Wetenschap Ruimteballon

Deze wetenschapper wil een telescoop aan een ballon de ruimte in sturen – met hulp van Nederlandse ingenieurs

Telescoopmaker Chris Walker wil met ronduit bizarre bouwsels het heelal in kaart brengen. Nederlandse ingenieurs dromen  en bouwen – mee. Over telescopen die bungelen aan ballonnen en opblaasbare gevaartes die ultrascherpe kosmische kiekjes schieten.

Een schets van de telescoop Gusto die, hangend aan een luchtballon, waarnemingen doet in de verre ruimte. Gusto moet in 2021 worden gelanceerd en dan tussen de 100 en 170 dagen in de lucht blijven. Beeld NASA/Johns Hopkins APL

Hang een telescoop aan een ballon en trek hem een fiks stuk richting de ruimte. Het klinkt als een geschrapt plotelement uit een nieuwe Pixar-animatiefilm, maar is een serieus technisch hoogstandje. ‘Vergis je niet’, zegt Chris Walker  van de universiteit van Arizona, bedenker van het plan. ‘Een ballonmissie is sneller, goedkoper en betrouwbaarder dan een telescoop met een raket naar de ruimte schieten.’ Zo heb je als het misgaat geen miljardenstrop: de telescoop kan gewoon aan een parachute terug naar aarde.

Gusto, zo heet Walkers ballontelescoop, heeft inmiddels groen licht gekregen van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa en begint, als alles goed gaat, in 2021 vanaf Antarctica aan een tocht van een dag of 150 boven de aarde. Denk daarbij niet aan een telescoop die onhandig in de wind bungelt en uitsluitend bewogen beelden van de kosmos schiet. ‘Ballonnen zijn stabieler dan je denkt’, zegt Walker. ‘Ze bewegen mee met de wind.’ Bovendien is het op de enorme hoogte - 30 à 40 kilometer - waar de telescoop straks door de atmosfeer drijft heel rustig. ‘Dat is de grens naar de ruimte’, zegt Walker. ‘Daar gebeurt niet zoveel.’

Gekke vervolgplannen

Het wordt de allereerste keer dat iemand een telescoop langdurig aan een ballon hangt en waarnemingen doet. Toch is Gusto slechts het minst ambitieuze idee uit Walkers koker. ‘Als je denkt dat Gusto gek is, heb je mijn vervolgplannen nog niet gehoord’, zegt hij. Zo droomt hij onder meer van een opblaasbare megatelescoop, een gevaarte dat zichzelf in de ruimte oppompt tot een kilometer doorsnee. Een telescoop waarmee je het oppervlak van planeten die draaien om verre sterren kunt bekijken in ongekend detail.

‘Chris is een echte dromer’, zegt Jian Rong Gao, onder meer verbonden aan de TU Delft, die veel met Walker samenwerkt. ‘Hij heeft ideeën die eerst idioot klinken, maar uiteindelijk altijd uitkomen.’

Zo ging het ook met Gusto. De ballonmissie is een logisch vervolg op Walkers eerdere werk aan telescopen op hoge bergtoppen in de Amerikaanse staat Arizona en op Hawaï. ‘Je moet altijd de hoogte opzoeken omdat je daar minder last hebt van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer’, zegt hij. Waterdamp zendt namelijk trillingen uit in het verre infrarood, op precies dezelfde frequentie als waarnaar de telescoop ‘kijkt’. Signalen uit de diepe ruimte verstommen tussen die kakofonie van waterdamp, als gesprekken tijdens een stevig rockconcert.

Om die reden verplaatste Walker zijn activiteiten eerder al naar Antarctica – ‘daar is het meeste water bevroren’ – totdat zijn telescopen na een aantal upgrades zó gevoelig werden dat ze zelfs last kregen van de minieme restjes waterdamp die boven het koudste continent hangen. ‘Toen hadden we nog maar één optie over’, zegt Walker: de telescoop boven de verstikkende damplaag uittillen. ‘We moesten de lucht in.’

Voegmiddel tussen de sterren

Daar richt Gusto zijn detectoren straks nog verder omhoog, in de hoop zoveel mogelijk gas te betrappen. Denk daarbij niet aan wat je op de camping uit een vaatje tapt om te barbecueën, maar aan kosmisch gas. Dat wil zeggen: los zwevende moleculen, atomen en stofdeeltjes die dienst doen als voegmiddel tussen sterren. En, belangrijker nog, als levensader. Want uit dat gas ontstaan sterren, planeten en zelfs mensen.

Dat gaat grofweg als volgt. Wanneer in een gebied met veel gas de zwaartekracht zijn werk doet, ontstaan gebiedjes waarin net iets meer gas zit dan elders. Laat de boel vervolgens enkele miljoenen jaren trekken, totdat de gasbol zo dicht samengeperst is dat in zijn binnenste kernfusie op gang komt, en de hele bups ontbrandt tot ster. Precies zo ging het vijf miljard jaar geleden met de zon.

