Slecht nieuws gisteren: na reactiewiel 2 is nu ook reactiewiel 4 aan boord van ruimtetelescoop Kepler er mee gestopt. Kepler is voor mij het meest spannende stuk ruimtetechnologie van dit moment, omdat de telescoop een stortvloed aan nieuwe exoplaneten oplevert. Hoewel officieel uit zijn nominale levensduur (die wordt altijd conservatief geschat) zou het wel zonde zijn.
Reactiewielen zijn cruciale stukjes technologie aan boord van vrijwel elke satelliet: ze zorgen ervoor dat je de satelliet kunt richten en dat is nogal essentieel voor zoiets als een ruimtetelescoop die heel precies op een ster diep in het heelal moet kunnen mikken. Reactiewielen zijn nodig, maar ook notoir kwetsbaar: het zijn zeldzame bewegende onderdelen in een satelliet, en dus gevoelig voor slijtage. Meestal is er daarom al minimaal 1 extra mee, zoals ook bij Kepler. Maar ja, er was er dus al een stuk (nr 2), en nu nr 4 ook de geest heeft gegeven ziet het er somber uit.
Hoe werkt dat?
Een satelliet hangt vrij in de ruimte en kan om drie assen kan draaien. Je kunt het vergelijken met je hoofd: je kunt je hoofd schudden, knikken en schuin houden en daarvoor gebruik je verschillende spieren. De satelliet heeft voor elke as een reactiewiel, de spieren van de satelliet dus. Het zijn ronde trommels van een kilo of 4. Er zit een vliegwiel in en een elektromotor die het vliegwiel kan opspinnen of afremmen.
Het onderliggende principe is de wet van behoud van impulsmoment. Zodra je het vliegwiel in de doos versnelt, breng je extra impulsmoment in het systeem. Dat mag volgens de natuurkunde niet zomaar, dus zal de vrij hangende satelliet als reactie een klein beetje de andere kant op gaan draaien.
Die draaisnelheid is wel veel lager dan die van het vliegwiel, want de satelliet is veel groter en zwaarder. Zodra je de gewenste positie hebt bereikt rem je het vliegwiel weer af, en voila, de draai van de satelliet stopt.
Zo kun je een satelliet heel precies sturen, al moet je dan wel extreem precies weten waar de draaiassen en het zwaartepunt van de satelliet precies zitten. Dat kun je wel uitrekenen, maar elke satelliet ondergaat als ie af is nog een nauwkeurige balanstest: de satelliet wordt dan in een cleanroom ‘gewogen’ om exact vast te stellen waar het massamiddelpunt ligt. Essentiele kennis voor de precieze standregeling.
Kortom, zolang je energie hebt van je zonnepanelen om de elektromotoren te voeden, is een set van drie reactiewielen op papier een ideaal systeem voor standregeling. Alleen zijn er twee problemen:
1. Ze lopen vol
Op het eerste gezicht zou de gemiddelde draaisnelheid van een reactiewiel nul moeten zijn en blijven. Je versnelt ze immers eerst de ene kant op om een draai te beginnen, en daarna moet je ze precies evenveel vertragen om de draaibeweging weer te stoppen. Maar helaas is de werkelijkheid anders. Op elke satelliet werken hele kleine asymmetrische krachten, bijvoorbeeld de druk van de zonnewind (de geladen stroom deeltjes van de zon) en zelfs de minieme drukkracht van het zonlicht zelf. Het zijn heeeele kleine krachten, maar over de tijd van maanden of jaren bouwen ze toch merkbaar op en geven ze een overheersende draairichting. En dus lopen reactiewielen na verloop van tijd vol: ze bereiken een maximaal toerenaantal (in de orde van 4000 toeren per minuut).
Paniek? Nee, want je kunt volle reactiewielen wel weer ontladen. Een satelliet heeft meestal namelijk ook attitude control thrusters: kleine raketmotortjes op de randen van de satelliet. Daarmee kun je ook de satelliet laten draaien. De truc is om de wielen en de thrusters elkaar te laten tegenwerken: je ontlaadt dus het wiel en duwt met de thrusters precies de andere kant op. Daarna is je wiel weer ‘leeg’, en kan je er weer een tijdje tegen.
2. Ze gaan stuk
Satellieten zijn, als ze de lancering eenmaal hebben overleeft en alle antennes en zonnepanelen netjes zijn uitgeklapt, hele robuuste apparaten. Er kan eigenlijk niet zo erg veel aan kapot, want er zijn niet zoveel bewegende delen. De risicos zijn ruimtepuin of de inslag van een kosmisch deeltje op precies de verkeerde plek op een microchip. De uitzondering: de reactiewielen. Die draaien een paar duizend toeren per minuut, en dat kan stuk. En dat gebeurd ook regelmatig. Een mooi voorbeeld is de Europese satelliet ERS-2, een aardobservatiesatelliet: die ging van 6 stuks bij de lancering in 1991 (voor elke as 1 plus 1 backup), naar slechts 1 in 2000. Met kunst en vliegwerk hielden de ingenieurs het apparaat desalniettemin in bedrijf, zelfs zonder reactiewielen.
Maar bij een precisie-instrument als de telescoop Kepler wil dat niet, die heeft minstens drie gezonde exemplaren nodig. In de tussentijd kun je de eerder genoemde thrusters gebruiken om de satelliet onder controle te houden. Erg nauwkeurig is dat niet, dus waarnemingen kun je niet doen. Bovendien kost het kostbare brandstof voor de thrusters, en dus levensduur. Is er nog hoop? Jawel. Ik sluit niet uit dat de techneuten van NASA weer een van de reactiewielen aan de praat krijgen, heroïsche daden komen ook in de ruimtevaart voor. Zo haalden ingenieurs in 1999 het verloren gewaande zonobservatorium SOHO terug uit het graf. Voor wanhoop is het dus nog te vroeg.
Michel
