ISMÅLING: CryoSat, som skal måle istykkelse på jordoverflaten, er dekket av gullbelagt folie for å reflektere stråling.

Så ekstremt er verdensrommet

Konstruksjoner beregnet på bruk i verdensrommet måle tåle en trøkk, for få av de satellitter og romfartøyer vi sender ut med svært kostbare raketter kan hankes inn for reparasjon.

Den gangen man overhalte Hubble-teleskopet var et unntak. Teleskopet var veldig dyrt, prestisjetungt og gikk i lav jordbane, innen romfergens rekkevidde.

Derfor er det avgjørende at man sikrer påliteligheten gjennom en lang rekke tester på vibrasjon, temperatur, stråling og andre belastninger som oppskyting og opphold i rommet byr på.





Testing, testing

En satellitt, eller noe annet som skal ut i rommet, er ikke noe man skrur sammen i en fei og sender av gårde. Her bygges elementer som hver for seg gjennomgår grundige tester.

Selv de minste komponenter må gjennomgå omfattende tester hvis de ikke er det man kaller romkvalifisert, eller «space grade qualified», på forhånd. Det er flere grader av slik kvalifisering avhengig av hvilke belastninger komponenten vil møte i rommet. Når alt er klart bygges en utviklingsmodell som må passere en kvalifikasjonstest før konstruksjonen blir godkjent. Den må bestå alle prøvelser man forventer å møte i rommet med et tillegg på 20 til 25 prosent.

Først når utviklingsmodellen er godkjent, kan man bygge den farkosten som skal ut i rommet. Den må også gjennomgå et omfattende testprogram, selv om den ikke blir utsatt for det samme hardkjøret som utviklingsmodellen.

TESTING: Her testes Mercury Magnetospheric Orbiter satellittens solskjold i ESAS enorme Large Space Simulator. Den har et vakuumkammer der satellitter og romsonder blir utsatt for temperaturer som etterligner forholdene i rommet. ESA

Strålebelastning

Det er stor forskjell på hvilke belastninger en satellitt møter i lav jordbane, sammenlignet med om den skal ferdes interplanetarisk.

Et kjøretøy på Mars vil få mye mindre strålingsbelastning enn en satellitt som skal operere interplanetarisk. Slike strålingsskader akkumulerer seg etter hvert som satellitten treffes av en lang rekke partikler fra protoner, alfapartikler (heliumkjerner) og andre partikler med svært høy energi. Spesielt høyenergi protonstråling er farlig for mennesker som oppholder seg i romfarkoster som den internasjonale romstasjonen.

En måte å beskytte satellittene på, er å «pansre» dem med et skall av lette og sterke metaller som titan eller tantal.

Ofte benyttes slike flere plater i kombinasjon for å øke strålingsmotstanden. Man setter dem sammen med aluminium, honeycombstrukturer, eller ganske enkelt avstand til hverandre. Slike konstruksjoner gir normalt ganske god beskyttelse mot stråling, men det kommer an på hvor satellitten skal ferdes. I nærheten av noen av Jupiters måner, slik som Io, er belastningen veldig stor. Jupiters magnetosfære bidrar til kraftig strålebelastning som kommer i tillegg til solens partikkelstråling og kosmisk stråling.

Man prøver å konstruere satellitter slik at de tåler strålingen de utsettes for. Beskyttelsen dimensjoneres for å stoppe mest mulig stråling, men i praksis er det ikke mulig å bygge satellitten helt strålesikker. Da ville den bli altfor tung. Derfor er metallhuden stort sett 8 mm tykk. Det stopper, reflekterer eller bremser stråling, men noen partikler går gjennom. Derfor må satellitten bygges slik at den kan tåle slike skader.





Innenfra også

Som om ikke strålingen fra rommet var nok ,må enkelte satellitter også beskyttes, så å si, mot seg selv.

Mange amerikanske romsonder benytter radioaktivt materiale som energiforsyning. Derfor må den radioaktive kilden kapsles slik at den ikke ødelegger elektronikken og instrumentene.

ESA vil ikke bruke radioaktiv energiforsyning, så de er avhengig av solpaneler. Det er mulig å dra helt til Jupiter med slike, men solpanelene blir enorme. En slik satellitt trenger paneler på rundt 50 kvadratmeter som også utgjør en veldig stor masse om bord på satellitten. I tillegg er det en betydelig mekanisk utfordring å folde ut så svære paneler.

