Gewichtloosheid maakt van ruimte ideaal testlaboratorium

Computers in een omloopbaan

De komende 5,5 jaar is de omloopbaan op zo'n vierhonderd kilometer hoogte rond de aarde een bouwplaats. Gerobotiseerde kranen zullen tientallen modules en bouwmaterialen uit het vrachtruim van Spaceshuttles halen. Werkers in pakken waarmee je op de grond nog geen spijker zou kunnen inslaan, koppelen die met bouten aan elkaar, zwevend met een snelheid van meer dan 28.000 kilometer per uur in een nagenoeg gewichtloze en luchtledige omgeving. De bouw is begonnen van een aardse buitenpost; het International Space Station.

meer dan twee jaar over tijd, maar op maandag 30 oktober moet de eerste bemanning naar dat Internationale Ruimtestation voor een verblijf van bijna vier maanden. Dat wordt de eerste bouwploeg met als belangrijkste taken het opstarten en testen van computers en leefsystemen, het bewoonbaar maken van het station en het helpen bij het verder uitbouwen ervan.
Die eerste bemanning bestaat uit de Amerikaanse astronaut Bill Shepherd en de Russische kosmonauten Yuri Gidzenko en Sergei Krikalev. Zij worden in een Soyuz-ruimteschip gelanceerd vanaf de ruimtebasis Baikonur Cosmodrome in Kazakstan. Als ze twee dagen later aankoppelen bij het ruimtestation, heten ze Expedition One; de eerste expeditie in een avontuur dat meer dan 150 miljard Nederlandse guldens gaat kosten.
Drie modules hangen er al: de Russische leef- en laboratoriummodule Zvezda (ster), de Russische maar door de Amerikanen betaalde service- en controle-eenheid Zarya (dageraad) en de Amerikaanse koppelingsmodule Unity (eenheid). Half oktober werden, tijdens de honderdste Spaceshuttle-vlucht sinds de eerste in april 1981 omhoog ging, een tweede shuttle-koppelingsstuk en een rek voor zonnepanelen, antennes en gyroscopen bijgeplaatst. Het ruimtestation is nu 43,5 meter lang en zou op aarde meer dan zeventig ton wegen.

Computernetwerken

"Het Space Station geeft ons unieke toegang tot het luchtledige milieu van het heelal", zei station-commandant Bill Shepherd onlangs tijdens een presentatie. "We zullen er heel productief erg interessant onderzoek kunnen doen en tal van bekwaamheden en technologieën kunnen ontwikkelen die het mogelijk moeten maken dat de mens het heelal in trekt, weg van onze planeet."
Niets daarvan gebeurt echter zonder het inschakelen van computers. Tientallen daarvan zitten in netwerken van verschillende fabrikaten en uit verschillende landen, allemaal aan elkaar gekoppeld tot één super-netwerk. Shepherd: "Alleen in het Amerikaanse deel van het huidige station bijvoorbeeld zitten meer dan veertig computers en die moeten allemaal doen wat van ze wordt verwacht. Er zit een hoop software in, veel zaken die door mensen zijn samengebracht in een code waarvan we denken dat die op een bepaalde manier gaat werken. Het is aan ons, samen met de mensen in de controlecentra op de grond, om te kijken óf, en ervoor te zorgen dát het allemaal werkt zoals we dat willen. Als we eens een noodprocedure moeten uitvoeren of als de computers een automatische reactie geven op een probleem, moeten we wel zeker weten dat de software dan ook functioneert op de wijze waarop wij dat willen. We moeten er zeker van kunnen zijn dat die reactie ook de juiste is."
Soyuz-commandant Yuri Gidzenko zei daarover: "We komen in een gloednieuw station. Veel systemen zijn echter gebaseerd op eerdere ervaringen. Groot verschil is dat we nu overal computers voor gebruiken. Alle systemen worden gecontroleerd door computers. Voor ons Russen is dit een totaal nieuwe stap in de ontwikkeling van de ruimtevaarttechnologie." Boordwerktuigkundige Sergei Krikalev: "Alles gaat via computers, zelfs het aan- en uitdoen van de verlichting. We krijgen dus een groeiend netwerk van computernetwerken. Met elke module die wordt toegevoegd, moeten we dat weer instellen en uitgebreid testen. Alles moet met elkaar gesynchroniseerd zijn; de computers moeten elkaar begrijpen. Het ene netwerk heeft informatie nodig van een ander netwerk en dat moet functioneren zoals de systemen verwachten. Computerconfiguratie zal onze belangrijkste taak zijn gedurende ons verblijf in het ruimtestation. Dat de Amerikanen tientallen computers naar boven hebben gestuurd, moeten we als gegeven aannemen. Van het huidige Russische deel van het ruimtestation weten we wat meer. Want het brein van de Zvezda is van Europese makelij."
ESA, het Europese samenwerkingsverband voor ruimtevaart, heeft daarvoor aan de Russen het data-managementsysteem geleverd, een dataverwerkingseenheid. Dit regelt systemen en subsystemen in de Zvezda,maar voorlopig ook navigatie en controle van het hele huidige ruimtestation. ESA meldt dat het systeem is gebaseerd op een modulaire architectuur met ingebouwde veiligheden voor het afvangen van fouten. Het systeem bestaat uit vier computers waarvan twee controlemachines zijn. Bij de foutdetectie wordt volgens het Europese ruimtevaartbureau een techniek gebruikt die bij specialisten bekend staat als een byzantijns algoritme.

