Het is verbazingwekkend om te bedenken dat er op dit moment telescopen in de ruimte zijn die hun blik uren, dagen en zelfs weken op verre objecten richten. Een standpunt bieden dat zo stabiel en nauwkeurig is dat we details over sterrenstelsels, exoplaneten en meer kunnen leren.
En dan, als de tijd om is, kan het ruimtevaartuig zijn blik in een andere richting verplaatsen. Allemaal zonder brandstof.
Het is allemaal te danken aan de technologie van reactiewielen en gyroscopen. Laten we het hebben over hoe ze werken, hoe ze anders zijn en hoe hun mislukking in het verleden missies heeft beëindigd.
Hier is het snelle antwoord. Met reactiewielen kunnen ruimtevaartuigen hun oriëntatie in de ruimte veranderen, terwijl gyroscopen een telescoop ongelooflijk stabiel houden, zodat ze met een hoge nauwkeurigheid op een doel kunnen richten.
Als je genoeg afleveringen van Astronomy Cast hebt beluisterd, weet je dat ik altijd klaag over reactiewielen. Het lijkt altijd het punt van mislukking te zijn bij missies en ze voortijdig te beëindigen voordat de wetenschap er helemaal bij is.
Ik heb in het verleden waarschijnlijk de termen reactiewielen en gyroscopen door elkaar gebruikt, maar ze dienen iets andere doeleinden.
Laten we eerst praten over reactiewielen. Dit is een type vliegwiel dat wordt gebruikt om de oriëntatie van een ruimtevaartuig te veranderen. Denk aan een ruimtetelescoop die van doelwit naar doel moet schakelen, of een ruimtevaartuig dat zichzelf naar de aarde moet terugdraaien om gegevens te communiceren.
Ze staan ook bekend als momentumwielen.
Er is geen luchtweerstand in de ruimte. Wanneer een wiel in één richting draait, draait de hele telescoop in de tegenovergestelde richting, dankzij de derde wet van Newton - weet je, voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Met wielen die in alle drie de richtingen draaien, kunt u de telescoop in elke gewenste richting draaien.
De wielen zijn op hun plaats bevestigd en draaien tussen 1.000 en 4.000 omwentelingen per minuut, waardoor het impulsmoment in het ruimtevaartuig wordt opgebouwd. Om de oriëntatie van het ruimtevaartuig te veranderen, veranderen ze de snelheid waarmee de wielen draaien.
Dit creëert een koppel waardoor het ruimtevaartuig zijn oriëntatie of precess in een gekozen richting verschuift.
Deze technologie werkt alleen met elektriciteit, wat betekent dat u geen drijfgas hoeft te gebruiken om de oriëntatie van de telescoop te veranderen. Zolang je genoeg rotors hebt, kun je je richting blijven veranderen met alleen de kracht van de zon.
Reactiewielen worden gebruikt op vrijwel elk ruimtevaartuig dat er is, van kleine Cubesats tot de Hubble-ruimtetelescoop.
Met drie wielen kun je je oriëntatie veranderen naar elke plek in 3 dimensies. Maar de LightSail 2 van de Planetary Society heeft maar één momentumwiel om de oriëntatie van zijn zonnezeil te verschuiven, van de rand naar de zon en vervolgens breed om zijn baan alleen door zonlicht te verhogen.
Natuurlijk zijn we het meest bekend met reactiewielen vanwege de keren dat ze zijn mislukt, waardoor ruimtevaartuigen buiten dienst zijn gesteld. Missies zoals FUSE en JAXA's Hayabusa.
Kepler's verlies van reactiewielen en de ingenieuze oplossing
Het meest bekend is de Kepler-ruimtetelescoop van NASA, gelanceerd op 9 maart 2009 om planeten te vinden die in een baan om andere sterren draaien. Kepler was uitgerust met 4 reactiewielen. Er waren er drie nodig om de telescoop zorgvuldig op een gebied in de lucht gericht te houden, en vervolgens een reserve.
Het keek of een ster in zijn gezichtsveld met een factor 1 op 10.000 in helderheid zou veranderen, wat aangeeft dat er een planeet voorbij zou kunnen gaan. Om bandbreedte te besparen, stuurde Kepler eigenlijk alleen informatie over de verandering in helderheid van de sterren zelf.
