AU

Rejsen ud i rummet


Rumforskning og rumrejser hænger uløseligt sammen. Raket- og rumteknologi sætter således grænserne for, hvad forskerne overhovedet kan undersøge, og rummissioner designes omvendt 100 % ud fra, hvilket formål de har. Aktuel Naturvidenskab har interviewet astrofysikeren Hans Kjeldsen om fascinationen ved rumfart.


Af Carsten R. Kjaer


Den 5. december 2018 var en særlig dag for Hans Kjeldsen. Den dag blev den lille satellit Delphini-1 sendt op i rummet fra Kennedy Space Center i USA. Det var ikke fordi, at netop denne lille satellit skulle udføre noget særlig interessant sammenlignet med de rummissioner, Hans ellers har været involveret i. Nej, det var fordi, det var første gang, han havde været så dybt involveret i al det praktiske forbundet med at sende en satellit ud i rummet og at kommunikere med den. For hele projektet med Delphini-1 var udtænkt og styret fra Aarhus Universitet, hvor Hans har sin daglige gang som professor.

Når man som Hans Kjeldsen forsker i astrofysik, sker det ofte i samspil med rummissioner – for eksempel har han været meget engageret i at finde planeter omkring andre stjerner, såkaldte exoplaneter, ved hjælp af NASA’s Kepler- og TESS-missioner. Derfor har han en naturlig interesse for al den teknologi og fysik, der ligger bag kunsten at sende en satellit i kredsløb om Jorden eller en rumsonde ud til andre planeter i vores Solsystem.

»Selvom vi astrofysikere sjældent arbejder direkte med ”raketvidenskab” eller udvikler rumteknologi, spiller teknologien så stor en rolle for os, at vi bliver nødt til at vide en del om den. For teknologien sætter nemlig grænserne for, hvilke observationer vi overhovedet er i stand til at lave,« siger han.

Det var også en af grundene til, at Delphni-1-projektet blev til, da det giver de studerende ”hands on” erfaring med teknologien i en rummission. Og det er også en af grundene til, at Hans blandt de mange foredrag, han holder hvert år, gerne fortæller om de helt basale principper i at opsende raketter og designe rummissioner, selvom det ikke nødvendigvis direkte handler om hans egen forskning.

»Raketvidenskab og rummissioner er bare spændende og derfor rigtig gode emner til at vække interesse for al den forskning, som teknologien baner vejen for,« siger han.

Ud i rummet

Rummissioner går hånd i hånd med forskningen, fordi missionerne designes 100 % efter, hvad man ønsker at opnå med dem – hvilket kan være vidt forskellige ting såsom at lede efter exoplaneter, studere Solen eller undersøge Mars.

»I nogle tilfælde vil man faktisk kunne gøre de samme observationer fra jorden ved for eksempel at bygge et større teleskop. Så det er altid en overvejelse, om man ikke hellere burde gøre det, da rummissioner er ekstremt dyre«, fortæller Hans. »Men der er også masser af tilfælde, hvor det er helt nødvendigt at flytte instrumenterne udenfor Jordens atmosfære for overhovedet at kunne foretage de observationer, som man ønsker at gennemføre, ligesom der nogle gange ikke er nogen vej udenom at “tage ud og se efter”«.

Delphini-1 var som allerede antydet ikke en mission drevet af et behov for at få bestemte forskningsdata, men en mission, der skulle give studerende og forskere ved Aarhus Universitet erfaringer med at gennemføre satellitmissioner og dermed bane vejen for mere avancerede rumaktiviteter ved universitetet.

Delphini-1 er en såkaldt mikrosatellit, der ikke vejer mere end cirka et kilo og som derfor populært sagt kan medbringes som håndbagage, når en raket for eksempel skal bringe udstyr og mandskab til den Internationale Rumstation. Men selv en så lille satellit giver adgang til, at studerende og forskere kan samarbejde om udviklingen af projektet og lære at styre og nedtage data. Satellitten er udstyret med et avanceret kamera, som kan bruges til at lave obser­vationer af Jorden.

Hans Kjeldsen sender i den forbindelse et anerkendende nik i retning af Aalborg Universitet, hvor man har stor ekspertise i mikrosatellit-missioner, og hvor forskere og studerende selv har udviklet de mikro-satellitter, som er sendt i kredsløb. Virksomheden Gom Space, som har bygget komponenterne til Delphini-1, er således en spin off virksomhed af satellit-aktiviteterne på Aalborg Universitet.

De første billeder fra rumsonden Solar orbiter kom i juli måned i år, og de rummede en videnskabelig overraskelse. Billederne viste nemlig et enormt antal små energiudladninger i Solens ydre atmosfære (kaldet coronaen), som forskerne har døbt lejrbål (camp-fires). Disse lejrbål er små slægtninge til de kæmpemæsssige energiudladninger, man kan observere fra Jorden, men er millioner eller milliarder gange mindre.

