelf.

Voor zover daarover op dit moment zekerheid bestaat is het ongeluk met de Columbia het gevolg van de fatale inwerking op elkaar van twee soorten isolatie: die van de externe brandstoftank en die van het Amerikaanse ruimtevliegtuig zelf. Tijdens de lancering op 16 januari zouden een of meer stukken uitgehard isolatieschuim van de externe brandstoftank zijn losgelaten en afgeketst tegen de onderzijde van de linkervleugel van de `orbiter'. Daar zijn extreem lichte, brosse isolerende tegeltjes aangebracht die, volgens een simulatiemodel van NASA, over een strook van 18 bij 78 cm schade kunnen hebben opgelopen. Bij terugkeer in de atmosfeer, zaterdag, kan die schade zich hebben uitgebreid.

Het eigenaardige is dat het niet de eerste keer is dat de externe brandstoftank isolatiemateriaal verliest. Nog in oktober was hetzelfde gebeurd tijdens vlucht STS-112 met de Atlantis. In 1985 was schuim losgebroken van de tank die brandstof leverde aan de Discovery in vlucht STS-51-D.

De externe tank (ET) is de roestbruine `raket' die het ruimtevliegtuig op zijn rug draagt. Hij wordt in New Orleans geassembleerd door Lockheed Martin en kort voor de lancering volgetankt met vloeibare zuurstof en waterstof. De een met een temperatuur van min 180 graden celsius, de ander met een temperatuur van min 250 graden. De vloeistoffen worden verpompt naar de hoofdmotor van de orbiter en daar met elkaar verbrand. De ET zelf is dus geen echte raket maar een heel lichte constructie die na een minuut of twee, als hij leeg is, wordt afgeworpen en meestal in zee terecht komt (men lanceert in oostelijke richting). Hij wordt niet opnieuw gebruikt.

De ET is bedekt met een dikke laag isolerend schuim die er volgens de NASA op wordt gespoten en ter plekke uithardt. De isolatie moet voorkomen dat waterstof en zuurstof te veel warmte opnemen uit de omgeving en daardoor sterk gaan verdampen (of druk opbouwen). Bovendien moet de laag voorkomen dat zich op de buitenkant van de ET veel ijs afzet. De tank zou daardoor te zwaar worden en mogelijk ook een ongunstige aerodynamische vorm krijgen. Helemaal te voorkomen is ijsafzetting niet, er is in het verleden geregeld sprake geweest van ijs dat van de ET viel en – ook al – de tegels van een orbiter beschadigde. Ook daarover is altijd nogal laconiek gedaan.

De isolatielaag die op diverse plaatsen, maar vooral aan de onderzijde van de orbiter, is aangebracht, is van een veel geavanceerder type. Dat isolatiemateriaal moet immers ook nog eens vuurvast zijn. Tijdens de `re-entry', de terugkeer in de atmosfeer, kan de orbiter door wrijving met de lucht een temperatuur van wel 1.700 graden Celsius bereiken. De isolatie (het `thermal protection system' TPS) moet de temperatuur van de orbiter-huid beneden de 180 graden Celsius houden.

Afhankelijk van de plaats op de orbiter is ander isolatiemateriaal aangebracht. Deze dagen concentreert de aandacht zich op de hittebestendige tegels die over de gehele onderzijde van de orbiter zijn gemonteerd. Ze vormen bij elkaar ook de hoofdmoot van de isolatie. NASA duidt ze aan met HRSI-tegels.

In standaardafmetingen zijn de keramische tegels 15 bij 15 cm groot en een of meer duim (inches) dik. Ze worden gebakken uit versponnen siliciumoxide waarvan men de vezels bij hoge temperatuur laat versinteren. De dichtheid (soortelijk gewicht) van de tegels is maar 150 gram per dm³, ze zijn dus veel lichter dan water, dat een dichtheid van 1000 heeft. De buitenzijde van de tegels wordt, met behulp van een aantal hulpstoffen, zwart verglaasd, wat de afgifte van hittestraling ten goede komt. Elke tegel heeft een uniek nummer.

De zwakte van de tegels is hun brosheid (je zou er waarschijnlijk niet over kunnen lopen) en – vreemd genoeg – hun vormvastheid. Ze kunnen de bewegingen van de aluminium huid van de orbiter niet volgen: niet de bewegingen die het gevolg zijn van temperatuurverandering en niet de buiging en rek die bij mechanische belasting optreedt. Daarom worden ze niet rechtstreeks vastgelijmd op de orbiter-huid maar gaat daar eerst een mat van Nomex-vezels op: de `strain isolation pad' (SIP). Die vangt de vormverandering op. Tussen de tegels wordt zekerheidshalve een smalle voeg opengehouden.

Vanaf het eerste begin zijn de tegels een probleem geweest. Toen de Columbia (de oudste orbiter) eind jaren zeventig op de rug van een Boeing werd overgevlogen verloor hij bijna de helft van zijn tegels. Ook bij de eerste lancering van de Columbia (in 1981) raakte een vijftiental tegels los. En later is het geregeld opnieuw voorgekomen dat tegels losraakten of schade opliepen van vallend ijs. In alle gevallen zijn ze vervangen door nieuwe tegels die tussen de oude werd vastgelijmd.

Voor wat betreft het verongelukken van de Columbia moet er rekening mee worden gehouden dat de kennelijk beschadigde of verdwenen tegels de aerodynamica van de orbiter zozeer hebben aangetast dat er zware turbulenties werden opgewekt die nog meer tegels lostrokken. Ook kan, door dezelfde of een andere oorzaak, de linkervleugel van de Columbia zo sterk zijn vervormd dat de tegels eenvoudigweg lossprongen omdat zij zelfs met een Nomex-mat de vormverandering niet konden volgen.