In juli 2012 faalde een van de vier reactiewielen van Kepler. Het had er nog drie, wat het minimum was dat nodig was om stabiel genoeg te zijn om zijn waarnemingen voort te zetten. En toen, in mei 2013, kondigde NASA aan dat Kepler een storing had met een van zijn andere wielen. Dus het waren er maar twee.
Hierdoor kwamen de belangrijkste wetenschappelijke operaties van Kepler tot stilstand. Met slechts twee wielen in werking, kon het zijn positie niet langer nauwkeurig genoeg handhaven om de sterhelderheid te volgen.
Hoewel de missie een mislukking had kunnen zijn, bedachten ingenieurs een ingenieuze strategie, waarbij ze de lichte druk van de zon gebruikten om als een kracht in één as te werken. Door het ruimtevaartuig perfect in het zonlicht te balanceren, konden ze de andere twee reactiewielen blijven gebruiken om waarnemingen te blijven doen.
Maar Kepler werd gedwongen om naar het kleine plekje in de lucht te kijken dat toevallig in lijn was met zijn nieuwe oriëntatie, en verschoof zijn wetenschappelijke missie naar het zoeken naar planeten rond rode dwergsterren. Het gebruikte zijn drijfgas aan boord en keerde terug naar de aarde om gegevens te verzenden. Kepler had op 30 oktober 2018 eindelijk geen brandstof meer en NASA rondde zijn missie af.
Op hetzelfde moment dat Kepler worstelde met zijn reactiewielen, had NASA's Dawn-missie problemen met exact dezelfde reactiewielen.
Dawn's verlies van reactiewielen
Dawn werd gelanceerd op 27 september 2007 met als doel de twee van de grootste asteroïden in het zonnestelsel te verkennen: Vesta en Ceres. Het ruimtevaartuig ging in juli 2011 in een baan om Vesta en bracht het volgende jaar door met het bestuderen en in kaart brengen van de wereld.
Het zou Vesta verlaten en in augustus 2012 naar Ceres vertrekken, maar het vertrek werd met meer dan een maand vertraagd vanwege problemen met de reactiewielen. Vanaf 2010 ontdekten ingenieurs steeds meer wrijving in een van de wielen, dus schakelde het ruimtevaartuig over op de drie werkende wielen.
En toen, in 2012, begon de tweede van zijn wielen ook wrijving te krijgen, en het ruimtevaartuig bleef achter met slechts twee overgebleven wielen. Niet genoeg om het volledig in de ruimte te houden met alleen elektriciteit. Dit betekende dat het zijn hydrazine-drijfgas moest gaan gebruiken om zijn oriëntatie gedurende de rest van zijn missie te behouden.
Dawn bereikte Ceres en door zorgvuldig gebruik van drijfgas kon hij deze wereld en zijn bizarre oppervlaktekenmerken in kaart brengen. Eindelijk, eind 2018, was het ruimtevaartuig zonder drijfgas en kon het zijn oriëntatie niet langer behouden, Ceres in kaart brengen of zijn signalen terugsturen naar de aarde.
Het ruimtevaartuig blijft in een baan om Ceres draaien, hulpeloos tuimelend.
Er is een lange lijst met missies waarvan de reactiewielen zijn mislukt. En nu denken wetenschappers dat ze weten waarom. Er is in 2017 een paper verschenen waarin werd vastgesteld dat de omgeving van de ruimte zelf het probleem veroorzaakt. Terwijl geomagnetische stormen het ruimtevaartuig passeren, genereren ze ladingen op de reactiewielen die een toename van de wrijving veroorzaken en ervoor zorgen dat ze sneller slijten.
Ik zal een link plaatsen naar een geweldige video van Scott Manley die meer in detail gaat.
Hubble-ruimtetelescoop en zijn gyroscopen
De Hubble-ruimtetelescoop is uitgerust met reactiewielen om de algehele oriëntatie te veranderen, waarbij de hele telescoop rond de snelheid van een minutenwijzer op een klok draait - 90 graden in 15 minuten.
