Geef me de ruimte (14)

De James Web Space Telescope (JWST), de vervanger van de beroemde Hubble Space Telescope. De prestaties van de Hubble waren ongekend. De JWST moet deze zelfs vele malen overtreffen. Het is de krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd. Een van de opdrachten is het onderzoeken van de dampkringen van exoplaneten naar sporen van leven. Het project gaat gepaard met veel vertraging. De eerste lancering stond gepland voor rond 2010. Naarmate de ontwikkeling vorderde, moesten de eisen telkens worden bijgesteld en moest de lancering steeds worden uitgesteld. Momenteel staat de lancering gepland voor ten vroegste 31 oktober 2021. De kosten zijn inmiddels opgelopen tot bijna 10 miljard dolla r. In tegenstelling tot de Hubble draait de JWST geen baantjes om de aarde, maar maakt een baan om de zon gelijk met de aarde met een constante afstand van 1,5 miljoen km tot de aarde. (Voor de liefhebber betreft het hier het zogenaamd Langrange Libratiepunt L2). 

De satelliet in haar baan om de aarde (2)

Satellieten worden altijd met een bepaald doel in een baan om de aarde gebracht. Zo kennen we de communicatie-, de weers- en de navigatiesatellieten, maar ook satellieten ten behoeve van wetenschappelijke- en militaire doeleinden. Satellietbanen kunnen op verscheidene manieren worden gerangschikt. Dit kan op basis van hoogte, baanhelling, omlooptijd of combinaties hiervan. Twee bijzondere banen wil ik hier graag behandelen, nl. de polaire- en de geostationaire baan.

Geostationaire banen

Deze banen hebben een baanhelling gelijk aan nul graden. De baan valt dus samen met het vlak van de equator (evenaar). Verder is haar hoogte boven het aardoppervlak (35.796 km) dusdanig dat de omlooptijd gelijk is aan de tijd die de aarde nodig heeft om één omwenteling om haar as te maken, namelijk 23hr56m04sec. Gemakshalve spreken we altijd van 24 uur. De beweging van deze GEO-satelliet loopt dan volledig synchroon met die van de aardrotatie. Voor iemand op aarde lijkt de satelliet dan stil te staan. 

Links de satelliet in een geostationaire baan. Rechts het gezichtsveld van de satelliet geprojecteerd op het aardoppervlak. 

Door de grote hoogte wordt een zeer groot deel van het aardoppervlak bestreken, nl. een gebied van 81 graden Noorderbreedte tot 81 graden Zuiderbreedte, dus nagenoeg het gehele noordelijke- en zuidelijke halfrond. Alleen de poolgebieden blijven buiten bereik. Met drie satellieten in een geostationaire baan, elk 120 graden uit elkaar geplaatst, wordt het gehele aardoppervlak, behalve de beide poolgebieden, bestreken, immers 3(281 graden) = 486 graden, dus groter dan 360 graden. De geostationaire baan is dan ook uitermate geschikt voor communicatiedoeleinden. De grote hoogte boven het aardoppervlak is wel een nadeel omdat hierdoor grote zendvermogens vereist zijn en er sprake is van relatief lange transmissietijden. Ook het feit dat er slechts één geostationaire baan bestaat is een nadeel. Over de loop van jaren is een dichte band van satellieten in een baan rondom de equator ontstaan die elkaar zeker op termijn zwaar kunnen gaan hinderen. 

Communicatiesatellieten. Van alle technische revoluties die de ruimtevaart te weeg heeft gebracht, is de communicatiesatelliet wel de meest in het oog springend. De eerste satelliet gelanceerd in augustus 1960, was de Echo-1, een grote ballon met een middellijn van 33 meter. Het was een passieve satelliet die radiosignalen van een zendstation naar een ontvangststation elders op aarde reflecteerde. Communicatie tussen twee willekeurige grondstations was slechts een aantal keren per dag beperkt mogelijk, bv. een kwartier. Daarna kregen we de ‘actieve’ satellieten, die de radiosignalen vanaf de aarde ontvangen, deze versterken en vervolgens doorsturen.

Menigeen herinnert zich wellicht de Telstar-1. De eerste televisieprogramma’s werden vanuit de Verenigde Staten naar het Europese vasteland verzonden en hadden nog een beperkte zendtijd. Geleidelijk aan werd steeds meer gebruik gemaakt van de geostationaire baan, waardoor 24 uurs zendtijd mogelijk werd. Voor wat betreft Europa (en Nederland) kennen we de Astra, die boven de Democratische Republiek Congo staat. 

Links zien we de Echo-1. Om deze met lucht te vullen was op aarde 18.000 kg nodig. In de ruimte onder vacuümcondities was dat slechts ruim 10 kg. De middelste afbeelding toont de transmissie tussen het Europese- en het Amerikaans contigent. Door de baanbeweging van de Echo-1 was gedurende 15 minuten communicatie mogelijk. Rechts zien we de Astra-1 satelliet in een GEO-baan. Ze bevindt zich boven de Democratische Republiek Congo. 