Anders dan op aarde

In het luchtledige van de ruimte kunnen sommige apparaten anders functioneren dan op aarde. Dat hebben de ruimtevaartbureaus inmiddels al gemerkt aan de elektrische batterijen en de warmteregeling. Daar zijn steeds problemen mee en batterijen zijn al vervangen tijdens bevoorradingsmissies met Spaceshuttles. Sergei Krikalev zei daarover onlangs tijdens diezelfde presentatie: "De apparatuur en de onderdelen zijn op aarde natuurlijk uitgebreid getest. Maar het is toch wat anders als alles in een gewichtloze toestand wordt samengebouwd en aan elkaar gekoppeld. Dat gaan we in het ruimtestation dus uitgebreid beproeven."
"We gaan veel systemen tegelijk gebruiken en dan zien we hoe het hele station zich als één uniek technisch toestel gedraagt. Elektrische systemen zullen elkaar beïnvloeden. We denken dat we weten hoe het allemaal behoort te werken. Het is onze taak dat uit te testen en eventuele problemen op te lossen. De systemen zijn zo ontzettend complex, dat we er bijna zeker van zijn dat die elkaar zullen beïnvloeden op een manier die de technici op de grond niet hebben voorzien."
Volgens Bill Shepherd ligt de grootste uitdaging in het op elkaar laten aansluiten van de technologieën van verschillende landen en of die als een harmonieuze eenheid kunnen samenwerken. Rusland heeft heel andere ruimteschepen, gereedschappen en technologieën dan de VS of Europa. Je hebt met verschillende culturen te maken, verschillende benaderingen van klussen en van het vinden van oplossingen voor vraagstukken. "Het internationale partnerschap heeft ons geleerd wegen te vinden om elkaar technisch te begrijpen", zei hij. "Daarvoor zijn allerlei werktuigen ontwikkeld. Maar het moeilijkste is dat we hebben moeten leren andere personen in andere culturen en andere landen te leren waarderen, ook de technische culturen. We hebben moeten leren inzien waarom de ander een probleem op een bepaalde manier benadert en een bepaalde oplossing ervoor bedenkt, misschien een heel andere dan wijzelf zouden ophoesten."

