Update (6:49am ET, 11 aug.): Dit verhaal is bijgewerkt met de nieuwe lanceringstijd van 12 augustus. De lancering op 11 augustus werd afgeblazen vanwege een last-minute helium-druk probleem.
NASA’s Parker Solar Probe is een 1.500 pond wegende computer, iets kleiner dan een compacte auto, maar in de komende jaren zal het snelheden bereiken van 430.000 mijl per uur om door de rand van de zon zelf te gaan. Om daar te komen is geen gemakkelijke taak, en evenmin het begrijpen van de reis.
“Ik weet niet of ik je echt kan uitleggen hoe de baan werkt-het is een prachtige baan, het is een gecompliceerde baan,” vertelde Dr. Yanping Guo, een onderzoeker van de Johns Hopkins University die het pad van het ruimtevaartuig naar het hart van het zonnestelsel heeft uitgezet, aan Quartz. “Het is een uitdaging om het uit te leggen in een taal die andere mensen kunnen begrijpen.”
Laten we het proberen. Ten eerste, Guo merkt op, het krijgen van de zon is “de meest, meest uitdagende in alle ruimte-exploratie.” (Ze weet waar ze het over heeft: Guo heeft ook de koers uitgezet voor de ruimtesonde New Horizons die in 2015 naar Pluto reisde). Maar die moeilijkheid is misschien niet intuïtief. De zon is veruit het grootste lichaam in het zonnestelsel, met een gravitatieveld dat zo sterk is dat het letterlijk alle planeten bijeenhoudt. Er in meegezogen worden zou vrij eenvoudig moeten zijn, toch?
Bedenk wel dat de aarde een baan om de zon maakt, en wel met een snelheid van 30 kilometer per seconde. Stel je voor dat je op een draaimolen zit, die snel om een centrale as cirkelt. Het is een stuk makkelijker om op je plaats te blijven, of naar buiten geslingerd te worden, dan naar het centrum te klimmen. Diezelfde natuurkundige wetten, beschreven door Johannes Kepler en Isaac Newton in de 17e eeuw, bepalen de beweging in de ruimte.
Hang on tight
Laten we op onze draaimolen blijven zitten. De zwaartekracht van de zon is die centrale as, die je naar binnen trekt, die samenwerkt met je snelheid rond de rand, waardoor je in een baan vergrendelt. Om in het binnenste van de draaimolen – of het zonnestelsel – te komen, moet je je snelheid verminderen, zodat de aantrekkingskracht van de centrale as het wint.
Voor de Parker Solar Probe begint dit met een van de krachtigste raketten ter wereld, de Delta IV, gebouwd door United Launch Alliance. Deze zal de sonde met meer dan 350 ton kracht van de planeet af slingeren.
Elk object dat van de aarde vertrekt deelt normaal gesproken de baan van de planeet, maar de Delta IV zal de sonde in tegengestelde richting lanceren. Deze manoeuvre zal de sonde vertragen, hoewel de aantrekkingskracht van de aarde nog steeds zo krachtig is dat het ruimtevaartuig het nog een tijdje zal blijven vergezellen. Guo zegt dat de manoeuvre is te vergelijken met “remmen op een snel rijdende auto, die de orbitale snelheid van het ruimtevaartuig vermindert, maar niet veel verandert zijn bewegende richting.”
Dit is waar de dingen echt interessant worden. Zelfs als we meteen remmen, komt de zonnesonde niet op tijd dicht genoeg bij de zon.
Assistance in orbit two
Eerdere plannen voor de Parker-zonnesonde-missie berustten op een manoeuvre die een “gravity assist” wordt genoemd, en die rond Jupiter zou worden uitgevoerd.
Het concept is simpel: Jupiter is een enorme planeet, die rondjes draait met een snelheid van 13 kilometer per seconde. Een ruimtesonde kan in het zwaartekrachtsveld van Jupiter vliegen en naar voren worden getrokken, waarbij een deel van die snelheid wordt opgevangen, voordat hij om de planeet heen wordt geslingerd en terug naar de zon. Stel je een hele sterke vriend voor die je in het midden van die draaimolen slingert.
Voor dit plan moest de sonde echter met kernenergie worden uitgerust, omdat de zonnepanelen die nodig zijn om zo ver weg als Jupiter energie te verzamelen te groot zouden zijn. NASA wilde het geld en de schaarse plutoniumvoorraad niet uitgeven.
