Wrijfwarmte

Tekening Daumier

Wat is toeval? Dat deze rubriek wordt geïllustreerd met een plaatje van dezelfde vallende ster als het artikel van Pek van Andel links? Sterker nog: met hetzelfde plaatje van dezelfde vallende ster? Nee, dat is geen toeval.

Is het toeval dat het het stuk links, waarin geen vallende ster genoemd wordt, juist dit plaatje van Honoré Daumier meekreeg? Ook niet, het is een plaatje uit het besproken boek dat het wezen van de ongezochte vondst weergeeft.

Maar is het dan toeval dat deze rubriek vandaag ook over vallende sterren gaat? Daar komt een sterfelijk mens niet achter. Vast staat dat de litho van Daumier een paar dagen binnen het gezichtsveld lag en dat hij ook is waargenomen. Maar daarna lag hij er ook weer een halve week niet en toen was elke herinnering aan een sterrenhemel boven Parijs verdwenen. Voor het gevoel is afgelopen week autonoom besloten vandaag te reageren op berispende lezersmail die op 1 maart was gearriveerd. Toen het stukje af was lag daar weer die tekening van Daumier. Griezelig.

De brief ging over de juiste verklaring voor het opgloeien van vallende sterren en van satellieten en shuttles die bedoeld of onbedoeld in de atmosfeer verbranden als zij daar met hoge snelheid vanuit outer space induiken. In de AW-rubriek was op 1 maart in een terzijde opgemerkt dat de brokstukken van de eerder neergeschoten spionagesatelliet USA 193 waren gaan gloeien door wrijving met de lucht en dat was de lezer niet bevallen. “Dit is een van de meest algemene en wijdverbreide foute ideeën in de fysica. Misschien op het idee na dat de fietser stabiliteit ontleent aan de rotatie van zijn wielen.”

Meteoren en brokstukken van ruimtepuin gloeien niet door wrijving met de lucht, liet hij weten, maar door stuwing van de lucht voor het neerstortende object. Vóór de voortrazende objecten wordt steeds lucht samengeperst en volgens oeroude formules, ook van toepassing op de fietspomp, warmt de lucht daarbij op. De hete lucht verwarmt weer de brokstukken, enzovoort.

Hoe zou nu in hemelsnaam het langsstromen van ijskoude lucht tot opwarming kunnen leiden, voegde hij er retorisch aan toe. Een goede vraag want pardoes zit de amateuronderzoeker met twijfels over het wezen van wrijving. Waaróm wordt het warm tussen de lucifer en het strijkvlak van zijn doos, tussen de remschoen en zijn trommel. Het is niet eenvoudig zich daarvan op moleculair niveau een voorstelling te maken. Het bestaande begrip berust eerder op gewenning dan inzicht.

Maar onaantastbaar ligt in het geheugen opgeslagen dat de opwarming die James Joule in 1849 registreerde toen hij een schoepenrad in een bak water liet draaien aan wrijving werd toegeschreven. Zo vond Joule het mechanisch warmte-equivalent. Zwaarwegende compressie-effecten zoals bij de snelle beweging door lucht zijn hier toch uit te sluiten. En als in het vat van Joule koud water warmer wordt omdat het tussen schoepen wordt geperst dan kan lucht toch wel warmer worden van een voortrazend stuk satelliet?

Is het nu wrijving of stuwing daar boven? Allebei, zegt raketdeskundige H.F.R. Schöyer, voorheen werkzaam bij de ESA. Per e-mail bezorgt hij de formule waarmee te berekenen valt wat, afhankelijk van de omstandigheden, de luchttemperatuur wordt in het ‘stuwpunt’ voor een object zoals een meteoriet of de vleugelrand van de shuttle. Maar, voegt hij toe, onderschat de wrijving niet. De huid van het supersone vliegtuig SR-71 kan door wrijving wel een temperatuur van 500 graden Celsius bereiken.

De satelliet USA 193 werd uitgeschakeld omdat hij onbestuurbaar was geworden. De zonnepanelen faalden en toen viel ook de boordverwarming uit, of net andersom, en van de weeromstuit bevroor de vloeibare brandstof en toen hield alles op. Het waren tamelijk huiselijke mededelingen die de buitenwacht ontving maar dat een onbemande satelliet verwarming aan boord heeft gaf een behaaglijk gevoel. Op internet wordt uitgelegd dat men de gevoelige elektronica bij voorkeur op kamertemperatuur houdt. Maar vreemd is dat in oktober, toen werd herdacht dat in 1957 de Spoetnik werd gelanceerd, te lezen viel dat de Russen destijds alles op alles hadden moeten zetten om te verhinderen dat de Spoetnik te heet zou worden. En de Spoetnik had bijna niets aan boord.

Wordt een satelliet in LEO (low earth orbit, zo’n 300 km hoog) zonder speciale voorzorgen nu juist heel koud of heel warm? Weer is het Schöyer die het antwoord geeft. Het hangt vooral af van de optische eigenschappen van de huid van de satelliet: wat die aan straling weerkaatst, absorbeert of spontaan uitzendt. Een satelliet in LEO ontvangt niet alleen veel warmte direct van de zon, maar ook indirect via weerkaatsing van de aarde, vooral van gebieden waar veel bewolking of sneeuw voorkomt. Dat is het albedo-effect. Bovendien is er de straling die de aarde sowieso uitzendt omdat zij nu eenmaal een tamelijk hoge temperatuur heeft. De langgolvige warmtestraling.

De satelliet ontvangt drie soorten straling die flink in samenstelling verschillen. Zij kan die straling weerkaatsen of absorberen. Sowieso zendt zij, net als de aarde, rondom straling uit, dat laatste maar liefst in evenredigheid met de vierde macht van de huidtemperatuur. Kleine veranderingen hebben direct grote gevolgen. Op den duur ontwikkelt de huid van de satelliet een temperatuur waarbij er evenwicht is tussen de hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd en uitgezonden. De gemiddelde verblijftijd in de aardschaduw is daarop nog van grote invloed.

Wordt het vanzelf warm of koud? Het kan allebei. Er is bekledingsmateriaal te vinden dat veel absorbeert en weinig uitstraalt en dat daarmee de satelliet flink opwarmt. Maar er is ook materiaal dat de felste straling sterk reflecteert en dat tegelijk de eigen warmtestraling goed wegzendt. Daarbinnen kan het huiveringwekkend koud worden.