Hoofdrol voor robots

Nieuwe technologieën en vergaande automatisering brengen ook het gebruik van robots in beeld. In het ruimtestation worden diverse soorten gebruikt. Aan de buitenkant komen drie robotarmen: een Canadese, een Europese en een Japanse. En er komen persoonlijke automatische gerobotiseerde satellietjes die de ruimtevaarders bijstaan.
De robotarmen zijn eigenlijk intelligente ruimtekranen. Er zitten videocamera's op, zodat de bedienende astronaut of kosmonaut altijd kan zien wat er gebeurt. De belangrijkste taken zijn het overbrengen van vracht vanuit het ruim van de Spaceshuttles naar de gewenste plek in het ruimtestation, het uitzetten of oppikken van satellieten. Kortom de robots staan de bemanning ter zijde daar waar ze nodig zijn.
Verschillen tussen de drie robotarmen zitten met name in de besturing ervan. De computers voor de Canadese en Japanse armen bevinden zich in het ruimtestation, die voor de Europese in de arm zelf. De Europese kan met een 'eenvoudige' laptop worden bediend, voor de andere worden aparte besturingseenheden geplaatst. De Japanse en Europese zijn vooral voor lichtere taken en precieze werkzaamheden aan experimenten op de wetenschappelijke platforms die in de 'open lucht' aan de buitenkant van de stationsmodules komen. De Canadese is vooral voor het zwaardere werk.
Die Canadese robotarm is uitgeklapt meer dan zeventien meter lang. Hij heeft zeven gemotoriseerde gewrichten, krijgt een plaats aan het centrale raamwerk van het ruimtestation ('gebint' genoemd, truss in het jargon) en kan dan zelf naar verschillende koppelingspunten 'lopen'. Deze zijn op diverse plaatsen aan de buitenkant van het station aangebracht. Dat lopen gebeurt door het vrije uiteinde van de arm aan een volgend punt te laten vastgrijpen, het andere eind los te koppelen en dat dan als grijper te gebruiken of ermee naar een volgend koppelingspunt te gaan. Er komt ook nog een soort karretje, het Mobile Servicing System, waarmee de arm over rails langs de volledige lengte van het centrale gebint kan schuiven. Verder wordt de robotarm later uitgebreid met een robothand, de Special Purpose Dexterous Manipulator ofwel de handige manipulator voor speciale doeleinden. Deze gaat bestaan uit twee kleine robotarmen en krijgt een maximale lengte van 3,5 meter. Er zijn veel fijnere taken mee te verrichten dan met de robotarm zelf.

Vliegende assistenten

De Europese gerobotiseerde arm ERA is vergelijkbaar opgebouwd, maar is kleiner dan de Canadese: uitgeklapt elf meter. Hij wordt geplaatst op een platform aan de Russische Zvezda-module. Aan de uiteinden zitten polsgewrichten die beide als voet en als hand kunnen fungeren. In een elleboog halverwege de arm zit een eigen besturingscomputer die wordt bediend via een standaard IBM Thinkpad 755C laptop; de verwerking van data gaat via het data-managementsysteem van de Zvezda. Camera's bij de polsen fungeren ook als afstand-sensoren. Aan de hand van meetpunten op de vast te grijpen objecten kan ERA's eigen computer de positie berekenen van de arm ten opzichte van het doel. Het Nederlandse Fokker Space heeft de leiding over de bouw van deze robotarm.
De Japanse robot, het Japanese Experiment Module Remote Manipulator System, komt aan de buitenkant van het Japanse laboratorium Kibo (de Hoop). Dit robotsysteem is speciaal bedoeld voor handelingen aan de wetenschappelijke platforms die aan de Japanse module gekoppeld worden. Het systeem bestaat uit een bedieningsconsole in het laboratorium en buiten een arm van twee delen: een hoofdarm van bijna tien meter lengte en een kleine arm van 1,7 meter. Beide hebben zes gewrichten. Met de kleine arm zijn precisiewerkzaamheden te verrichten, zoals het vervangen van onderdelen of het aandraaien van bouten of ventielen. De bediening gebeurt via tv- en computerschermen op de console binnen. Daartoe is de arm uitgerust met een tv-camera.
Een aparte categorie vormen de Amerikaanse minirobots die de astronauten als persoonlijke assistenten gaan bijstaan. Dat zijn vrijvliegende bollen van het formaat grote voetbal. Er zitten camera's in, communicatie-apparatuur, meetinstrumenten, een informatiesysteem en een navigatiemotor. Ze kunnen dienen als extra ogen bij werkzaamheden of zelfstandig buiten het ruimtestation rondvliegen om inspecties uit te voeren aan bijvoorbeeld zonnepanelen of experimentenplatforms. Navigeren geschiedt met twaalf 'raketjes'. Dat zijn geen vuurspugende motoren, maar spuitmondjes waaruit kleine pufjes stikstof gespoten worden, voldoende om te manoeuvreren in de luchtledige gewichtloze ruimte. Een astronaut kan de bol op afstand bedienen met een pookje en een laptop.
In alle gevallen hebben astronauten en kosmonauten uitgebreide trainingen nodig voor het bedienen van de robots. De besturing gebeurt via beeldschermen en op afstand en dat vergt flink wat oefening. Probeer zelf maar eens met de computermuis de cursor in een doolhof op het PC-scherm binnen de lijnen te houden of een blokje in een zuiver rechte lijn naar een vakje te verschuiven en dat er precies in te leggen...

