Werkstuk: Voortstuwing zoals het nu gaat
Inleiding.
Voortstuwing zoals het nu gaat.
De raketten die nu veel worden gebruikt zijn chemische raketten. In de raket zitten twee tanks. In die tanks zitten brandstof en oxidator (zuurstofdrager). Als deze worden vermengd krijgt de brandstof genoeg zuurstof om te ontbranden. Omdat er twee zijwanden in de verbrandingskamer zitten compenseert de zijwaartse druk en omdat er geen wand tegenover de bovenwand zit, krijgt de raket een opwaartse kracht.
Waarom een andere manier van voortstuwing?
Als de mens een bemande reis naar een verre planeet wil maken is men met de huidige raketten erg lang onderweg. Als men ook nog terugwil is dat voor een volwassen mens niet haalbaar. Dat betekent dat men meerdere generaties in een ruimtevaartuig moet kunnen herbergen. En voor al die mensen moet er voedsel, water en zuurstof aanwezig zijn. Voor zo’n lange reis is ook ongelofelijk veel brandstof nodig. Wil men dat allemaal meekrijgen dan kan men dat nooit in ??n geheel van de aarde lanceren, daar zijn meerdere lanceringen voor nodig. Daarna moeten alle delen de ruimte aan elkaar worden gekoppeld tot ??n geheel. Een andere oplossing zou zijn om het gehele ruimteschip in de ruimte te bouwen, maar voordat we daar de technieken voor hebben. Want ook de grondstoffen moeten dan vanaf de aarde komen, hiervoor zouden we een buitenaardse bron moeten vinden. Er is een andere mogelijkheid: De mens in een kunstmatige ‘winterslaap’ brengen. Of invriezen, zoals nu al gebeurd met mensen die ongeneeslijk ziek zijn. Hierdoor verouderd de mens niet, kan men gegevens verzamelen (afhankelijk van de missie) en weer terugkeren. Hij of zij zal dan een paar jaar ouder zijn dan toen, toen ze vertrokken vanaf de aarde. De aarde zal dan onherkenbaar veranderd kunnen zijn of misschien niet eens meer bestaan. Voor kortere reizen zou het ook heel belangrijk zijn. De ruimte is een hele onvriendelijk omgeving voor de mens. De straling en de gewichtsloosheid brengen enorme schade toe aan botten, spieren en bloedsomloop. Een kortere reis zou de schade aanzienlijk verminderen.
Er zijn een groot aantal mogelijkheden. Hier volgen er vier:
1. Het zonnezeil.
2. De ‘ruimtekatapult’.
3. Wormgaten.
4. Ionenmotor.
Het zonnezeil.
Net zoals de grote ontdekkingsreizigers van de 15e eeuw afhankelijk waren van de wind om hun zeilschepen voort te drijven over de grote oceanen van de aarde, zo zullen ruimteontdekkingsreizigers wellicht eens gebruik maken van het licht voor tochten door de leegten tussen de planeten, of zelfs de planeten die om een verre ster cirkelen. Hoewel fotonen, de pakketjes elektromagnetische energie die worden uitgestraald door de zon en alle andere sterren, geen massa bezitten, kunnen ze in het bijna-vacu?m van de ruimte een gestage, windachtige druk uitoefenen.
De sleutel tot het uitbuiten van deze lichte druk ten behoeve van voortstuwing is een materiaal dat zeer goed reflecteert, zodat fotonen zorgen voor stuwkracht door af te stuiten van het zonnezeil. Hoe groter de verhouding tussen het zeiloppervlak en de massa van het ruimtevaartuig, hoe groter de stuwkracht. De acceleratie is niet groot, maar na een aantal weken zal het zonnezeil sneller gaan dan de gewone raket.
Het zeil moet daarbij echter ook stevig genoeg zijn om het voertuig manoeuvreerbaar te maken, een overweging die van invloed is op de uiteindelijke vorm. Het rondraaiende, helicopteractige zeil zoals is afgebeeld is ??n van de vele voorgestelde ontwerpen, die vari?ren met de verschillende technieken voor ingebruikname en bediening. Aanvankelijk moeten zonnezeilen zorgen voor het vervoer van apparatuur, voor communicatie en de wetenschap. Later zouden ze voorraden vervoeren tussen de planeten aarde en Mars of andere planeten, en tenslotte zullen wellicht reizigers door zonlicht worden voortgedreven van de ene interplanetaire bestemming naar de andere.
