Zonnerace profiteert van ruimtevaarttechnologie

De World Solar Challenge 2001 zal een lastige race worden. De route van Darwin naar Adelaide betekent een afstand van 3010 km, en dat dwars door de Australische woestijn en in het heetste seizoen. De deelnemers van de veertig raceauto’s moeten kunenn afzien en volledig vertrouwen op de constructie van de auto en hun rijtechniek. Juist daarom wordt de Nederlandse ‘Nuna’ door velen al als winnaar getipt. Het is namelijk geen gewone op zonne-energie aangedreven raceauto.

Op de wagen zitten een paar zonnecellen die écht in de ruimte zijn geweest. Ooit maakten zij deel uit van de Hubble-ruimtetelescoop. Alle overige zonnecellen zijn zelfs zo nieuw, dat ze nog door ESA in de ruimte moeten worden gebruikt. Het Alpha Centauri Team dat de Nuna bouwde, wordt ook bijgestaan door de Nederlandse astronaut en TU Delft-hoogleraar Wubbo Ockels.

“Mocht Nuna de race winnen, dan is dat mede te danken aan alle toegepaste ruimtevaarttechnologie," vertelt Ramon Martinez, student werktuigbouwkunde aan de TU Delft en leider van het uit vijf andere TU Delft-studenten en twee UvA-studenten bestaande Alpha Centauri Team. "Er heeft nog nooit iemand met zulke efficiënte zonnecellen aan de race meegedaan. Voor de energievoorziening gebruiken we dual junction en triple junction gallium-arsenide zonnecellen. Die zijn uit twee, respectievelijk drie lagen opgebouwd. Daarbij wordt zonlicht dat door de bovenste laag is heengegaan en anders niet meer zou worden benut, toch nog opgevangen en nuttig gebruikt door de tweede en eventueel zelfs nog een derde laag.“

De zonnecellen zijn nog zo nieuw, dat de Europese ruimtevaartorganisatie ESA ze nog niet eens in de ruimte heeft gebruikt. Ze krijgen pas eind volgend jaar hun ruimtedoop bij de lancering van de maansatelliet SMART-1. Met SMART-1 zal onder andere een door zonne-energie gevoede ionenmotor worden getest.

“De Nuna is voorzien van 36 afzonderlijke zonnepanelen,” zegt Martinez. “Hun energieopbrengst wordt door 11 Maximum Power Point Trackers geoptimaliseerd.” Maximum Power Point Trackers (MPPT) worden al jaren in satellieten toegepast. Ze dienen een zo hoog mogelijk rendement uit zonnepanelen te halen als die beschaduwd worden doordat bijvoorbeeld de stand van de satelliet ten opzichte van de zon verandert. Ook de ESA-missie Rosetta, die in januari 2003 op weg gaat naar de komeet Wirtanen en daarbij een omweg maakt langs Mars, wordt met MPPT’s uitgerust.

“Nuna zal ook te maken krijgen met schaduw waardoor zonnecellen minder effectief worden,”vervolgt Martinez. “Maar dankzij het gebruik van MPPT’s blijft de totale energie uit de zonnecellen hoog en zoveel mogelijk constant. Een chip zoekt uit welk voltage een zonnepaneel oplevert, vergelijkt dat met het vaste voltage van de accu en rekent vervolgens uit wat het beste voltage is waarmee de batterij van stroom kan worden voorzien. Zo kan een rendement worden gehaald van maar liefst 97%. Een goede accu is trouwens onontbeerlijk om ook bij slecht weer nog grootse prestaties te leveren. Als onze accu vol is, kan afhankelijk van de snelheid nog zo’n 250 tot 500 km worden afgelegd.”

De batterijen voor de accu komen ook weer uit de ruimtevaarttechnologie. Het zijn 48 grote Li-ion cellen, die in serie zijn geschakeld en de zonneraceauto van 5 kWh aan energie voorzien. Ze zijn speciaal ontwikkeld voor gebruik in satellieten, dus waar het aankomt op maximale betrouwbaarheid.

“Ik maak wel eens grapjes dat de hele auto zou kunnen worden gelanceerd,” lacht Koen Boorsma, lucht- en ruimtevaartstudent aan de TU Delft, die verantwoordelijk was voor de bouw van het aluminium frame dat de bestuurder huisvest én de omhullende body van de Nuna. “De hele wagen moest zo licht en stevig mogelijk worden. De body bestaat daarom uit koolstofvezel die aan de buitenkant met Kevlar is versterkt. Door die Kevlarlaag is de Nuna tijdens de race perfect beschermd tegen steenslag.”

Het oersterke Kevlar wordt niet alleen in kogelvrije vesten, maar ook in ruimtepakken gebruikt. Om de bemanning te beschermen tegen eventuele micrometeorietinslagen zijn ook sommige wanden van het in aanbouw zijnde International Space Station (ISS) ermee versterkt.

Heel even dacht het Alpha Centauri Team nog aan het gebruik van echte ruimtepakken. Het kan behoorlijk heet worden in de Australische woestijn. Luchtkoeling zou slecht zijn voor de aërodynamica van de raceauto. Omdat de temperatuur in de cockpit kan oplopen tot 70o C zou een astronautenpak goed van pas komen. Maar zo’n pak zou in de nauwe cockpit de bewegingsvrijheid beperken. Daardoor krijgt de piloot nu een koelvest dat met ijsblokjes wordt gevuld.

“Of we gaan winnen? Met deze wagen maken we een hele goed kans,” concludeert Martinez. “In theorie zouden we er een snelheid van 190 km/h mee kunnen halen. In de praktijk zal dat zo’n 160 km/h worden. Wat overigens een record zou zijn voor zonneraceauto’s. Die snelheid halen we trouwens alleen op een van tevoren af te leggen testparcours. Tijdens de race over de openbare weg gelden de normale, Australische maximumsnelheden. Achter de Nuna rijdt een volgauto met daarin captain of communications Wubbo Ockels en de rest van ons team. Door de volgauto worden gegevens verzameld over de temperatuur en stroom in de verschillende zonnepanelen. Mede aan de hand daarvan bepaalt de piloot de strategie. Rijd je snel onder een wolk vandaan? Of spaar je juist dan je energie? Het kiezen van de juiste racestrategie moet ons winst opleveren ten opzichte van de andere teams.”

Voor de GPS-navigatie van de Nuna en het contact met de volgauto zijn aan weerszijden van de cockpit twee strips zonnecellen met afmetingen van 32,5 x 9,1 cm bevestigd. Misschien geven die de zonneraceauto nog wel het meeste ‘buitenaardse’ aspect. De zonnecellen in die strips zijn namelijk écht in de ruimte zijn geweest. Ze maakten onderdeel uit van de zonnepanelen van de beroemde Hubble-ruimtetelescoop. De cellen werden in 1993 na een onderhoudsbeurt van de ruimtetelescoop door ESA-astronaut Claude Nicollier naar de aarde teruggebracht. Ze werden onderzocht op eventuele inslagen van micrometeorieten. De destijds door de Hubble gebruikte zonnecellen functioneren nog steeds zó perfect, dat ze nu voor de tweede keer dienst gaan doen. De Nuna is daardoor uitgegroeid tot een heuse ‘ruimte-zonneraceauto’.

Voor meer informatie over de ESA-bijdrage aan Nuna kunt u terecht bij de afdeling Voorlichting van ESA’s vestiging ESTEC in Noordwijk, tel. 071-5653006, fax: 071-5655728.