Forskerne ved endnu ikke, om de blot er små udgaver af de store energiudladninger, eller om de er drevet af andre mekanismer. Hver især er de små lejrbål ubetydelige, men den kombinerede effekt af dem, kan muligvis være forklaringen på en af de største uløste gåder om Solen, nemlig opvarmningen af Solens corona. Foto: Solar Orbiter/EUI Team/ESA & NASA

Tæt på Solen

En langt mere kompleks mission end Delphini-1 er Solar orbiter, som Det Europæiske Rumagentur (ESA) står bag sammen med NASA. Missionen går ud på at studere Solen, og selvom det ikke er en mission, Hans er involveret i, synes han den er fagligt interessant, fordi han også selv beskæftiger sig med Sol- og stjernefysik.

Rumsonden blev opsendt i februar 2020, og den skal i et ellipseformet kredsløb om Solen, der vil bringe den tættere på Solen end nogen anden rumsonde har været før – nærmere betegnet ind til en afstand af cirka 42 millioner kilometer (Jorden befinder sig gennemsnitligt knap 150 millioner kilometer fra Solen). Herfra skal rumsonden blandt andet optage billeder og foretage målinger af sammensætningen af den tynde strøm af gas, der hele tidens udstødes fra Solens overflade – den såkaldte solvind – og knytte det til, hvor på Soloverfladen, solvinden kommer fra.

Forskerne håber, at disse observationer vil hjælpe med at besvare en række meget fundamentale spørgsmål om Solen såsom, hvad der driver 11-årscyklusen i Solens magnetiske aktivitet, hvad der opvarmer Solens øverste atmosfære (coronaen) til flere millioner grader celsius, og hvad der driver dannelsen af solvinden og accelererer den op til flere hundrede kilometer i sekundet.

Svært at flyve ind i Solen

»Når man vil undersøge Solen tæt på, er en af udfordringerne selvfølgelig, hvordan man undgår, at instrumenterne bliver ødelagt «, siger Hans.

Den udfordring kan man håndtere ved at rette instrumenterne direkte mod Solen i relativt kort tid gennem er varmeskjold, og ved at udnytte tiden, hvor sonden er længere væk fra Solen i den elliptiske bane til at køle instrumenterne ned.

»De færreste vil nok tænke over, at det at sende en rumsonde til Solen i sig selv kan være en meget stor udfordring«, siger Hans. »Hvis vi havde ambitioner om at sende en rumsonde helt ind i Solen, ville det i praksis være næsten umuligt.«

Han forklarer, at dette er let nok at indse, når man har forstået sammenhængen mellem hastigheden i omløbsbanerne og afstanden til Solen. Langt ude i rummet bevæger alting sig langsomt om Solen, mens det omvendt går hurtigere og hurtigere i omløbsbanerne, jo tættere man kommer på Solen. Når vi sender en sonde ud i rummet her fra Jorden, vil den – hvis ikke vi gør andet end at få den ud i rummet – blot følge med rundt i Jordens bane omkring Solen. Da Jorden jo ikke falder ind i Solen, skal vi altså af med hastighed, for at få den ind i en omløbsbane tættere på Solen. Og jo tættere, man ønsker at komme på Solen, jo mere skal man bremse for at komme tættere på.

»Hvis vi vil flyve helt ind i Solen, skal sonden bremses med ikke mindre end 107.200 km/t – det er helt vildt!«, siger Hans. »De fleste satellitter bevæger sig til sammenligning med en fart af cirka 7,7 km/s, dvs. 27.700 km/t«.

Ud i rummet med raketligningen

Se en raketfigur med kræfterne her...

Baggrundsfoto: NASA

Et vilkår for rummissioner er, at den raketmotor, man har med, kræver meget brændstof for at ændre hastigheden – og den hastigheds­ændring, man kan lave, er givet ved den mængde brændstof, man har med. Den samme raketmotor vil dermed have vidt forskellig indflydelse, afhængig af, om man befinder sig langt ude i rummet eller tæt på Solen. Langt ude i rummet bevæger alting sig langsomt i banerne, og derude kan en lille hastighedsændring derfor have stor indflydelse på banen, mens det omvendt er meget svært at ændre noget tæt på Solen, fordi alting bevæger sig rasende hurtigt.

Man kan dog også komme af med hastighed ved at give lidt energi til eksempelvis Venus – altså det omvendte af, hvad man gør, når man “låner” ekstra fart fra de andre planeter, når man skal længere ud i Solsystemet. Solar Orbiters bane er designet sådan, at den jævnligt vil komme i nærhedens af Venus’ tyngdefelt, som sonden kan udnytte til at ændre størrelsen af eller hældningen af rumsondens bane.

