Landen op Mars en Titan: een vurig avontuur
Onder extreme omstandigheden krijgen ruimtetuigen met enorme temperaturen af te rekenen. Soms krijgen ESA-sondes met een helse hitte te maken, wanneer ze bijvoorbeeld alvorens te landen op een ander hemellichaam een vurige doortocht door een atmosfeer moeten maken.
Het is enerzijds bitterkoud in de ruimte, anderzijds ondergaan ruimtetuigen extreem hoge temperaturen wanneer ze worden blootgesteld aan de straling van de zon. Er zijn nog andere extreme omstandigheden waarbij ruimtetuigen met een enorme hitte te maken krijgen, zoals wanneer een lander met grote snelheid door de atmosfeer van een verre planeet of een ander hemellichaam klieft.
Zoals remmen met een auto
De hoge temperaturen ontstaan dan door de wrijving tussen de lander en de atmosfeer en kunnen duizenden graden Celsius bedragen. Con McCarthy is senior engineer bij het project Mars Express, de Europese sonde die in mei van start gaat op weg naar de Rode Planeet Mars. Hij legt uit dat het proces te vergelijken is met het remmen van een auto.
'Wanneer een auto snel beweegt en je remt, dan wordt al de energie van de voorwaartse beweging van de auto omgezet in hitte. Daardoor worden de remschijven gloeiend heet. Op dezelfde wijze wordt een groot deel van de hitte die ontstaat wanneer een lander met hoge snelheid in de atmosfeer van een planeet terechtkomt voortgebracht door wrijving.'
Landers moeten dus goed worden voorbereid om te weerstaan aan deze extreme temperaturen. Hun hitteschilden zijn hoogtechnologische producten en bestaan uit materialen die het ruimtetuig tijdens de afdaling in de atmosfeer beschermen en isoleren. Daarbij gebruiken ingenieurs twee belangrijke technologieën.
Twee technologieën
De eerste is gebaseerd op zogenaamde ablatieve materialen. Die absorberen hitte door tijdens de afdaling te smelten en af te breken. De tweede technologie bestaat uit radiatoren, materialen die hitte in de ruimte uitstralen en op die manier het ruimteschip beschermen. Deze materialen moeten het ruimtetuig goed isoleren, in het bijzonder bij zeer hoge temperaturen.
Ablatieve materialen maken gebruik van conventionele technologie en zijn meestal goedkoper en zwaarder. Bij radiatoren komt meer geavanceerde technologie om de hoek kijken. Dit materiaal is lichter en in het algemeen duurder. Het kan daarentegen meestal hergebruikt worden, zoals bijvoorbeeld bij de Amerikaanse spaceshuttle.
Mars Express
'Het hitteschild van Beagle 2, de lander van de ESA-sonde Mars Express, bestaat uit ablatief materiaal, dat te vergelijken is met kurk,' zegt McCarthy. 'Nadat het de hitte heeft geabsorbeerd, brandt een deel ervan af en verspreidt het de hitte.'
De atmosfeer van Mars is veel dunner dan de dampkring van de aarde. Maar toch gedraagt de Marsatmosfeer zich als een dikke soep, waardoor de lander wordt afgeremd. Wanneer de lander met een snelheid van 25-30 keer de snelheid van het geluid de Marsatmosfeer binnendringt, ondergaat het hitteschild temperaturen tot 1000 graden Celsius.
Huygens
Een andere ESA-sonde, Huygens, bereikt de maan Titan van de planeet Saturnus aan boord van het NASA-ruimtetuig Cassini in 2004. Huygens is uitgerust met een hitteschild dat zich vooral als 'radiator' gedraagt. Het is samengesteld uit glasvezel en hars. Huygens zal de eerste sonde zijn die afdaalt in de dikke atmosfeer van Titan.
Zijn hitteschild zal de lander beschermen tegen temperaturen tot 1800 graden Celsius wanneer die naar het oppervlak afdaalt met snelheden van 25 keer de snelheid van het geluid. Wanneer de temperatuur tijdens de afdaling zeer hoge niveaus bereikt, kan dit materiaal beginnen smelten en zich deels als ablatief materiaal gedragen. Daardoor wordt de hitte nog beter verspreid.
Verschillende parameters
Hoe weet men welke technologie er bij een hitteschild moet gebruikt worden? In het algemeen kiezen ingenieurs voor de goedkoopste oplossingen.
'Maar', zegt Kai Clausen, ESA-senior expert van de Huygens-sonde, 'men moet met verschillende parameters rekening houden. De uiteindelijke keuze volgt uit een combinatie van verschillende elementen. Eerst en vooral moeten de verschillende materialen compatibel zijn met de scheikundige samenstelling en de dichtheid van de atmosfeer.'
'Verder gedragen verschillende materialen zich op thermisch en mechanisch vlak verschillend. De deskundigen moeten dát materiaal kiezen dat het best beantwoordt aan het profiel van de baan van de lander tijdens de doortocht in de atmosfeer. Dit profiel bestaat uit de hoek en de snelheid waarmee de lander in de atmosfeer terechtkomt, samen met de dichtheid en de hoogte van de atmosfeer.'