Zonlicht is zo zwak als voortstuwingskracht dat ontwerpers van zonnezeilen voor een dilemma staan; enerzijds willen ze dat hun ruimtevaartuigen over een zo groot mogelijk zeiloppervlak beschikken teneinde een maximum aan fotonen op te vangen. Maar een gebruiksklaar zonnezeil, met 2 tot 2,5 hectare aan kwetsbaar materiaal, bloot stellen aan de krachten van een lancering vanaf de aarde zou stellig uitlopen op een mislukking. Aangezien de constructie van een dergelijk zeil in een baan om de aarde niet haalbaar is, hebben ingenieurs verschillende idee?n uitgewerkt om een zeil zodanig te ‘verpakken’ dat het een lancering kan overleven, waarna het zich automatisch ontvouwt als het op een hoogte van zo’n 1500 kilometer om de aarde cirkelt.
Een belangrijke overweging is of en hoe het zeilmateriaal op te vouwen. Een kreukel is het metaalachtige oppervlak zou niet alleen de weerkaatsingscapaciteit aantasten, maar het zeil ook verzwakken en mogelijk scheuren veroorzaken. En aangezien het zeil, eenmaal in een baan om de aarde, zijn uiteindelijke grootte en vorm moet krijgen door middel van een onfeilbaar werkend mechanisme, moet ook alles wat het zeil stevigheid verleent worden ‘verpakt’.
Het slingeren door middel van een ‘ruimtekatapult’.
Hier is een slinger afgebeeld terwijl er een ruimtevaartuig (rechtsonder) vanuit een lage baan om de aarde mee in de ruimte wordt geslingerd voor een verre reis. Dit systeem, ook wel aangeduid als ‘roterende ruimtehaak’, zou bestaan uit een 100 kilometer lange kabel die loopt vanaf een zwaar platform (linksboven) naar een koppelingmechanisme waaraan tal van lasten kunnen worden vastgemaakt. Dit mechanisme, dat rond het platform draait, koppelt zich aan de ruimte- of vrachtvaartuigen die vanaf de aarde zijn gelanceerd, en slingert ze de ruimte in.
Door de impulsoverdracht zal de ruimtehaak iedere keer dat een last de ruimte in wordt gebracht hoogte verliezen. Dit verlies kan echter worden goedgemaakt door het opvangen van vaartuigen die naar de aarde terugkeren. Door het opvangen van een terugkerende last wordt ook weer impuls aan het platform overgedragen en komt het weer in een hogere baan terecht.
Bij deze manier van reizen is er eenmalig brandstof nodig. Alleen om de last in een baan om de aarde te brengen. Als er een keten van dit soort ‘slingers’ komen krijgt de last steeds weer een nieuwe zet en kan ook de richting worden veranderd (afhankelijk van wanneer de last wordt losgelaten). In de ruimte heeft de last ook geen last van wrijving waardoor er maar weinig snelheid verloren gaat.
Wormgaten.
Er is een theorie over een voortstuwing met behulp van tachyonen. Door deze voortstuwing zou men waarschijnlijk sneller dan het licht kunnen reizen. Maar dit is waarschijnlijk niet de enige manier om de lichtsnelheid te overschrijden. Er zouden in de ruimte tunnels kunnen worden gecre?erd die een korte verbinding zouden kunnen vormen tussen zeer ver van elkaar verwijderde punten. De sleutel tot dit onvoorstelbare idee kan worden gevonden in Einsteins algemene relativiteitstheorie. Einstein toonde aan dat de tijdruimte wordt vervormd door de aanwezigheid van massa en dat de gravitationele aantrekkingskracht simpelweg het effect is van voorwerpen die de kromming volgen van de tijdruimte. Het zou mogelijk zijn dat twee objecten zo zwaar zijn dat de resulterende vervorming een soort verbinding, een zogeheten wormgat, tussen de beide objecten vormt. De enige voorwerpen die een dergelijk effect zouden kunnen veroorzaken zijn natuurlijk zwarte gaten, de bijna oneindig dichte restanten van enorme sterren, die een enorme aantrekkingskracht uitoefenen. Maar indien zwarte gaten de toegangspoort vormen tot wormgaten, hoe zou een schip de aldaar heersende reusachtige gravitationele krachten kunnen overleven? En verder tonen berekeningen aan dat de diameter van een wormgat kleiner is dan een subatomair deeltje, en dat het zich vrijwel onmiddellijk na zijn vervorming weer sluit.