Dat betekende dat er een ander traject nodig was, en dat is waar Guo om de hoek kwam kijken. In 2007 dachten de meesten dat een sonde alleen met behulp van de zwaartekracht van Jupiter naar de zon kon worden gebracht. Guo realiseerde zich dat, met zorgvuldige planning, de sonde ook Venus kon gebruiken om zijn doelen te bereiken. In plaats van achter Jupiter te komen om snelheid te maken, zou de sonde voor Venus langs gaan en afremmen als hij achteruit wordt getrokken.
Maar Venus is een kleinere planeet dan Jupiter en heeft niet zoveel energie om te delen. Om de sonde voldoende af te remmen om de zon te naderen, zijn zeven verschillende passages nodig – een recordaantal.
Het zo uitlijnen van de sonde dat elke baan Venus op het perfecte moment en met de perfecte snelheid passeert, staat bekend als een “faseringsprobleem”, een uitdagende taak waarvoor veel rekenwerk nodig is. Opmerkelijk genoeg vereist Guo’s baan niet dat de sonde extra manoeuvres uitvoert in de diepe ruimte. In plaats daarvan wordt alles bepaald door de zwaartekracht-assistentie – een perfect biljartschot dat zeven keer over de rand gaat voordat het de pocket raakt.
“Ik ben eigenlijk verbaasd dat er geen diep-ruimte manoeuvre is,” zegt MIT professor Richard Binzel, een planeetwetenschapper die werkt aan de New Horizons missie. “Het is een zeer nauwkeurig afgesteld pad – te dichtbij, en de planeet trekt je er helemaal in.
Naast het feit dat je alleen op zonne-energie hoeft te rekenen, heeft Guo’s unieke ontwerp nog andere voordelen: Hij zal de zon 24 keer van dichtbij passeren, in plaats van slechts twee keer, en elke passage zal hem geleidelijk dichterbij brengen, waardoor wetenschappers hun instrumenten kunnen kalibreren voor meer precisie.
Om de zon aan te raken
Dus hoe breekt deze sonde, gewijd aan het vertragen, snelheidsrecords? Het antwoord ligt ook in de omloopbanen. Elke keer dat de sonde vertraagt in een passage rond Venus, trekt de zwaartekracht van de zon haar een beetje dichterbij. Zoals Kepler uitlegde, hoe dichter een ruimteschip bij het lichaam komt waar het omheen draait, hoe sneller het gaat ten opzichte van dat lichaam. Het ruimteschip legt dezelfde hoekafstand rond de zon af, maar naarmate het dichterbij komt, krimpt de feitelijk afgelegde ruimte.
Bij zijn dichtste omloopbaan, minder dan 4 miljoen mijl van de zon, zal de sonde naar verwachting maar liefst 430.000 mijl per uur gaan. Dat zal snelheidsrecords breken die ook zijn gevestigd door NASA-ruimtevaartuigen die in een baan om de zon zijn geweest. Helios 2, de vorige recordhouder, haalde 253.000 mijl per uur tijdens een reis rond onze ster in 1976.
Hoewel het record voor snelste door de mens gemaakt object indrukwekkend is, is dat niet de drijfveer voor de wetenschappers die dit project hebben ontworpen, of de ingenieurs die het zullen uitvoeren. Het idee om een robot de zon te laten verkennen, circuleert al minstens sinds 1958 bij de NASA, toen de wetenschapper Eugene Parker een theorie (paywall) opperde dat de zon een enorme stroom geladen deeltjes de ruimte instuurt, de zogenaamde “zonnewind”. Meer gegevens over de corona, het superhete plasma dat de zon omringt en dit zonneweer produceert, kunnen ons helpen het te begrijpen – en onze elektrische infrastructuur te beschermen tegen gevaarlijke magnetische stormen.
Voor veel wetenschappers die aan Parker Solar hebben gewerkt, zal de geplande lancering vandaag (12 aug.) om 3:31 uur het hoogtepunt zijn van tientallen jaren van werk. “Ik kende veel mensen die lang aan deze missie hebben gewerkt,” zegt Guo, die zelf sinds 2007 aan de missie heeft gewerkt. “Ik voelde me erg gelukkig dat ik een studie heb gedaan, en ik zal ook kunnen deelnemen aan de ontwikkeling, en nu zijn we bijna bezig de sonde op te zetten om hem naar de zon te brengen. Wat spannend!”
Correctie: In een eerdere versie van dit artikel is de omloopsnelheid van Jupiter verkeerd vermeld.