Het allereerste ruimtestation was gemaakt van bakstenen, was cirkelvormig, had een diameter van ongeveer 60 meter en werd gebruikt voor navigatie. De Amerikaanse dominee Edward Everett Hale lanceerde in 1869 deze uit de kluiten gewassen satelliet in zijn boek The Brick Moon, inclusief een aantal mensen aan boord. Dat was nog fictie.
Het duurde tot 1957 voordat de Russen daadwerkelijk de eerste satelliet de ruimte in schoten, een jaar later gevolgd door de Amerikanen. Het eerste échte ruimtestation liet op zich wachten tot begin jaren '70, vlak na de Amerikaanse landing op de maan. Inmiddels zwerven er door de onmetelijke ruimte duizenden voorwerpen die door de mens zijn gemaakt. Ze voorzien ons onder meer van plaatjes voor Google Maps, gegevens voor onze naviatie en bewegende tv-beelden tijdens de Olympische Spelen. Maar wat voor creaties vind je allemaal in de ruimte? Hoe werken ze precies? Wat is hun nut? Op welke manier komen ze daar zo hoog in de lucht? En nog belangrijker, hoe blijven ze daar? Reden genoeg om eens een spreekwoordelijke blik omhoog te werpen!
Satellieten (ook wel: kunstmanen) zijn door de mens gemaakte objecten, die in een baan om een planeet (meestal de aarde) zweven. Van de duizenden voorwerpen die door de ruimte vliegen is echter het grootste deel afval, van afgedankte satellieten tot een door een astronaut kwijtgeraakte handschoen. De ruim 500 nog werkende satellieten in de ruimte vind je in diverse soorten en maten, waarbij dit de belangrijkste zijn:
- Ruimtetelescopen buiten de dampkring hebben geen last van bewolking of luchtvervuiling. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt om zwakke elektromagnetische straling uit de ruimte te detecteren, of te zoeken naar zogeheten gravitatiegolven. Een bekende ruimtetelescoop is de Hubble;
- Om informatie over lange afstanden van de ene plek op aarde naar de andere te sturen, wordt vaak gebruik gemaakt van communicatiesatellieten. Het gaat dan bijvoorbeeld om TV-signalen, telefoongesprekken of internetverkeer. De bekende schotelantennes, die je vaak op huizen en flats ziet staan, vangen meestal signalen van de ASTRA satellieten op;
- Met behulp van een navigatiesatelliet (Figuur 1a) kun je op aarde je huidige positie bepalen. Het meest gebruikte systeem is het Amerikaanse GPS, waarmee je je positie tot op 15 meter nauwkeurig kunt bepalen, genoeg voor bijvoorbeeld TomTom. Momenteel is de Europese Unie haar eigen systeem Galileo aan het bouwen dat tot op de millimeter (!) nauwkeurig moet worden;
- Met een spionagesatelliet kun je stiekem je ‘vijand’ bekijken, zonder dat die daar erg in heeft. Bijna alle grote landen in de wereld hebben wel ´e´en of meer van deze satellieten, die met een hoge nauwkeurigheid foto’s kunnen maken. Omdat het bij deze satellieten meestal om geheime militaire projecten gaat, is er relatief weinig over bekend;
- Weersatellieten worden gebruikt om inzicht te krijgen in veranderingen in het weer en het klimaat, bijvoorbeeld met behulp van foto’s als in Figuur 1b. Informatie over de aanwezigheid en samenstelling van wolken zijn natuurlijk nuttig voor weersverwachtingen, maar daarnaast komen we meer te weten over sneeuwdikten, luchtvervuiling, (bos)branden, asregens bij vulkaanuitbarstingen, enzovoort;
- Websites als Google Maps maken gebruik van beelden van observatiesatellieten. Deze doen min of meer hetzelfde als spionagesatellieten, alleen dan voor niet-militaire doeleinden. Op verzoek van de Nederlandse overheid heeft Google trouwens bijvoorbeeld vliegvelden en marinehavens in Nederland ‘vaag’ (slecht zichtbaar) gemaakt. Zoek maar eens op Google Maps naar vliegveld Twente!