Het ruimtestation

Computers, robots en automatisch werkende experimenten en instrumenten vormen het hart van het International Space Station. Nu de Russische kernmodules zijn gelanceerd en de eerste bemanning er gaat wonen en werken, kunnen de andere deelnemende landen ook hun plannen uitvoeren, met de Verenigde Staten voorop. Die plannen moesten allemaal wachten tot de Russische woon- en werkmodule Zvezda beschikbaar was. Vooral door financiële problemen in Rusland ontstond een vertraging van 27 maanden.
Het ruimtestation is een samenwerkingsverband van zestien landen: de VS, Rusland, Canada, Japan, Brazilië en elf ESA-lidstaten (België, Denemarken, Duitsland, Frankrijk, Groot-Brittannië, Italië, Nederland, Noorwegen, Spanje, Zweden en Zwitserland). Het station vliegt op zo'n 407 kilometer hoogte rond de aarde, de evenaar kruisend onder een hoek van 51,6 graden. Dat betekent dat het bereikbaar is vanuit alle deelnemende landen en dat het over 85 procent van de wereldbol komt met 95 procent van de wereldbevolking. Eén rondje duurt negentig minuten.
Als de bouw in april 2006 klaar is (volgens de nu geldende planning), bestaat het station uit aan elkaar gekoppelde modules, experimentenplatforms en verbindingsstructuren met een totaalgewicht van bijna vijfhonderd ton en meet het 109 bij 80 meter. Er zijn dan zes laboratoria en woonverblijven met een totale woon- en werkruimte die volgens NASA, het Amerikaanse bureau voor ruimtevaart, zo groot is als de passagierscabine van een jumbojet. Zonnepanelen zorgen voor de elektriciteit en die beslaan dan een oppervlakte van bijna een halve hectare.
Er gaan meer dan honderd onderdelen omhoog in 45 ruimtevluchten met Amerikaanse Spaceshuttles en Russische Soyuz- en Proton-raketten. Later worden ook Europese en Japanse ruimteschepen ingezet. Aan boord van het station kunnen nu ploegen van maximaal drie astronauten en kosmonauten verblijven. Dat worden uiteindelijk internationale bemanningen van maximaal zeven ruimtevaarders die er telkens drie tot zes maanden zullen zijn. Europa krijgt een eigen laboratoriummodule, Columbus gedoopt. Dat wordt, als alles volgens plan verloopt, in oktober 2004 aangekoppeld. Als de bouw gereed is, zal het station tien tot vijftien jaar meegaan. Maar ongetwijfeld zal dat langer worden door vernieuwing van modules en verdere uitbreiding.
Doel van het ruimtestation is, zo melden NASA en ESA, het unieke milieu van de luchtledige ruimte te bestuderen en te benutten. Zo worden er nieuwe materialen en processen ontwikkeld, er wordt medisch onderzoek gedaan. Aardobservatie is een van de bezigheden. Voorts wordt wetenschappelijk onderzoek verricht aan kristallen, virussen, cellen en weefsels, en worden experimenten gedaan ter verbetering van bestaande toepassingen, processen en technologieën die de industrieën op aarde van pas zullen komen. Uiteraard zullen er ook nieuwe toepassingen worden ontwikkeld.
Dankzij het nagenoeg volledig ontbreken van zwaartekracht kunnen materialen en processen worden ontwikkeld die op aarde ondenkbaar zijn omdat de zwaartekracht die onmogelijk maakt. Als voorbeeld noemen NASA-woordvoerders het ontwikkelen van nieuwe halfgeleiders en supergeleiders die bij normale temperaturen functioneren in super-hogesnelheids-computers en andere elektronische apparaten. Sterkere en lichtere materialen worden verwacht evenals krachtiger computerchips. Dat komt omdat in het heelal convectiestroming afwezig is. Normaal naar boven stromende warmere lucht en vloeistoffen en zinkende koude vloeistoffen en lucht blijven in de luchtledige ruimte vermengd. In gewichtloosheid zullen cellen en kristallen kunnen worden samengesmolten om nieuwe te creëren en zuiverder legeringen te maken dan op aarde mogelijk is.