De natuurkundige Kip Thorne van het California Instituut voor Technologie heeft uit de quantumtheorie een theoretisch materiaal afgeleid waarmee een wormgat zou kunnen worden opengehouden. Deze ‘exotische materie’ heeft een dichtheid die groter is dan die van het wormgat en oefent een naar buiten gerichte druk uit die krachtig genoeg is om het sluiten van het wormgat te voorkomen, waardoor een ruimteschip veilig door de tunnel gevormd door het wormgat kan reizen.
Quantumtheorie: Deel van de natuurkunde dat de discontinu?teit (niet continu) of sprongsgewijze verandering betreft die bij veel processen op zeer kleine schaal worden waargenomen.
Ionenmotor.
Deep Space (een sonde met camera) vliegt op een ionenmotor en is volkomen zelfsturend. Het is voor het eerst dat zo'n motor wordt gebruikt voor de primaire voortstuwing van een satelliet. De motor werkt alleen in het vacu?m van de ruimte. In het apparaat wordt het edelgas xenon gebombardeerd door elektronen van stroom uit zonnepalen. De xenonionen die daardoor ontstaan spuiten vervolgens via een systeem onder hoog voltage de ruimte in met een snelheid van bijna 100.000 kilometer per uur.
A4'tje
De stuwkracht van de gloeiende blauwe stroom xenonionen is niet meer dan het gewicht van een A4'tje in de hand, maar wel wordt de snelheid van een satelliet elke dag met 24 tot 32 kilometer per uur opgevoerd. De motor zorgt dus voor geleidelijke doch constante versnelling, die maanden of zelfs jaren kan doorgaan. Deep Space 1 heeft slechts 85 kilo xenon aan boord, maar kan daarmee 724 miljoen kilometer ver.
Kijk ook nog op:
http://www.reformatorischdagblad.nl/bui/990731bui04.html
http://www.astronova.nl/archief/nieuws2001/03_05_01_1.htm
Encarta 98 Encyclopedie
Boeken:
Reis door het heelal: -Op naar de sterren.
-Ruimtereizen.
Beide boeken zijn geschreven door de redactie van Time-Life boeken.
Voortstuwing zoals het nu gaat.
De raketten die nu veel worden gebruikt zijn chemische raketten. In de raket zitten twee tanks. In die tanks zitten brandstof en oxidator (zuurstofdrager). Als deze worden vermengd krijgt de brandstof genoeg zuurstof om te ontbranden. Omdat er twee zijwanden in de verbrandingskamer zitten compenseert de zijwaartse druk en omdat er geen wand tegenover de bovenwand zit, krijgt de raket een opwaartse kracht.
Waarom een andere manier van voortstuwing?
Als de mens een bemande reis naar een verre planeet wil maken is men met de huidige raketten erg lang onderweg. Als men ook nog terugwil is dat voor een volwassen mens niet haalbaar. Dat betekent dat men meerdere generaties in een ruimtevaartuig moet kunnen herbergen. En voor al die mensen moet er voedsel, water en zuurstof aanwezig zijn. Voor zo’n lange reis is ook ongelofelijk veel brandstof nodig. Wil men dat allemaal meekrijgen dan kan men dat nooit in ??n geheel van de aarde lanceren, daar zijn meerdere lanceringen voor nodig. Daarna moeten alle delen de ruimte aan elkaar worden gekoppeld tot ??n geheel. Een andere oplossing zou zijn om het gehele ruimteschip in de ruimte te bouwen, maar voordat we daar de technieken voor hebben. Want ook de grondstoffen moeten dan vanaf de aarde komen, hiervoor zouden we een buitenaardse bron moeten vinden. Er is een andere mogelijkheid: De mens in een kunstmatige ‘winterslaap’ brengen. Of invriezen, zoals nu al gebeurd met mensen die ongeneeslijk ziek zijn. Hierdoor verouderd de mens niet, kan men gegevens verzamelen (afhankelijk van de missie) en weer terugkeren. Hij of zij zal dan een paar jaar ouder zijn dan toen, toen ze vertrokken vanaf de aarde. De aarde zal dan onherkenbaar veranderd kunnen zijn of misschien niet eens meer bestaan. Voor kortere reizen zou het ook heel belangrijk zijn. De ruimte is een hele onvriendelijk omgeving voor de mens. De straling en de gewichtsloosheid brengen enorme schade toe aan botten, spieren en bloedsomloop. Een kortere reis zou de schade aanzienlijk verminderen.