Weersatellieten. Er bestaat geen onderwerp dat zo vaak het gesprek van de dag is als het weer. Met de komst van de weersatellieten zijn door de tijdige aankondiging van orkanen, tornado’s, overstromingen, e.d. vele duizenden levens bespaard gebleven. Op 1 april 1960 werd door de Verenigde Staten de eerste weersatelliet, gelanceerd, de TIROS-1 genaamd, een afkorting voor Television and InfraRed Observations Satelite. De baanhelling was 48,4 graden. Latere versies werden in polaire- en geostationaire banen gebracht. De polaire weersatellieten bestrijken 2x per dag de gehele aarde, terwijl de geostationaire satellieten altijd eenzelfde deel van de aarde zien. Belangrijke weersatellieten zijn onder andere de Meteosat, de GOES en de Eumetsat.

Echter het blijft een militaire aangelegenheid. Om niet afhankelijk te zijn van de goodwill van de Verenigde Staten is Europa momenteel bezig haar eigen netwerk op te bouwen, onder de naam van Galileo. De planning is dat Galileo dit jaar operationeel wordt. Zo hebben de Russen hun GLONASS netwerk. De Chinezen zijn bezig met het opzetten van hun Beidou netwerk.

Een netwerk bestaat doorgaans uit minimaal 24 satellieten in zes verschillende baanvlakken. Galileo kent 30 satellieten. Omlooptijd is rond de 12 uur. Met GPS kunnen nauwkeurigheden tot op enkele meters worden verkregen. In het geval van Galileo spreekt men zelfs over millimeters. GPS is verder dan ook uitermate geschikt voor wetenschappelijke doeleinden, waaronder het volgen van de bewegingen van continenten, ijsmassa’s op de polen en dat van vulkanische activiteiten.

Bijzonder te vermelden is dat zonder gebruik te maken van de Relativiteitstheorie van Einstein, GPS niet mogelijk is. Volgens de theorie lopen de tijden van een klok op aarde en die in een satelliet niet synchroon. De tijd in een satelliet loopt zo’n 40 miljoenste van een seconde per dag sneller. Nauwelijks de moeite waard, zou je denken. Echter vanwege de hoge snelheid van de radiogolven (is gelijk aan de lichtsnelheid = 300.000 km/sec) tussen de satelliet en de aarde betekent dit wel een miswijzing in afstand van 12 km/dag. En daar wordt dan ook continue voor gecorrigeerd.

Satellieten voor wetenschappelijke doeleinden verschaffen vele gegevens over de aarde ten aanzien van geografie, het leven in de oceanen, beweging van watermassa's, cartografie, landbouwgewassen, bossen, de verzilting van het water, erosie, verzuring, de luchtverontreiniging, de aanwezigheid van delfstoffen, gewoon te veel om op te noemen. De Explorer-1 is met de ontdekking van de Van Allen gordels de eerste wetenschappelijke satelliet. Ook de Russische Mir is een goed voorbeeld hoe gedurende vele jaren wetenschappelijk werk in de ruimte kon worden verricht. Als opvolger draait nu het International Space Station (ISS) haar baantjes om de aarde. Omdat satellieten geen last ondervinden van de dampkring zijn ze bijzonder geschikt voor het bestuderen van de verre ruimte. De Hubble Space Telescope (HST, 1990) is daarvan een uitstekend voorbeeld. Het is nauwelijks voor te stellen hoeveel kennis door de Hubble Telescope is vergaard over ons heelal.

Een ander mooi voorbeeld is de Europese ruimtetelescoop Gaia, gelanceerd in 2013 met als doel om alle sterren van de Melkweg, waar wij als aarde onderdeel van zijn, in kaart te brengen. Inmiddels zijn de posities van bijna 2 miljard sterren vastgelegd. 

Foto: De achtergrondstraling zoals vastgelegd door Planck. Als men beide uiteinden aan elkaar houdt en deze dan opblaast krijgt men een bolvormige ruimte. Credit Foto: ESA (European Space Agency)

In dit Blog heb ik mij beperkt tot de satellieten in een baan om de aarde. Maar vergeet vooral ook niet de ruimteverkenners die de aarde verlaten hebben en inmiddels alle planeten, soms meerdere malen, bezocht hebben. We hebben de afgelopen vijftig jaar enorm veel nieuwe inzichten gekregen over ons heelal.

Ik kreeg onlangs van een geïnteresseerder lezer de vraag of er ook nadelen zijn aan het gebruik van satellieten in een baan om de aarde? Ik zou deze met een tegenvraag willen beantwoorden. Wat zijn de nadelen van technologische vooruitgang? Alles kan ten goede en ten kwade worden gebruikt. Denk aan een mes en een hamer. Atoomenergie kan ons het energieprobleem oplossen maar levert tegelijkertijd ook de atoombom. Dat geldt ook voor satellieten. Deze kunnen in de toekomst ingezet worden als een wapen. Verder kennen we natuurlijk al vanaf het begin de spionagesatellieten. Mijn persoonlijke mening in dit alles is dat alleen met ruimtevaart we de aarde kunnen redden. Deze laat ons heel duidelijk de consequenties zien van ons dagelijks handelen. Mochten we zelfs dit niet overleven, dan biedt ruimtevaart op wat langere termijn de enige mogelijkheid om naar ander woonoorden te verhuizen. Ik citeer hierbij graag nogmaals de woorden van de Russische ruimtevaart pionier Konstantin Tsiolkovsky: “De aarde is de wieg van de mensheid. Maar de mensheid zal niet eeuwig in de wieg blijven”.