Hoe ESTEC de zon naar Nederland haalt
De Japanse Mercury Magnetospheric Orbiter gaat de planeet Mercurius bezoeken. Daar krijgt de satelliet te maken met tien keer meer energie van de zon dan in een baan rond de aarde. Om deze extreme krachten te simuleren is de satelliet getest in de Large Space Simulator van ESTEC in Noordwijk, Europa’s unieke vacuümruimte.
Het Thermische Test Model van de Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) is in september 2010 aangekomen bij ESTEC, het technisch hart van ESA. De satelliet is ontworpen om mee te liften op ESA’s BepiColombo satelliet. MMO draait vijftien keer per minuut om zijn as. Hij heeft een glanzende bekleding die hem beschermt tegen de hitte. Rond mercurius kan de temperatuur oplopen tot 450 graden Celsius.
De meeste satellieten die thermische vacuümtests ondergaan in de Large Space Simulator (LSS) zijn ontworpen om in een baan rond de aarde te vliegen. Alexandre Popovitch: “De standaard test voldoet niet voor MMO, omdat BepiColombo veel dichterbij de zon komt. De simulatie van de zonnekracht moest worden opgevoerd met een factor tien. Twee problemen dienden zich aan: hoe konden we deze intensiteit bereiken en vasthouden? En: hoe konden we de extreme hitte veilig opvangen en afvoeren?”
Spiegels en brandpunten bieden de oplossing
Een logische oplossing leek het vervangen van de negentien hoogrendement 25-kW lampen voor nog krachtiger exemplaren. Helaas bleken deze lampen niet aan de strenge kwaliteitseisen van ESA te voldoen. De wetenschappers zochten de oplossing vervolgens in de grote spiegel die het gesimuleerde zonlicht weerkaatst in de LSS. Deze spiegel met een diameter van zeven meter is opgebouwd uit 121 zeshoeken. Hij weerkaatst een lichtbundel van zes meter doorsnee. Het testteam rekende uit dat ze de benodigde intensiteit kon bereiken met een hollere spiegel. De lichtbundel werd geconcentreerd tot een diameter van 2,7 meter.
“We moesten alle spiegelonderdelen stuk voor stuk verplaatsen”, vertelt Popovitch. “Om maximale precisie te bereiken hebben we lasers gebruikt om de spiegels te oriënteren. Het instellen van de spiegels duurde enkele weken.” Door de spiegels te bewegen werd het licht, dat eerst parallel werd weerkaatst, nu gebundeld. Door deze aanpassing ontvingen de muren van de LSS nog meer hitte.
De hitte terugdraaien
“Om de hoge hitte te verwerken hebben we een extra mantel geïnstalleerd waar zes keer meer vloeibare stikstof doorheen stroomt dan normaal”, legt Popovitch uit. “Om de kamermuren op 190 graden Celsius te houden is vijfduizend liter vloeibare stikstof per uur nodig. Onze honderdduizend liter opslagcapaciteit is tijdens de twee weken durende test voortdurend bijgevuld door vrachtwagens.
Verbeterde test materiaal
Hoe nu de temperatuur te meten van de MMO? Gaetan Piret, hoofd van testcentrum ESTEC legt uit dat ook dit een uitdaging was: “Het installeren van een sensor op de satelliet zou heel moeilijk zijn en zou de testwaarden beïnvloeden.” Infrarode camera’s boden de oplossing. Ze maten de temperatuur van een afstand. De camera’s werden gemonteerd in een vacuümverpakking om ze te beschermen tegen de intense hitte.
De MMO werd getest in twee opstellingen. In de eerste opstelling werd de satelliet draaiende gehouden, net als tijdens zijn vlucht. Voor de tweede serie tests bewoog de satelliet niet. Dit simuleerde de reis van MMO naar Mercurius aan boord van BepiColombo. De andere BepiColombo modules worden later dit jaar bij ESTEC getest.