Als een satelliet niet goed (meer) functioneert, kan een land besluiten deze vanwege mogelijke milieuschade of om strategische redenen te vernietigen. Zo schoot China een tijdje geleden nog een oude weersatelliet uit de lucht, en vernietigden de VS begin vorig jaar met een raket een kapotte spionagesatelliet. En soms is er per ongeluk een botsing: in februari 2009 vlogen boven Siberië een Russische en een Amerikaanse communicatiesatelliet op elkaar. Beide satellieten vielen in brokstukken uiteen, en zullen waarschijnlijk in de dampkring verbranden.
Een relatief grote satelliet die permanent wordt bewoond door mensen, noemen we ook wel een ruimtestation. Bekende voorbeelden van ruimtestations zijn het International Space Station (ISS, zie figuur 2a), waar ook Nederland aan meewerkt, en het oude Russische station MIR, dat men een paar jaar geleden heeft afgedankt en laten neerstorten in een oceaan op aarde. Een ruimtestation kan zichzelf nauwelijks voortbewegen en kan niet landen op aarde; in plaats daarvan worden voertuigen gebruikt die de stations bevoorraden, zoals de welbekende Space Shuttle. In figuur 2b zie je zo'n Space Shuttle, terwijl hij een 'lift' naar huis krijgt van een speciale Boeing 747, nadat de Shuttle ergens een tijdje in reparatie was geweest. Als een Space Shuttle echt de ruimte ingaat, dan doet hij dat helemaal op eigen kracht.
In een ruimtestation wordt onderzoek gedaan naar de invloed van de zwaartekracht op allerlei zaken, zoals planten, schimmels, kristallen en het menselijk lichaam. In een ruimtestation ondervind je immers geen zwaartekracht. Maar wat is het nut van de experimenten? Leveren ze wetenschappelijke doorbraken op, meer kennis over het heelal en nieuwe technologieën, zoals je zo vaak hoort? Teflon, waar de anti-aanbaklaag in pannen van wordt gemaakt, hebben we toch ook te danken aan de ruimtevaart? Helaas is dat voorbeeld een fabeltje! Teflon werd al jaren voor de eerste ruimtevlucht uitgevonden. Het klopt wel dat teflon veel gebruikt werd in de ruimte, en dat door de groeiende vraag de productie een stuk beter en goedkoper werd. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA of de Europese ESA hebben echter geen enkele reden om dat fabeltje de wereld uit te helpen, omdat het sterk tot de verbeelding spreekt. Wetenschappers en andere critici beweren namelijk steeds vaker dat ruimtevaart helemaal geen wetenschappelijke vooruitgang oplevert. Volgens hen is het vooral een mooi avontuur, een stukje prestige en nationale trots. In ieder geval een duur avontuur, want volgens een ruime schatting kost bijvoorbeeld het hele ISS in totaal meer dan 100 miljard euro!
Hoe blijft een satelliet in een baan om de aarde?
De meeste satellieten worden in een baan om de aarde gebracht met behulp van een lanceerraket, zoals de Europese Ariane-raket. Een andere manier om satellieten in de ruimte te brengen, is ze aan boord van een Space Shuttle mee te nemen en in de ruimte uit te zetten. Dat is bijvoorbeeld met de Hubble telescoop gebeurd. Tenslotte kun je ze ook nog lanceren vanaf een vliegtuig, zodat je maar een deel van de zwaartekracht hoeft te 'overwinnen' en dus een kleinere raket nodig hebt. Ruimtestations worden niet ineens gelanceerd, maar in de loop der jaren opgebouwd uit onderdelen, die net als satellieten in de ruimte worden gebracht. Zo is de bouw van het ISS begonnen in 1998, en als alles goed gaat wordt in 2010 het laatste onderdeel toegevoegd.
