Onderzoek van de Rijksuniversiteit Groningen met de 11 februari 2005 te lanceren Nederlandse satelliet Sloshsat moet meer inzicht geven in het gedrag van grote vloeibare ladingen in de ruimte. Daartoe vergelijkt een groep wiskundigen van de universiteit het geklots van het water in de satelliet met door hen ontwikkelde computermodellen. Beter inzicht in het klotsgedrag in de ruimte moet leiden tot beter ontwerp van ruimtevoertuigen met een vloeibare lading. SRON ondersteunt het wetenschappelijk onderzoek met Sloshsat FLEVO.

Hoe koppel je veilig een bevoorradingsvoertuig aan het ruimtestation ISS als een lading vers drinkwater onrustig in de voorraadtanks heen en weer klotst en het aanlegpunt heen en weer zwiept? Hoe houd je nauwkeurig een satelliet op koers als bij iedere baancorrectie de vloeibare brandstof niet mee de bocht om wil? Dit zijn vragen die met de toenemende exploratie van de ruimte steeds belangrijker worden.

Wiskundige modellen

De onderzoeksgroep Technische Mechanica en Numerieke Wiskunde van de Rijksuniversiteit Groningen bestudeert deze vragen langs theoretische weg. Onder leiding van professor Arthur Veldman, ontwikkelt de groep wiskundige modellen die de beweging van het ruimtevoertuig inclusief zijn klotsende lading beschrijven. Deze zogenaamde CFD modellen (CFD = Computational Fluid Dynamics) worden met behulp van de computer doorgerekend en geanalyseerd.

Testen in de ruimte is noodzakelijk

Vergelijking met de werkelijkheid leert de onderzoekers in hoeverre hun model functioneert en waar het eventueel aangepast moet worden. Vloeistoffen gedragen zich in de ruimte net even anders dan op aarde. Met name de stroming in de buurt van de contactlijn tussen vloeistofoppervlak en tankwand wordt fysisch nog niet goed begrepen. Deze stroming heeft een belangrijke invloed op de globale vloeistofbeweging en daarmee op het gedrag van het gehele ruimtevoertuig. Dit soort onderzoek is alleen mogelijk in een situatie van langdurige gewichtloosheid. Op aarde is alleen in valtorens en tijdens paraboolvluchten enkele ogenblikken gewichtloosheid te verkrijgen, maar dit is te kort om voldoend nauwkeurige experimenten uit te kunnen voeren. Experimenteren in de ruimte is daarom de aangewezen methode.

Sloshsat

Binnenkort doet zich een uitgelezen mogelijkheid voor om het gedrag van klotsende vloeistoffen in de ruimte te onderzoeken. Na herhaald uitstel zal 11 februari 2005 een Ariane 5 ECA testvlucht plaatsvinden. Aan boord is een Nederlandse satelliet, genaamd Sloshsat FLEVO (Facility for Liquid Experimentation and Validation in Orbit), die speciaal ontworpen is voor het doen van experimenten. Sloshsat is bedacht, ontwikkeld en gebouwd door het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium NLR, met (financiële) ondersteuning van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en de Nederlandse overheid.

Vrije tuimeling

In feite bestaat Sloshsat (de Nederlandse vertaling is ‘klotssatelliet’) uit een grote cilindervormige tank, die voor iets minder dan de helft gevuld is met 33.5 liter water. Aan de buitenkant zit een dozijn stuurraketjes waarmee de satelliet bewogen kan worden. Een draaiboek is opgesteld met verschillende soorten experimenten, variërend van een goed gecontroleerde beweging tot aan een vrije tuimeling. De reactie van het water wordt berekend uit de gemeten beweging van de satelliet; de instantane verdeling kan worden afgelezen via een groot aantal sensoren in de tankwand.

Direct analyseren

De metingen van de beweging van satelliet en de verdeling van het water worden direct doorgestuurd naar de aarde, waar de Groningse onderzoekers met hun computerprogramma klaar zitten om ze te analyseren en eventueel aanvullende experimenten voor te stellen. De informatie die de onderzoekers uit de ruimte ontvangen, beperkt zich overigens niet tot dorre cijfers. Met behulp van een computeranimatie zien ze de satelliet door de ruimte buitelen als ware die gefilmd vanuit een camerastandpunt op enige afstand van de satelliet.

De resultaten van dit ‘klots’onderzoek zullen leiden tot beter inzicht in de dynamica van ruimtevoertuigen met vloeibare lading, en op de langere termijn tot efficiëntere ruimtereizen.