Hoe een experiment in een ballon het werk van de

Hoe een experiment in een ballon het werk van de Hubble ruimtetelescoop kan doen

SuperBIT wacht op lancering terwijl zijn gigantische heliumballon wordt opgeblazen. Bill Rodman/NASA

Op 16 april 2023 steeg een astronomische telescoop, ontworpen als aanvulling op de verouderende Hubble ruimtetelescoop, op vanaf het Zuidereiland van Nieuw-Zeeland. Maar toen een bol zo groot als een voetbalstadion stilletjes en langzaam over de Tauhinukorokio bergen steeg, kwamen er telefoontjes binnen van bewoners.

De lokale politie en radiostations waren echter door Nasa ingelicht over het feit dat de reusachtige heliumballon de SuperBIT telescoop van twee ton in de komende drie uur zou optillen tot 40 km boven de zeespiegel. De missie, waar wij bij betrokken waren, was om te testen of een telescoop in een ballon beelden van de diepe ruimte kon maken met een resolutie die hoog genoeg was om de onbekende substantie, donkere materie genaamd, te bestuderen die 85% uitmaakt van alle materie in het universum.

De observaties en de daaropvolgende gegevensanalyse hebben bewezen dat experimenten vanuit een ballon net zo nuttig kunnen zijn als die gelanceerd door raketten, maar veel goedkoper. Het is nu aan wetenschappers, overheidsinstanties en privébedrijven om er het beste van te maken.

De volgende maand droegen de winden in de polaire stratosfeer SuperBIT om de acht dagen rond de wereld, voornamelijk over de Antarctische oceaan, maar rakelings langs de punt van Zuid-Amerika. Hij ging waar de wind hem bracht, maar kon in elke richting kijken.

Vliegroute van SuperBIT, vijf en een halve keer rond de zuidelijke oceaan.

Vliegbaan van SuperBIT.
Nasa

Elke dag laadden zonnepanelen de batterijen op. s Nachts fotografeerde het de hemel, inclusief de Tarantula nevel, een lichtbron op 160.000 lichtjaar afstand, en clusters van sterrenstelsels 20.000 keer verder weg.

Zonder statief gebruikte SuperBIT gyroscopen om eventuele schommelingen te stabiliseren (we ontdekten dat de stratosfeer opmerkelijk rustig is … behalve in turbulentie boven de Andes, waar SuperBIT eens 1000 voet viel). Het was de eerste telescoop op een ballon die Hubble-achtige prestaties leverde voor de korte golflengten van licht die zichtbaar zijn voor een menselijk oog.

De ballon en de telescoop bleven perfect werken, maar de satellietcommunicatieverbindingen vielen geleidelijk uit. We denken dat straling de antennes van SuperBIT heeft beschadigd. We konden nog steeds gegevens downloaden door harde schijven, die aan de telescoop vastzaten, op de grond te laten vallen. Maar uiteindelijk wilde Nasa hun ballon terug, dus brachten we de telescoop per parachute naar Argentinië.

Dit was de vijfde vlucht van SuperBIT, na tien jaar hard werken.

Voordelen van de ballon

In tegenstelling tot orbitale missies kunnen ballonladingen die de eerste keer niet werken, gerepareerd en opnieuw gelanceerd worden. Dit bevordert eenvoudige, creatieve ontwerpen. Onderdelen waarvan nu bewezen is dat ze werken in de ruimte zijn onder andere haargel (om dingen vast te houden), zakken om kippen in te braden (om ze warm te houden) en onderdelen van bogen die gebruikt worden door Olympische boogschutters (om ze los te laten).

Mislukking en succes zijn beide kansen om te leren. Na elke vlucht maken we er iets aan of verbeteren we de technologie. Omdat camera’s bijvoorbeeld snel beter en goedkoper zijn geworden, hebben we SuperBIT elk jaar uitgerust met een nieuwe sensor. Dit alles verlaagt de kosten.

Het grootste deel van de kosten van traditionele ruimtevluchten bestaat uit het beperken van het risico op falen. Er zijn altijd compromissen nodig tussen veiligheid, het beschermen van dure apparatuur en het verkrijgen van gegevens.

Als een ballonmissie fout gaat, maakt dat meestal minder uit, omdat we de apparatuur terugkrijgen. SuperBIT is voornamelijk gebouwd door Canadese promovendi, die al een nieuw technologiebedrijf hebben opgericht.