Reden genoeg dus voor astronomen om het trage gezwier van dat gas in kaart te willen brengen. Alleen op die manier kunnen we meer leren over hoe stervormingsgebieden ontstaan en ophouden met bestaan. Daarbij gaat de bijzondere aandacht uit naar drie moleculen: zuurstof, koolstof en stikstof. ‘Biomoleculen’, zegt Walker. ‘De basisingrediënten voor het leven.’

Het ballonschip dat STO2 draagt, de voorloper van telescoop Gusto, hier vlak voor de lancering vanaf Antarctica op 9 december 2016. Beeld University of Arizona

Om die biomoleculen te vinden, ontwikkelde Walkers collega Jian Rong Gao samen met medewerkers van de TU Delft en het Nederlandse ruimte-onderzoeksinstituut SRON drie kleine camera’s, één voor elk atoomtype.

‘Vijftien jaar geleden droomden Chris en ik samen al van telescopen op de Zuidpool’, zegt Gao. Sinds die tijd is hun samenwerking goed gebleven, al was dat niet altijd eenvoudig. Bij Gusto, bijvoorbeeld, is de Amerikaanse overheidsinstantie Nasa de opdrachtgever. ‘Het is echt uitzonderlijk dat Nasa in Nederland technologie bestelt’, zegt Gao. ‘Door onze samenwerking stroomt 1,5 miljoen dollar uit de zak van Amerikaanse belastingbetalers zomaar naar Nederland’ – een unicum in tijden van America First, lijkt hij te willen zeggen.

Proefballon

Het wederzijdse vertrouwen kreeg een boost tijdens een voorloper van de Gusto-missie: de (letterlijke) proefballon STO2, die in 2016 23 dagen met zijn telescoop in de lucht bleef. Gao kreeg de opdracht een deel van de detectoren te ontwikkelen. Die taak werd plotseling groter toen Walker aan de lijn hing. ‘Hij vertelde dat de Amerikanen hun deel niet op tijd klaar kregen’, herinnert Gao zich. ‘Kun je niet alle waarneeminstrumenten bouwen, vroeg hij toen. Het moest over een maand al klaar zijn, maar het lukte. Binnen budget, op tijd.’

Jian Rong Gao is samen met Chris Walker op Antarctica aanwezig bij de lancering van proefmissie STO2. Beeld Jian Rong Gao

Gedurende de periode dat STO2 boven Antarctica zweefde, richtten de instrumenten van Gao zich op de zuidelijke hemel. ‘Ze tuurden diep in het binnenste van een bijzonder op de proef gesteld gebied van de Melkweg’, zegt Walker. Een plek waar twee massieve sterren met ijzeren vuist regeren, de zwaarste met een massa 150 maal groter dan onze zon. Die ster zal over niet al te lang sterven in het soort gewelddadige kosmische explosie dat elke zware ster uiteindelijk de kop kost. ‘De eerste zichtbare schokgolven kwamen er nu al vanaf’, zegt Walker.

Hangend aan zijn ballon kreeg STO2 beide sterren scherp in beeld – een succes dus. Maar bij Gusto ligt de lat meteen een stuk hoger. Die missie moet niet 23, maar ‘tussen de 100 en 170 dagen’ in de lucht blijven. Daarvoor gebruikt men een ander soort ballon, maar zelfs daarmee is het record tot dusver een missie van 55 dagen.

Peuleschil

Ook telescoopexpert Ramon Navarro, verbonden aan het Nederlandse radioastronomie-instituut Astron en zelf niet betrokken bij Gusto, noemt het bijzonder ‘dat Gusto zo lang in de lucht blijft’. Spannend, merkt ook Walker, die elke twee weken overlegt met vertegenwoordigers van Nasa. ‘Ook voor hen is dit belangrijk’, zegt Walker. Half januari beslist de ruimtevaartorganisatie definitief of de boel doorgaat. ‘Zo’n go/no-go zit in elk project’, zegt Walker. De 40 miljoen dollar op Gusto’s begroting is veel geld, maar een peuleschil in vergelijking met de bijna 9 miljard die Nasa’s steeds opnieuw uitgestelde ruimtetelescoop James Webb inmiddels kost. ‘Ik maak me geen zorgen’, zegt Walker.

Ondertussen droomt hij alvast over missies ná Gusto. Hij vindt de 6,5 meter diameter van ruimtetelescoop James Webb niet heel indrukwekkend en denkt relatief snel een alternatief te kunnen lanceren – met een raket – dat een diameter heeft van 35 meter. En onder telescoopbouwers is groter altijd beter: een grotere telescoop vangt meer signaal en kan daardoor scherpere beelden maken.