Er zijn een groot aantal mogelijkheden. Hier volgen er vier:
1. Het zonnezeil.
2. De ‘ruimtekatapult’.
3. Wormgaten.
4. Ionenmotor.
Het zonnezeil.
Net zoals de grote ontdekkingsreizigers van de 15e eeuw afhankelijk waren van de wind om hun zeilschepen voort te drijven over de grote oceanen van de aarde, zo zullen ruimteontdekkingsreizigers wellicht eens gebruik maken van het licht voor tochten door de leegten tussen de planeten, of zelfs de planeten die om een verre ster cirkelen. Hoewel fotonen, de pakketjes elektromagnetische energie die worden uitgestraald door de zon en alle andere sterren, geen massa bezitten, kunnen ze in het bijna-vacu?m van de ruimte een gestage, windachtige druk uitoefenen.
De sleutel tot het uitbuiten van deze lichte druk ten behoeve van voortstuwing is een materiaal dat zeer goed reflecteert, zodat fotonen zorgen voor stuwkracht door af te stuiten van het zonnezeil. Hoe groter de verhouding tussen het zeiloppervlak en de massa van het ruimtevaartuig, hoe groter de stuwkracht. De acceleratie is niet groot, maar na een aantal weken zal het zonnezeil sneller gaan dan de gewone raket.
Het zeil moet daarbij echter ook stevig genoeg zijn om het voertuig manoeuvreerbaar te maken, een overweging die van invloed is op de uiteindelijke vorm. Het rondraaiende, helicopteractige zeil zoals is afgebeeld is ??n van de vele voorgestelde ontwerpen, die vari?ren met de verschillende technieken voor ingebruikname en bediening. Aanvankelijk moeten zonnezeilen zorgen voor het vervoer van apparatuur, voor communicatie en de wetenschap. Later zouden ze voorraden vervoeren tussen de planeten aarde en Mars of andere planeten, en tenslotte zullen wellicht reizigers door zonlicht worden voortgedreven van de ene interplanetaire bestemming naar de andere.
Zonlicht is zo zwak als voortstuwingskracht dat ontwerpers van zonnezeilen voor een dilemma staan; enerzijds willen ze dat hun ruimtevaartuigen over een zo groot mogelijk zeiloppervlak beschikken teneinde een maximum aan fotonen op te vangen. Maar een gebruiksklaar zonnezeil, met 2 tot 2,5 hectare aan kwetsbaar materiaal, bloot stellen aan de krachten van een lancering vanaf de aarde zou stellig uitlopen op een mislukking. Aangezien de constructie van een dergelijk zeil in een baan om de aarde niet haalbaar is, hebben ingenieurs verschillende idee?n uitgewerkt om een zeil zodanig te ‘verpakken’ dat het een lancering kan overleven, waarna het zich automatisch ontvouwt als het op een hoogte van zo’n 1500 kilometer om de aarde cirkelt.
Een belangrijke overweging is of en hoe het zeilmateriaal op te vouwen. Een kreukel is het metaalachtige oppervlak zou niet alleen de weerkaatsingscapaciteit aantasten, maar het zeil ook verzwakken en mogelijk scheuren veroorzaken. En aangezien het zeil, eenmaal in een baan om de aarde, zijn uiteindelijke grootte en vorm moet krijgen door middel van een onfeilbaar werkend mechanisme, moet ook alles wat het zeil stevigheid verleent worden ‘verpakt’.
Het slingeren door middel van een ‘ruimtekatapult’.
Hier is een slinger afgebeeld terwijl er een ruimtevaartuig (rechtsonder) vanuit een lage baan om de aarde mee in de ruimte wordt geslingerd voor een verre reis. Dit systeem, ook wel aangeduid als ‘roterende ruimtehaak’, zou bestaan uit een 100 kilometer lange kabel die loopt vanaf een zwaar platform (linksboven) naar een koppelingmechanisme waaraan tal van lasten kunnen worden vastgemaakt. Dit mechanisme, dat rond het platform draait, koppelt zich aan de ruimte- of vrachtvaartuigen die vanaf de aarde zijn gelanceerd, en slingert ze de ruimte in.