Om een kunstmaan in een cirkelvormige baan rond de aarde te houden, moet je ervoor zorgen dat hij op een bepaalde afstand beweegt, met de 'goede' richting en snelheid. De aantrekkingskracht (gravitatiekracht) van de aarde zorgt er dan voor dat de satelliet niet wegvliegt, maar steeds richting de aarde 'valt'. Hij volgt dus de kromming van de aarde en beweegt in een cirkelbaan. De richting van de gravitatiekracht is altijd naar het middelpunt van de cirkelbaan toe, en de grootte is afhankelijk van de massa van aarde (m1) en satelliet (m2), hun onderlinge afstand (r) en een gravitatieconstante (G):
Vergelijking om de grootte van de gravitatiekracht te berekenen.
Een soortgelijke kracht kom je tegen als je bijvoorbeeld een emmer aan een touw boven je hoofd slingert. De grootte van deze zogeheten middelpuntzoekende kracht hangt niet alleen af van de massa (m) en snelheid (v) van het voorwerp (in dit geval de satelliet), maar ook van zijn afstand tot het middelpunt van de cirkelbaan (r):
Vergelijking om de grootte van de middelpuntzoekende te berekenen.
De middelpuntzoekende kracht is geen 'extra' kracht, maar wordt gevormd door een kracht die aanwezig is. In dit geval is de middelpuntzoekende kracht gelijk aan de gravitatiekracht. Afhankelijk van zijn baan staat de satelliet stil ten opzichte van het aardoppervlak, of beweegt hij een klein beetje. Ook hoeft de baan niet precies cirkelvormig te zijn: sommige banen zijn elliptisch, met de aarde in het brandpunt van de ellips. De afstand van satellieten tot de aarde is meestal zo´n 36 duizend kilometer en hun snelheid is meer dan 11 duizend kilometer per uur!
Ten slotte
Tot zover deze korte introductie op satellieten en ruimtestations. Met de onderstaande opgave kun je kijken of je met het principe van de middelpuntzoekende kracht kunt rekenen.
Bronnen
1 The Brick Moon, Wikipedia, the free encyclopedia. April 2008.
2 Satellite, Wikipedia, the free encyclopedia. April 2008.
3 From Brick Moon to space laboratory, European Space Agency. November 2006.
4 Ruimteavontuur. Wat heeft de ESA in het heelal te zoeken? Job van der Wagt. Intermediair 14. April 2008.
5 Teflon-mythe, Intermediair. Juni 2007.
Opgave
In bovenstaand artikel hebben we gelezen over de gravitatiekracht, die optreedt als middelpuntzoekende kracht en ervoor zorgt dat een satelliet in een baan om de aarde blijft. In deze opgave gaan we wat berekeningen uitvoeren. We gaan er voor het gemak van uit, dat de satelliet precies een cirkelbaan beschrijft, en in exact 24 uur een rondje om de aarde draait.
a) Laat met de genoemde formules zien dat de benodigde snelheid van de satelliet niet afhangt van zijn massa.
Voor de snelheid kunnen we ook een andere formule opstellen. In deze formule is T de tijd die de satelliet nodig heeft om de omtrek van de cirkelbaan één keer te doorlopen:
b) Laat zien dat we de afstand van satelliet tot het middelpunt van de aarde kunnen berekenen met:
c) Bereken de afstand van een satelliet tot het aardoppervlak. De massa van de aarde is 5,97 · 1024 kg, de (gemiddelde) straal is 6,37 · 106 m, en de gravitatieconstante G = 6,67 · 10-11 m3 kg-1 s-2. Klopt je antwoord met wat in de tekst staat?
d) Bereken de snelheid van de satelliet. Komt deze overeen met het getal uit de tekst?
Uitwerking vraag (a)
Uitwerking vraag (b)
Uitwerking vraag (c)
Merk op dat je de tijd T naar seconden moet omrekenen. De afstand tot het aardoppervlak is de afstand tot het middelpunt van de aarde, minus de straal van de aarde:
En dat antwoord komt ongeveer overeen met de 36 duizend kilometer die in de tekst wordt genoemd.
Uitwerking vraag (d)
Ook dit antwoord klopt aardig met de 11 duizend kilometer per uur uit de tekst.