Landingens kunst

Når man ikke bare vil sende rumsonder til andre planeter, men også lande på dem, stiger kompleksiteten i missionerne. For der findes ikke en standardløsning på at lande et fartøj på et fremmed himmellegeme, så løsningen er helt og aldeles dikteret af det specifikke miljø, man skal lande i. At lande på Jorden er i den sammenhæng relativt enkelt, fortæller Hans.

»Man skal blot medbringe brændstof nok til, at man kan nå ned og ramme Jordens atmosfære, så klarer den faktisk resten af arbejdet. Man skal blot huske også at medbringe et varmeskjold og en faldskærm til den sidste del af nedstigningen, hvis ikke landingen skal blive for hård!«, siger han.

At lande på Mars er til sammenligning en langt større udfordring, selvom Mars for en overfladisk betragtning ligner Jorden en del. At lande på Mars har man gjort mange gange – blandt andet med de to Mars-rovere Opportunity og Spirit i 2004. En ny og større rover – Perseverance – er i skrivende stund på vej til Mars. Den blev opsendt 30. juli 2020, og hvis alt går vel, lander den på Mars 18. februar 2021.

Når roveren er landet sikkert på Mars, skal den søge efter tegn på mikroskopisk liv på planeten og skal blandt andet også indsamle borekerner af klipper og sedimenter på Mars, der bliver opbevaret i forseglede rør i roveren med henblik på engang i fremtiden at blive fragtet tilbage til Jorden. Missionen medbringer også en lille helikopter (med navnet Ingenuity), som er et teknologieksperiment. Det er nemlig usikkert, om det giver mening at bruge helikoptere på Mars, da det svarer til at skulle flyve med en helikopter i 25 kilometers højde på Jorden. Og det kunne ingen ansvarlig helikopterpilot finde på!


Sky-kranen

Men hvordan lander man sikkert på Mars? Udfordringen er, at tætheden af Mars’ atmosfære kun er cirka 1,5 % af, hvad den er på Jorden. Derfor virker den slet ikke opbremsende på samme måde som Jordens.

»Det er især den sidste del af nedstigningen, der er problematisk, for selvom man godt kan bruge en faldskærm på Mars, vil man smadre ind i planeten med omkring 300 kilometer i timen,« fortæller Hans.

Ved tidligere missioner til Mars har man brugt forskellige løsninger til at bringe fartøjerne intakt ned på overfladen: Man har brugt raketmotorer, “airbags” og en kombination af de to. Den nye rover Perseverance, der nu er på vej til Mars, skal landes med en metode, som også blev benyttet til at lande Mars-roveren Curiosity på Mars i august 2012. Landingsmanøvren inkluderer et særligt raketdrevet nedstigningsfartøj, en faldskærm og så til allersidst en helt speciel manøvre kaldet sky-crane, hvor selve roveren hejses ned i kabler under raketmotorerne. På den måde vil hele herligheden flyve det sidste stykke vej ned mod overfladen, mens hjul og andre dele af roveren folder sig ud. Så snart roveren får kontakt med overfladen, klippes kablerne, og raketten flyver væk.

»Når man hører om den landingsprocedure, tænker man umiddelbart: Det lyder da virkelig mere som fancy science fiction end som den mest smarte måde at lande et rumfartøj på. Men det er altså den bedste løsning, men har kunnet finde til at lande en så tung rover stabilt i dette miljø,« siger Hans.

Det hele skal samtidig være forprogrammeret, da afstanden til Mars gør, at der er en tidsdiffe­rence på cirka 20 minutter. Så når vi sidder og ser manøvren ”live” på computer­skærmen, er det hele i virkeligheden overstået.

Fra første parket

En af de mest fascinerende sider af rumfart og rumforskning er alle de nye og spændende opdagelser, som gøres – enten ved observationer af objekter fjernt fra Solsystemet eller på de spændende rejser, som ubemandede rumsonder foretager i Solsystemet.