Door de impulsoverdracht zal de ruimtehaak iedere keer dat een last de ruimte in wordt gebracht hoogte verliezen. Dit verlies kan echter worden goedgemaakt door het opvangen van vaartuigen die naar de aarde terugkeren. Door het opvangen van een terugkerende last wordt ook weer impuls aan het platform overgedragen en komt het weer in een hogere baan terecht.
Bij deze manier van reizen is er eenmalig brandstof nodig. Alleen om de last in een baan om de aarde te brengen. Als er een keten van dit soort ‘slingers’ komen krijgt de last steeds weer een nieuwe zet en kan ook de richting worden veranderd (afhankelijk van wanneer de last wordt losgelaten). In de ruimte heeft de last ook geen last van wrijving waardoor er maar weinig snelheid verloren gaat.
Wormgaten.
Er is een theorie over een voortstuwing met behulp van tachyonen. Door deze voortstuwing zou men waarschijnlijk sneller dan het licht kunnen reizen. Maar dit is waarschijnlijk niet de enige manier om de lichtsnelheid te overschrijden. Er zouden in de ruimte tunnels kunnen worden gecre?erd die een korte verbinding zouden kunnen vormen tussen zeer ver van elkaar verwijderde punten. De sleutel tot dit onvoorstelbare idee kan worden gevonden in Einsteins algemene relativiteitstheorie. Einstein toonde aan dat de tijdruimte wordt vervormd door de aanwezigheid van massa en dat de gravitationele aantrekkingskracht simpelweg het effect is van voorwerpen die de kromming volgen van de tijdruimte. Het zou mogelijk zijn dat twee objecten zo zwaar zijn dat de resulterende vervorming een soort verbinding, een zogeheten wormgat, tussen de beide objecten vormt. De enige voorwerpen die een dergelijk effect zouden kunnen veroorzaken zijn natuurlijk zwarte gaten, de bijna oneindig dichte restanten van enorme sterren, die een enorme aantrekkingskracht uitoefenen. Maar indien zwarte gaten de toegangspoort vormen tot wormgaten, hoe zou een schip de aldaar heersende reusachtige gravitationele krachten kunnen overleven? En verder tonen berekeningen aan dat de diameter van een wormgat kleiner is dan een subatomair deeltje, en dat het zich vrijwel onmiddellijk na zijn vervorming weer sluit.
De natuurkundige Kip Thorne van het California Instituut voor Technologie heeft uit de quantumtheorie een theoretisch materiaal afgeleid waarmee een wormgat zou kunnen worden opengehouden. Deze ‘exotische materie’ heeft een dichtheid die groter is dan die van het wormgat en oefent een naar buiten gerichte druk uit die krachtig genoeg is om het sluiten van het wormgat te voorkomen, waardoor een ruimteschip veilig door de tunnel gevormd door het wormgat kan reizen.
Quantumtheorie: Deel van de natuurkunde dat de discontinu?teit (niet continu) of sprongsgewijze verandering betreft die bij veel processen op zeer kleine schaal worden waargenomen.
Ionenmotor.
Deep Space (een sonde met camera) vliegt op een ionenmotor en is volkomen zelfsturend. Het is voor het eerst dat zo'n motor wordt gebruikt voor de primaire voortstuwing van een satelliet. De motor werkt alleen in het vacu?m van de ruimte. In het apparaat wordt het edelgas xenon gebombardeerd door elektronen van stroom uit zonnepalen. De xenonionen die daardoor ontstaan spuiten vervolgens via een systeem onder hoog voltage de ruimte in met een snelheid van bijna 100.000 kilometer per uur.
A4'tje
De stuwkracht van de gloeiende blauwe stroom xenonionen is niet meer dan het gewicht van een A4'tje in de hand, maar wel wordt de snelheid van een satelliet elke dag met 24 tot 32 kilometer per uur opgevoerd. De motor zorgt dus voor geleidelijke doch constante versnelling, die maanden of zelfs jaren kan doorgaan. Deep Space 1 heeft slechts 85 kilo xenon aan boord, maar kan daarmee 724 miljoen kilometer ver.
Kijk ook nog op:
http://www.reformatorischdagblad.nl/bui/990731bui04.html
http://www.astronova.nl/archief/nieuws2001/03_05_01_1.htm
Encarta 98 Encyclopedie
Boeken:
Reis door het heelal: -Op naar de sterren.
-Ruimtereizen.
Beide boeken zijn geschreven door de redactie van Time-Life boeken.
Handige opties
- Werkstukken over:Voortstuwing zoals het nu gaat