Maar om op één doelwit gericht te blijven, gebruikt het een andere technologie: gyroscopen.
Er zijn 6 gyroscopen op Hubble die draaien met 19.200 omwentelingen per minuut. Ze zijn groot, massief en draaien zo snel dat hun traagheid bestand is tegen veranderingen in de oriëntatie van de telescoop. Het werkt het beste met drie - passend bij de drie dimensies van de ruimte - maar kan werken met twee of zelfs één, met minder nauwkeurige resultaten.
In augustus 2005 waren de gyroscopen van Hubble versleten en NASA schakelde over naar de modus met twee gyroscopen. In 2009, tijdens Servicing Mission 4, bezochten NASA-astronauten de ruimtetelescoop en verving alle zes zijn gyroscopen.
Dit is waarschijnlijk de laatste keer dat astronauten Hubble ooit zullen bezoeken, en de toekomst hangt af van hoe lang deze gyroscopen meegaan.
Hoe zit het met James Webb?
Ik weet dat de enkele vermelding van de James Webb-ruimtetelescoop iedereen zenuwachtig maakt. Meer dan 8 miljard dollar geïnvesteerd tot nu toe en over ongeveer twee jaar gelanceerd. Het gaat vliegen naar het Earth-Sun L2 Lagrange-punt, ongeveer 1,5 miljoen kilometer verwijderd van de aarde.
In tegenstelling tot Hubble is er geen manier om de James Webb eruit te vliegen om hem te repareren als er iets misgaat. En gezien hoe vaak gyroscopen zijn mislukt, lijkt dit echt een gevaarlijk zwak punt. Wat als de gyroscopen van James Webb falen? Hoe kunnen we ze vervangen.
James Webb heeft wel reactiewielen aan boord. Ze zijn gebouwd door Rockwell Collins Deutschland en ze lijken op de reactiewielen aan boord van NASA's Chandra-, EOS Aqua- en Aura-missies - dus een andere technologie dan de mislukte reactiewielen op Dawn en Kepler. De Aura-missie zorgde in 2016 voor schrik toen een van de reactiewielen naar beneden draaide, maar deze werd na tien dagen hersteld.
James Webb gebruikt geen mechanische gyroscopen zoals Hubble om het doelwit te houden. In plaats daarvan gebruikt het een andere technologie die hemisferische resonatorgyros of HRG's wordt genoemd.
Deze gebruiken een kwartshelft die heel precies is gevormd, zodat deze op een zeer voorspelbare manier resoneert. De halve bol is omgeven door elektroden die de resonantie aansturen, maar ook kleine veranderingen in de oriëntatie detecteren.
Ik ken dat soort wartaal, alsof het wordt aangedreven door eenhoorndromen, maar je kunt dit zelf ervaren.
Houd een wijnglas vast en veeg het met je vinger zodat het rinkelt. De ring is het wijnglas dat heen en weer buigt op zijn resonantiefrequentie. Terwijl je het glas draait, draait het buigen ook heen en weer, maar het blijft op een zeer voorspelbare manier achter op de oriëntatie.
Wanneer deze oscillaties duizenden keren per seconde plaatsvinden in een kwartskristal, is het mogelijk om kleine bewegingen te detecteren en daar vervolgens rekening mee te houden.
Zo blijft James Webb op zijn doelen gericht.
Deze technologie vloog op de Cassini-missie bij Saturnus en werkte perfect. Vanaf juni 2011 had NASA zelfs gemeld dat deze instrumenten 18 miljoen uur continu in de ruimte hadden gewerkt op meer dan 125 verschillende ruimtevaartuigen zonder een enkele storing. Het is eigenlijk heel betrouwbaar.
Ik hoop dat dat de zaken opheldert. Reactie- of momentumwielen worden gebruikt om ruimtevaartuigen in de ruimte te heroriënteren, zodat ze in verschillende richtingen kunnen kijken zonder drijfgas te gebruiken.
Gyroscopen worden gebruikt om een ruimtetelescoop nauwkeurig op een doelwit te houden, voor de beste wetenschappelijke gegevens. Het kunnen mechanische spinnewielen zijn, of ze gebruiken de resonantie van vibrerende kristallen om veranderingen in traagheid te detecteren.