»Det er moderne opdagelsesrejser til nye og ukendte egne, men i modsætning til tidligere tiders opdagelsesrejser, hvor man måtte vente på nyheder og beretninger fra rejse til den opdagelsesrejsende var kommet sikkert hjem, kan vi følge med på første parket, når ESA eller NASA sender rumsonder og rovere ud i Solsystemet. Når Perseverance-roveren forhåbentlig lander på Mars torsdag den 18. februar 2021 kl. 21:30 om aftenen, vil vi alle kunne følge med direkte fra kontrolrummet i USA. Det bliver en utrolig spændende aften og også nervepirrende! For lykkes det?« spørger Hans. ♦


I kredsløb

Videnskabsmanden Isaac Newton var den første til at forstå, at hvis man kaster et objekt ud fra et tilstrækkeligt højt bjerg med tilstrækkelig stor hastighed, vil det ikke ramme Jorden, men fortsætte sit fald i det uendelige (hvis man ser bort fra atmosfærens bremsende effekt). Når en satellit er i kredsløb om Jorden er den derfor i praksis i konstant frit fald, fordi dens fart præcist er balanceret med Jordens tyngdekraft i den givne højde.

Når man i dag beregner baner for satellitter i kredsløb om Jorden eller sender rumsonder på langfart i Solsystemet, er det grundlæggende stadig Newtons bevægelseslove, der regnes på i de avancerede computere.

Satellitbaner kan have forskellige banehældninger afhængig af, hvad satellitten skal bruges til. De to yderpunkter er ækvatorbaner, der ligger i Jordens ækvatorplan og polarbaner, som fører satellitten hen over Jordens syd- og nordpol. Satellitter i en polarbane vil "se" forskellige områder på Jorden for hvert omløb, da satellittens bane ikke følger Jordens rotationsretning.

Den geostationære bane gør det muligt at have satellitten placeret over det samme punkt på Jorden hele tiden. For en satellit i denne bane er omløbstiden helt præcist 23 timer, 56 minutter og 4 sekunder (også kaldet et siderisk døgn), hvilket betyder at satellitten skal være i en højde af præcist 35.786 km over jordoverfladen. Satellitternes højde kan også være forskellig afhængig af formålet, og banen kan desuden være mere eller mindre elliptisk. Figuren nedenfor viser karakte­ristika for forskellige typer af baner.

Undervisningsmateriale:


Rejsen ud i rummet - arbejdsark om undvigelseshastighed

Materialet knytter an til artiklen Rejsen ud i rummet i Aktuel Naturvidenskab, der igen bygger på foredraget med samme titel i serien Offentlige foredrag i Naturvidenskab. Arbejdsarket er udarbejdet af projektgruppen på Viborg Katedralskole.

Målgruppe: Fysik C/B-niveau (men kan med lidt justeringer tilpasses A-niveau)

Forudsætninger: Kendskab til kinetisk og potentiel energi nær Jorden.

Arbejdsarket kan bruges i forbindelse med et forløb omkring bevægelse eller astronomi.

Hent arbejdsarket om undvigelseshastighed (word-fil).

Solen samt Solar Orbiter missionen - to arbejdsark - Rejsen ud i rummet

Materialet knytter an til artiklen Rejsen ud i rummet i Aktuel Naturvidenskab, der igen bygger på foredraget med samme titel i serien Offentlige foredrag i Naturvidenskab. Arbejdsarket er udarbejdet af projektgruppen på Viborg Gymnasium.

Målgruppe: astronomi c, fysik c i et tema om rumfart eller astronomi.

Forudsætninger: Viden om solsystemets opbygning.

Varighed: 1-2 moduler

Lærervejledning: første arbejdsark ”Solen arbejdsark” er lavet for, at eleverne kan få en generel viden om Solen. Derefter kan de arbejde med Solar Orbiter missionen og dens bane ud fra arbejdsarket ”Solar orbiter arbejdsark”.  

Hent arbejdsarket om Solen (word-fil).
Hent arbejdsarket om Solar Orbiter missionen (word-fil).

Rejsen ud i rummet - arbejdsark om Hohmann-baner

Materialet knytter an til artiklen Rejsen ud i rummet.  Arbejdsarket er udarbejdet af projektgruppen på Viborg Katedralskole.

Niveau: Astronomi C, Fysik A, Fysik B og Fysik C

Materialet kan bruges i forbindelse med et forløb, der bygger på emnet for foredraget og/eller artiklen  Rejsen ud i rummet. Det kan også bruges i et forløb om ”Den nære astronomi”, for eksempel i forbindelse med Keplers love.

Hent arbejdsarket om Hohmann-baner (word-fil).

Quiz - Rejsen ud i rummet

Quizzen bygger på artiklen Rejsen ud i rummet, som igen bygger på foredraget af samme navn med professor Hans Kjeldsen i serien Offentlige foredrag i Naturvidenskab.

Spørgsmål og svar om rumfart

I forbindelse med Hans Kjeldsens foredrag den 6. oktober indløb der flere end 200 spørgsmål på sms fra tilhørere rundt i hele landet. Du kan læse alle spørgsmål og svar på OFN’s hjemmeside.

Her vil du måske også finde svar på spørgsmål, som læsning af artiklen kan give anledning til.