Les også:

F-35 ikke tilpasset arktiske strøk

Dette er Forsvarets high tech-helikopter





Slutt på brennstoff

Nasa vil også få en utfordring på kraftsiden. Det er rett og slett ikke mer brennstoff igjen.

Det har vært vanlig å bruke Plutonium 238 for å generere strøm og varme, men de siste reservene er nå på vei til Mars, der de skal drive Mars-kjøretøyet Curiosity, som skal lande i august.

Nedbryting av plutonium i Curiosity vil gi rundt 150 watt med strøm fra de 2000 watt med varmeenergi genereres. Varmen kommer også til nytte fordi batteriene må holdes varme gjennom Marsnatten.

Den samme problemstillingen har man på månen hvor natten er på to uker. Om man skal tilbake dit, og overleve mer enn to uker, må man tenke nytt hvis radioaktiv plutonium ikke kan benyttes.





Flygende søppelberg

For satellitter og romfarkoster i jordbane er romsøppel et økende problem.

Kollisjoner med gamle synder har ødelagt satellitter.

I tillegg kan man aldri garantere mot treff fra mikrometeoritter. De kan være ørsmå, men har en hastighet som kan gi store ødeleggelser. I det ytre rom er risikoen for treff små, men farkoster som skal til Jupiter må gjennom asteroidebeltet, og det kan være en utfordring.

ROMSTASJON: Den internasjonale romstasjonen ISS, her med romfergen dokket den 24 mai og fotografert fra en russisk Soyuz sonde, kan være et farlig sted hvis det kommer et partikkelutbrudd fra solen. ESA/NASA

Termiske utfordringer

Satellitter og kjøretøy som skal til Mars og Jupiter må tåle ekstrem kulde, men selv det er ikke nok. Alle de elektriske komponentene er militært spesifisert og garantert til – 55 °C. ESA har bygget et kamera som fungerer ned til – 80 °C, men i Mars-natten blir det ned mot – 120 °C. Her er det ikke sikkert at ting vil fungere uten oppvarming.

På den andre siden av temperaturskalaen finner vi ekstreme temperaturer som må håndteres når et fartøy skal gjennom atmosfæren til en planet for å lande, slik som jorden og Mars. Romfergens varmeskjold måtte tåle 1600 °C i spissen.

Geostasjonære satellitter møter andre utfordringer. De stekes av solen det meste av tiden, men kommer også inn i skyggen fra jorden, og da blir det iskaldt. Derfor må de ha termiske systemer som både kan holde de vitale komponentene varme og kalde.

Mye av dette kan gjøres passivt ved å velge folier eller maling som reflekterer bort eller suger opp varme. Man isolerer komponenter mot både varme og kulde, og bygger deler av satellitten slik at den stråler varme mest mulig effektivt ut i rommet. Uten luft er stråling den eneste måten å bli kvitt varme på.

Les også:

Guide: Norges beste vitensentre

Superinstrument forsker på på universets opprinnelse





Vibrasjon

Selv om en romfarkost som skytes opp må tåle syv til åtte G, er ikke det noen stor utfordring.

Det er derimot vibrasjonene som oppstår. Vibrasjonene under oppskyting er umulige å bli kvitt så de må tas hensyn til under konstruksjon. Resonanseffekter kan ødelegge komponenter, derfor blir alt blir testet på et ristesystem.

I USA regnet man ut at en forlenget versjon av faststoffrakettene som romfergen brukte, som ble planlagt til neste generasjon oppskytningssystem, ville påføre enorme vibrasjoner i øverste trinn. Men man har også funnet ut hvordan man skal unngå for store belastninger.





Luftmotstand

Verdensrommet er som vi vet luftfritt, men jordens atmosfære er større enn vi vanligvis tenker på.

Satellitter og den internasjonale romstasjonen, som går i lav jordbane, vil bremses av atmosfæren, selv om den er uhyre tynn.

Derfor må slike farkoster ha rakettmotorer og drivstoff slik at de kan kompensere for høydetapet som friksjonen forårsaker. Den internasjonale romstasjonen har en banehøyde fra 320 til 400 km. Den satellitten som går i laveste sirkulære bane, er ESAs gravitasjonsfeltsatellitt GOCE. Den går i 260 km høyde, med kontinuerlig bruk av ione-motor for ikke å tape høyde.

Kilde: Dipl.-Ing. Nicole Schmitz, German Aerospace Center, Institute of Planetary Research





Les også:

Slik kaprer teknikerne tideler i skisporet

Romfartspris til SINTEF-forsker

Norsk satellitt overvåker nordområdene