Ik ging op zoek naar de ExoMars-sonde en vond de waarheid over Space Highways

Het ExoMars-ruimtevaartuig van het Europese ruimtevaartagentschap vaart momenteel langs een hemelse snelweg, acht dagen verder in zijn zeven maanden durende reis naar de Rode Planeet. We weten dat het op 19 oktober op Mars zal landen, maar waar zal het over een maand zijn? Of de vierde juli? De locatie leek me te berekenen.Gezien de versnellingstijd van het ruimtevaartuig, de kruissnelheid en de afstand van Mars bij de lancering, dacht ik dat ik wat cijfers kon crunchen. Dit was - ik weet het nu - pure overmoed. Raketwetenschap is een culturele toetssteen, een cliché zelfs, met een reden.

Ik heb dit ontdekt tijdens het zoeken naar een ruimtevaartuig.

Ruimtewegen zijn niet zoals aardse wegen, Michael Khan, Ph.D., een expert op het gebied van hemelse mechanica bij het Mission Analysis Office van de ESA, legde uit toen ik vroeg om zijn advies over het lokaliseren van ExoMars. Als er één ding is om in gedachten te houden, zegt hij, is dit het volgende: Er zijn geen rechte lijnen in de ruimte. In een prachtig geschreven e-mail legde hij uit waarom we allemaal moeten leren rijden op een bocht - en waarom de toekomst van ruimtevaart oneindig ingewikkelder is dan we denken.

In plaats van te proberen zijn uitleg samen te vatten, plak ik het hieronder, omdat het mooi is.

Ik ben bang voor hemelse mechanica, wat de wetenschap is die ten grondslag ligt aan de berekening van de banen van alle banen in de ruimte (natuurlijk of door de mens gemaakt), werkt een beetje anders dan wat je lijkt aan te nemen.

Een interplanetaire overdracht van de aarde naar een andere planeet (in dit geval Mars) is niet een kwestie van vliegen op een rechte lijn met een bepaalde kruissnelheid zoals een vliegtuig dat zou doen op de aarde, of als een schip dat door de oceaan vaart, met enkele veranderingen in richting op bepaalde waypoints. Dat is niet de manier waarop het werkt in het zonnestelsel. Omdat het zo niet werkt, denk ik niet dat het eenvoudig (of zelfs mogelijk) zal zijn om eenvoudige, ruwe en klaar berekeningen te maken over waar ExoMars op welk moment zal zijn.

Kortom, de natuurwetten die de vlucht regelen van een object door de ruimte waren eeuwen geleden door Isaac Newton en Johannes Kepler. Ik zal het een beetje vereenvoudigen: aarde en Mars bewegen zich in banen die min of meer cirkelvormig zijn (voor Mars is dat niet helemaal waar, maar dat werkt voor starters). Nu hebben we de baan van de aarde, een brede cirkel rond de zon en de baan van Mars, een nog grotere cirkel die ook de zon in het midden heeft.

Het overdrachtstraject gevolgd door ExoMars is een ellips. Waar deze ellips zich het dichtst bij de zon bevindt, schaaft deze de baan van de aarde. Waar het het verst van de Sub vandaan ligt, schaaft het de baan van de Mars. Het ruimtevaartuig vliegt van dit laagste punt naar het verste punt. Het bereikte de ellips door de enorme boost die het kreeg door de proton M-raket die werd gebruikt om ExoMars te lanceren, het zo hoog en snel gooiend dat het ruimtevaartuig de zwaartekracht van de aarde met precies de juiste snelheid en richting verlaat om aan de vereiste overdrachtsellips te voldoen naar Mars. Op dit punt (ontsnapping van de aarde) was ExoMars een stuk sneller dan de aarde op zijn baan rond de zon.

Op deze transfer-ellips neemt de snelheid van ExoMars voortdurend af. Om te begrijpen waarom dit zo is, stel je een klokslinger voor. Als de slinger omhoog zwaait, beweegt hij langzamer en langzamer. Dat komt omdat er twee soorten energie zijn: potentiële energie (= hoogte-energie) en kinetische energie (= bewegingsenergie). De baan van het ruimtevaartuig heeft een bepaalde totale energie. Dit werd meegegeven door de draagraket. Deze energie neemt niet toe. Het is net als zakgeld of een salaris, we moeten het gewoon laten duren.

Als de raket het niet genoeg energie had gegeven, zou de baan van de ExoMars de baan van Mars niet hebben bereikt. Omgekeerd, als de raket te veel energie had gegeven, zou de baan van het ruimtevaartuig ver buiten de baan van Mars zijn gegaan. Dus we wilden (en kregen) precies de juiste hoeveelheid energie, niet te weinig, maar niet te veel. Dit is anders dan zakgeld of een salaris, waarbij te veel zeker beter is dan te weinig.

Nu, op de elliptische overdracht, verplaatst het ruimtevaartuig het weg van de zon naar de baan van Mars en de zon houdt het ruimtevaartuig vast met zijn zwaartekracht. Dus als ExoMars klimt, neemt de hoogte-energie toe. Daarom moet de bewegingsenergie verminderen. De totale energie blijft hetzelfde. Dus op zijn vlucht naar Mars, wordt ExoMars voortdurend trager en langzamer.

Voor het berekenen van de overdracht, is het enige waar men absoluut rekening mee moet houden de aantrekkingskracht door de zon. Er zijn ook andere effecten, zoals de zeer kleine druk van het licht op de zonnepanelen en de zwaartekracht van de planeten in het zonnestelsel, en natuurlijk moeten we er rekening mee houden elke keer dat we de raketmotoren aan boord van ExoMars gebruiken om de baan te veranderen. Maar dit alles heeft een veel minder effect dan de zwaartekracht van de zon.

In wezen gebruiken we een computer om het traject van het ruimtevaartuig te berekenen rekening houdend met alle factoren die het traject beïnvloeden, en we kunnen ook meten waar ruimtevaartuigen zich bevinden en hoe snel het reist vanaf het moment dat de signalen nodig hebben om van de aarde naar de aarde te reizen ruimtevaartuig en terug en trouwens de frequentie van het signaal verandert in de loop van de tijd.

In een later e-mail voegde hij toe:

Het belangrijkste dat je ziet is dat het ExoMars-traject, zoals alle trajecten in de ruimte, duidelijk gebogen is. Er zijn geen rechte lijnen in de ruimte. Zodra je lichamen hebt die massa hebben, zoals sterren en planeten, heb je zwaartekracht, en in de aanwezigheid van de zwaartekracht vliegt alles op bochten. Curven zijn natuurlijk, rechte lijnen zijn dat niet. De afgelegde afstand na de gebogen rode lijn van de aarde naar Mars is ongeveer 500 miljoen kilometer, om dat in perspectief te plaatsen. Een half miljard kilometer.