Risicobeheer is anders voor ballonnen en Nasa heeft niet altijd de juiste balans. Door te wachten op “perfect” weer en de perfect ontworpen ballon werden alle lanceringen vanuit Texas in 2017 aan de grond gehouden. Fysiek onmogelijke risicoberekeningen, zoals een ballon die drie keer zou barsten, deden het programma voor 2023 bijna de das om.

Een ballon kan maar één keer barsten. Maar de ruimteagentschappen van Frankrijk en Canada, het Amerikaanse National Center for Atmospheric Research en de Britse Science Research Council hebben allemaal bewezen dat een ballon om de paar dagen opnieuw kan worden opgelaten. Risicobeoordeling kan realistischer. Ballonteams kunnen het proces voortdurend testen, ermee spelen en het verbeteren. Voor raketlanceringen is er maar één kans.

Groeiende internationale interesse

Geografie is belangrijk bij het ontwikkelen van een succesvol nationaal ballonprogramma. Landen met een uitgestrekt landoppervlak kunnen korte vluchten uitvoeren binnen hun eigen luchtruim, zoals Canada en de VS. Noord-Europese landen kunnen stabiele en betrouwbare zomerwinden gebruiken om vluchten uit te breiden over de Atlantische oceaan, bijvoorbeeld van Schotland naar Canada.

Landen kunnen ook lanceren vanaf het grondgebied van partnerlanden over de hele wereld, zoals het VK vanuit Australië.

Geopolitiek beïnvloedt ook de keuze van de vliegroute: een les die goed geleerd is van de malafide Chinese ballon die in 2023 over de VS vloog en uiteindelijk werd neergeschoten. Om het luchtruim van een land te doorkruisen is toestemming nodig en we vermijden oorlogsgebieden of conflictgebieden waar de ballon voor een vijandig doel kan worden aangezien. Dit is een van de redenen waarom we vanuit Nieuw-Zeeland zijn gelanceerd.

SuperBIT vastgehouden door een kraan voor de laatste controles.

SuperBIT vastgehouden door een kraan voor eindcontrole.
Richard Massey, CC BY-SA

De interesse van regeringen in nationale ballonprogramma’s neemt toe, omdat nieuwe materiaalwetenschappen en productietechnieken ballonnen hebben gecreëerd die helium vasthouden, waardoor vluchten langer duren dan dagen tot maanden. De VS bevestigde opnieuw hun interesse in een regeringsdocument voor 2023 en Canada, Frankrijk en Zweden hebben al lang bestaande ballonprogramma’s.

Het VK had tot de jaren 1990 een wereldwijd toonaangevend ballonprogramma. Door het programma op te geven ging een kans verloren om wetenschappers en ingenieurs op te leiden tot leiders. Britse teams worden nog steeds vaak uitgenodigd om deel te nemen aan Franse of Amerikaanse satellietmissies, maar we leiden niet langer of beslissen niet langer wat er gebouwd wordt. We zien weinig technische, geografische of politieke belemmeringen voor het Verenigd Koninkrijk om opnieuw een ballonprogramma op te starten, parallel aan de ontluikende raketlanceringen.

Ballonnen zijn hoog genoeg

Officieel begint de ruimte op 100 km boven zeeniveau. Maar er is geen magische lijn en er is maar weinig atmosfeer boven de 40 km. Daar houden de sterren op met fonkelen en is de hemel zwart. Astronomische foto’s met lange belichting worden haarscherp en onthullen vage, verre objecten die wazig zijn voor astronomen op de grond.

SuperBIT gehuld in de ochtendmist voor de lancering.

SuperBIT gehuld in mist voor de lancering.
Steven Benton, CC BY-SA

Balloncamera’s of spectrografen kunnen ook naar beneden kijken en zijn hoog genoeg om waarnemingen van de aarde vast te leggen, net als die van satellieten. Ze kunnen ook atmosferische metingen doen, onder andere van de ozonlaag in de stratosfeer.

Luchtballonnen zullen niet alle raketten vervangen, omdat ze niet hoger dan 40 km kunnen vliegen.
En hoewel helium een eindige bron is, zijn ballonnen “milieuvriendelijker”. Ze hebben geen raketbrandstof nodig tijdens de lancering, dragen niet bij aan het toenemende ruimtepuin in een baan om de aarde en aan het einde van hun levensduur worden ze niet verbrand in de atmosfeer. Wat is er niet leuk aan?

De conversatie

Richard Massey heeft voor SuperBIT financiering ontvangen van de Royal Society en van UKRI's Science and Technology Facilities Council.

Fionagh Thomson heeft consultancywerk verricht voor het Britse ruimteagentschap. Ze is gekozen lid van de duurzaamheidscommissies van de Royal Astronomical Society en de European Astronomical Society.

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.