Expedition One

Als de eerste bemanning van het Internationale Ruimtestation op 30 oktober vertrekt, begint een nieuw tijdperk in de ruimtevaart. Na de (automatisch bestuurde) aankoppeling is de eerste taak het licht aandoen. Vervolgens wordt een backup-computer geïnstalleerd en op het computernetwerk van het station aangesloten. Dan worden allerlei faciliteiten gebruiksklaar gemaakt en ingeschakeld, zoals de drinkwatervoorziening en luchtbehandelingsapparatuur, de verwarmingsinstallatie, het toilet, de 'badkamer' en de keukenapparatuur. Commandant Shepherd daarover: "Eigenlijk zijn we gewoon ons nieuwe huis aan het inrichten."
De Soyuz blijft aan het station gekoppeld als reddingsschip. Over vier maanden (planning is half februari 2001) wordt Expedition One opgehaald met de Spaceshuttle Discovery. Daar komt dan ook de volgende bemanning mee omhoog, Expedition Two met de Russische commandant Yury Usachev en de Amerikaanse astronauten James Voss en Susan Helms. Er zijn voor deze opbouwfase vier expeditieploegen samengesteld. Om de beurt zijn een Amerikaan en een Rus commandant van het station.
In het begin, toen in juli 1969 de eerste landing op de maan een feit was en de Amerikanen aan volgende ruimte-avonturen begonnen te denken, ontstond het idee een ruimtestation te bouwen als springplank naar Mars. De nadruk is echter komen te liggen op wetenschappelijk onderzoek. Maar dat Mars-idee is niet vergeten. Het International Space Station biedt volop mogelijkheden als werkplaats om een gigantisch ruimteschip te assembleren dat die bemande Mars-reis moet gaan uitvoeren. Het station zal een lanceerpunt worden voor bestemmingen elders in ons zonnestelsel, en het kan fungeren als tussenstation voor onbemande satellieten en bemande expedities. Maar dat is een ander - volgend - verhaal.
 
Ronald De Lange
Freelance Medewerker

x

Om te kunnen beoordelen moet u ingelogd zijn:

Dit artikel delen:

Stuur dit artikel door

Uw naam ontbreekt
Uw e-mailadres ontbreekt
De naam van de ontvanger ontbreekt
Het e-mailadres van de ontvanger ontbreekt

×
×
article 2000-10-27T00:00:00.000Z Ronald de Lange
Wilt u dagelijks op de hoogte worden gehouden van het laatste ict-nieuws, achtergronden en opinie?
Abonneer uzelf op onze gratis nieuwsbrief.