Dat het zoveel groter kan, komt omdat de telescoop die Walker voorstelt klein is tijdens de lancering en zichzelf in de ruimte pas oppompt, als een ballon. In het binnenste van een doorzichtige buitenkant zit dan een (eveneens opblaasbare) bolvormige spiegel die het invallende licht verzamelt en naar een detector stuurt.

‘Als je denkt dat dat onmogelijk klinkt’, zegt Walker, ‘dan verwijs ik je graag naar Nasa’s Echo-missies uit de jaren zestig.’ Destijds stuurde de ruimtevaartorganisatie ook al grote opblaasbare bollen de ruimte in die, niet toevallig, ook een diameter van een meter of 40 hadden. ‘De technologie om dit te doen bestaat dus al zestig jaar.’

Een klein toefje lucht

Walker benadrukt dat je niet bang hoeft te zijn dat een rondvliegend minikomeetje of stukje ruimteafval de opblaasbare telescoop straks lek prikt. ‘Je hebt in de ruimte maar een klein toefje lucht nodig om een ballon opgeblazen te houden’, zegt hij. Bovendien: als een gaatje ontstaat, klapt de ballon niet, zoals op aarde, maar loopt hij juist heel langzaam leeg. ‘We hebben berekend dat je voor een missie van vijf jaar maar 75 kilogram extra gas mee hoeft te nemen om wat je door een klein gaatje verliest te compenseren’, zegt Walker. ‘Voor een raketmissie is dat bijna niets.’

Ramon Navarro droomt zelf ook van opblaasbare telescopen. ‘Maar dat is nu nog vooral praat voor bij de koffieautomaat’, zegt hij, ‘we hebben nog geen concreet plan.’ Volgens hem is het ‘niet bepaald evident’ hoe je zo’n missie moet doen. ‘De technologie staat nog in de kinderschoenen. Maar als je naar grotere telescopen in de ruimte wil, moet je ze daar óf bouwen óf oppompen.’

De eerste stap

Volgens Walker moeten mensen vooral nog ‘wennen’ aan zo’n opblaastelescoop. Hoe groot de kans is dat hij straks groen licht krijgt van Nasa durft hij nog niet te zeggen, maar als de organisatie toestemming geeft, dan kan hij het geheel naar eigen zeggen in 2030 in een baan om de aarde brengen. In dat geval is ook Gao er naar verwachting weer bij.

Als het aan Walker ligt, is zijn dertigmetertelescoop pas de eerste stap. ‘We fantaseren nu over een telescoop met een kilometer doorsnee’, zegt hij. De ballon krijgt dan een dunner buitenlaagje dan de dertigmetervariant, maar het basisprincipe blijft hetzelfde. ‘Als dat lukt, is het echt ongekend’, zegt Walker. Met zo’n telescoop kun je directe afbeeldingen maken van exoplaneten, planeten die draaien om andere sterren dan de zon.

Natuurlijk: het zal nog wel even duren voordat die kilometertelescoop er is. ‘Maar het lukt zeker voordat iemand een ruimtesonde naar zo’n planeet kan sturen.’ En dat terwijl de beelden minstens even spectaculair zijn. ‘We kunnen op die planeten dan landmassa’s bekijken, wolken zien langstrekken en oceanen zien klotsen’, zegt Walker. ‘Echt sciencefiction-achtig spul.’

Ontploffende ster

Gusto is niet de eerste keer dat een ballonmissie vanaf Antarctica de ruimte in kaart brengt. Toen in 1987 plotseling een verre ster explodeerde, bleek de satelliet die zulk soort ontploffingen kon meten nog niet klaar. Daarop besloot men de waarneemapparatuur dan maar met een ballon omhoog te sturen. ‘Dat was een groot succes’, zegt Ramon Navarro. ‘De belangrijke wetenschappelijke vragen werden beantwoord.’ De ballon bleef uiteindelijk drie dagen in de lucht.

Hou het rond!

Wie een telescoop in de ruimte wil opblazen als een soort kosmische strandbal, moet wel zorgen dat de boel goed rond blijft. ‘Een strandbal is minder perfect rond dan een biljartbal’, zegt Navarro. Bij de opblaasbare ballonnen die Nasa in de jaren zestig de ruimte in stuurde was dat ook al moeilijk. Die echo-ballonnen kaatsen zogeheten microgolfstraling terug naar de aarde. Bij een telescoop voor infrarood of zichtbaar licht, met een veel kleinere golflengte, moeten eventuele afwijkingen ook kleiner zijn. ‘Je moet in vergelijking met die Echo-missies al snel duizend keer nauwkeuriger worden’, zegt Navarro. ‘En dat is ook duizend keer moeilijker.’

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden