Je voelt je gewichtloos als de zwaartekracht vrij spel heeft. Foto NASA.
Als er geen zwaartekracht is, is onze dagelijkse ervaring onbruikbaar. Wat je neerzet blijft niet staan, wat je laat vallen gaat niet omlaag. Alles wat in de ruimte moet werken, moet eigenlijk bij gewichtloosheid worden getest, anders ben je niet zeker van je zaak. Dat geldt voor apparatuur, maar ook voor astronauten. Een manier om gewichtloosheid na te bootsen is: vrije val. De Franse ruimtevaartorganisatie heeft een vliegend laboratorium dat per vlucht zo'n dertig keer neerstort. Herbert Blankesteijn mocht mee en was alles bij elkaar ongeveer een kwartier gewichtloos. Deel 1 van zijn verslag: hoe kom ik van die zwaartekracht af?
Je voelt je gewichtloos als de zwaartekracht vrij spel heeft. Foto NASA.
Het lijkt bijzonder onlogisch: gewichtloos zijn als je valt. Als je valt, zou je zeggen, komt dat door je gewicht. En als je gewichtloos bent, val je niet. Maar het zit toch iets anders in elkaar. Daarvoor moeten we even terug naar het begin van de zeventiende eeuw. De legendarische Italiaanse geleerde Galileo Galilei ontdekte toen dat alle voorwerpen, groot of klein, zwaar of licht, even snel vallen. Tot dan toe dacht men dat zware dingen wel sneller zouden vallen. Maar, redeneerde Galilei, als ik nou een zware kogel en een veel kleinere met een dun touw aan elkaar vast maak, heb ik dan een nog zwaarder voorwerp, dat sneller valt dan de zware kogel alleen, of zal juist de kleine kogel de grote afremmen? En als ik ze aan elkaar vastlijm, of vastsmeed? Door logica te gebruiken, of door de proef op de som te nemen, kom je dan onvermijdelijk tot de conclusie dat alle dingen even snel vallen. (Galilei heeft overigens, in tegenstelling tot wat de legende beweert, nooit spullen van de Toren van Pisa gegooid om zijn gelijk te bewijzen.) Dat een veertje toch langzamer valt dan een kanonskogel heeft te maken met de luchtweerstand. In het luchtledige vallen ze even snel. De Apollo-astronauten hebben dat op de Maan nog even laten zien.
Galileo Galilei beredeneerde dat alle zware dingen even snel vallen als lichte.
Wat heeft dat met gewichtloosheid te maken? Denk eens aan een baksteen op een weegschaal. De baksteen drukt op de weegschaal en de weegschaal wijst een of ander gewicht aan. Maar stel nou eens dat ze samen vallen. Ze vallen precies even snel. Dat betekent dat de baksteen niet op de weegschaal kan drukken. Zou hij dat wel doen, dan zou de weegschaal een zetje krijgen, een voorsprongetje nemen en meteen zou de druk weer weg zijn. De weegschaal wijst dus nul gram aan. De baksteen is gewichtloos! Iedereen die mee zou vallen, zou de steen een heel klein stukje boven de weegschaal zien zweven, en zou dus ook echt constateren dat de steen gewichtloos is. Zo iemand zou zich zelf ook gewichtloos voelen: net als in een achtbaan of in een razendsnel dalende lift zou hij zijn maag in zijn keel voelen kruipen. Natuurlijk: alles wat valt is gewichtloos, dus onze vallende waarnemer ook.
De val moet wel volkomen vrij zijn. In een lift die naar beneden gaat, voelen we ons volkomen normaal, behalve dat ene moment dat hij op gang komt. In een dalend vliegtuig voelt ook niemand iets bijzonders. Maar zodra de kabels van de lift breken, of zodra het vliegtuig een bel ijle lucht binnenvliegt en opeens extra hard daalt, krijgt iedereen weer dat rare gevoel. Vrije val betekent een steeds toenemende snelheid. Een parachutespringer in 'vrije val' voelt zich de eerste paar seconden gewichtloos, maar dat houdt al snel op. Hoe sneller hij valt, hoe groter de luchtweerstand wordt. De val is dan niet 'vrij' meer. Uiteindelijk neemt zijn snelheid niet meer toe. De luchtweerstand werkt dan als de kabel van de lift. De parachutespringer voelt zich net zoals wij als we in een behoorlijk werkende lift zitten: volkomen normaal. Vrije val en het gevoel van gewichtloosheid horen bij een volkomen onbelemmerde werking van de zwaartekracht.
Gewichtloosheid: astronaute Judith Resniks haren staan wijd uit. Foto NASA.
Daarom zijn astronauten in een baan om de Aarde ook gewichtloos. Denk maar niet dat daar boven geen zwaartekracht is. Space Shuttles vliegen op een hoogte van ongeveer 400 km. De Aarde heeft een diameter van ongeveer 12.500 km. De Shuttle vliegt dus, naar kosmische maatstaven, pal boven het Aardoppervlak. Als je een platform zou bouwen tot die hoogte, dan zou je je daar geen spatje lichter voelen dan op de grond. Astronauten zijn gewichtloos omdat de zwaartekracht vrij spel heeft. Een Shuttle of een andere satelliet valt niet naar de Aarde toe omdat hij een geweldige horizontale snelheid heeft: een paar km per seconde. Het enige wat de zwaartekracht bereikt is, dat de satelliet in een gesloten baan blijft rondcirkelen: als de emmer aan het spreekwoordelijke touw. Maar de zwaartekracht is wel de enige kracht die in het spel is. Een ruimtevlucht rond de Aarde is n grote vrije val. En zoals alle dingen even snel vallen, zo worden ook alle voorwerpen, groot en klein, op dezelfde manier in een baan gehouden. Een astronaut vliegt, louter en alleen door de werking van de zwaartekracht, in precies dezelfde baan als het ruimteschip dat hem omhult. Dus zweeft hij in het schip, zoals de baksteen zweeft boven de weegschaal. Het lijkt nog steeds onlogisch, maar er valt niet aan te ontkomen: als de zwaartekracht de enig overgebleven kracht is, dan lijkt de zwaartekracht afwezig.
Onder en boven zijn relatief bij gewichtloosheid. Foto NASA.
Maar dat biedt mogelijkheden. Als we willen onderzoeken wat er voor bijzonders gebeurt bij gewichtloosheid, moeten we experimenten doen tijdens vrije val. Dat kan door ons experiment van een toren af te gooien, zoals Galilei dat niet deed op de toren van Pisa. Sinds kort staat er in Bremen een toren van 145 meter hoog, die speciaal voor dat doel is gebouwd. De val, en dus de gewichtloosheid, duurt een handvol seconden (zie M&W 8-90 p.540). In Japan bestaan plannen om een verlaten mijnschacht van 720 meter diep voor dit soort proeven te gaan gebruiken. De gewichtloosheid kan dan 10 seconden duren. Maar veel verder kom je niet met torens en kuilen, en bovendien kun je zo geen astronauten trainen. Wil je grote ladingen gewichtloos maken voor langere tijd, dan ben je aangewezen op paraboolvluchten.
Een Japanse val-kuil: een in de grond verzonken valtoren.
Bij een paraboolvlucht wordt een compleet vliegtuig in vrije val gebracht. Een parabool is de wiskundige naam voor de baan die een vallend voorwerp volgt. Denk aan een voetbal bij een uittrap van de keeper, of aan een prop papier die je in de prullenbak mikt. De Nederlandse Landmacht heeft een Fokker Friendship die voor paraboolvluchten geschikt is. Zelf heb ik een vlucht meegemaakt met de Caravelle, waarover de Franse ruimtevaartorganisatie sinds kort beschikt. Deze Caravelle haalt 25 seconden gewichtloosheid.
Schema van een paraboolvlucht. Afb. Cnes.
Waarom verschilt dat per vliegtuig? Eerst iets over het verloop van een paraboolvlucht. Het vliegtuig vliegt in principe horizontaal op een bepaalde hoogte, bijvoorbeeld 8 km. Op een zeker ogenblik trekt de piloot plotseling de neus van het toestel omhoog. De inzittenden worden daarbij met kracht tegen de vloer gedrukt. Ze hebben de indruk dat de zwaartekracht is verdubbeld. Deze fase is als het ware een aanloopje. Het is net als bij een schansspringer: als je wat opwaartse snelheid mee krijgt, duurt je vrije vlucht langer. Pas als het toestel snel en steil genoeg klimt, laat de piloot het gas los. Op dit moment begint de vrije val. Maar het vliegtuig heeft zoveel snelheid omhoog, dat het nog steeds hoogte wint. Het valt als het ware omhoog. Intussen dwarrelt alles en iedereen door het inwendige van de 'kist': daarbinnen ervaart men gewichtloosheid. Maar what goes up must come down en uiteindelijk bereikt het vliegtuig het hoogste punt van de parabool. Dan dondert het naar beneden. De gewichtloosheid binnen duurt voort. In minder dan geen tijd bereikt het toestel een snelheid van honderd meter per seconde. Om niet te pletter te slaan moet de piloot snel ingrijpen. De neus van het vliegtuig wijst nu omlaag en om die weer horizontaal te krijgen moet de piloot de inzittenden nogmaals flink mishandelen. Opnieuw krijgen ze een verdubbelde zwaartekracht te verduren. Twee G heet dat in vakjargon. Nul G is gewichtloosheid (als je streng bent in de leer noem je het microzwaartekracht, want helemaal nul is zelfs in de ruimte nauwelijks haalbaar) en n G is natuurlijk normale zwaartekracht. Als het goed is, is na de hele parabolische manoeuvre het vliegtuig weer op de aanvangshoogte beland. Omdat het jammer is en niet economisch om meteen weer naar huis te gaan, wordt dit op een vlucht enkele tientallen keren herhaald.
Maar de vraag was waarom het ene vliegtuig langere parabolen kan maken dan het andere. Dat heeft vooral met de sterkte van de motoren en van de constructie te maken. Hoe energieker de aanloop, hoe langer de parabool. De constructie moet de krachten tijdens die aanloop natuurlijk wel aan kunnen en ook de (zelfde) krachten bij het verlaten van de duikvlucht aan de 'andere kant' van de parabool. Vandaar dat de Caravelle zo'n geschikt toestel is. Het is ontworpen in een tijd dat computers nog niet elk overbodig onsje gewicht van een vliegtuigontwerp afschaafden. Het is daardoor wat sterker dan strikt noodzakelijk voor de burgerluchtvaart en sterk genoeg om er deze rare capriolen mee uit te voeren.
Specificaties van de Caravelle: een oud maar sterk toestel. Afb. Cnes.
Bijzonder geschikt zijn ook gevechtsvliegtuigen. Die zijn berekend op fantastische krachten en halen parabolen van wel 40 seconden. In Nederland zijn soms Starfighters gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Ze hebben wel het nadeel dat ze licht zijn en dus gevoelig voor turbulentie. Als luchtbewegingen het toestel door elkaar schudden is het mooie effect van de gewichtloosheid natuurlijk weg. De zwaartekracht heeft dan niet meer vrij spel. Een ander nadeel van gevechtsstraaljagers is de geringe ruimte aan boord. Er kan maar n passagier mee en die heeft nauwelijks ruimte voor apparatuur, of bewegingsvrijheid om proeven te doen. Het summum op het gebied van parabolen is de B- 52, het vliegende fort dat aan de oorlog in Vietnam een twijfelachtige reputatie heeft overgehouden. Het is zo verschrikkelijk sterk dat er parabolen van een volle minuut mee mogelijk zijn. Daarbij is het een geweldig log bakbeest dat zich niet van zijn stuk laat brengen door een beetje wind, zodat de echte gewichtloosheid (= ongestoorde werking van de zwaartekracht) er dichter mee wordt benaderd dan met welk ander toestel ook. Maar ja, een B-52 huren is voor de meeste onderzoekers te duur. Misschien zijn ze binnenkort in de aanbieding.
De Caravelle in levenden lijve. Foto HB.
Overigens is het vliegen van parabolen een baantje dat je niet aan elke piloot kan geven. Het bestaat niet alleen uit optrekken en gas loslaten. Tijdens de parabool is er de luchtweerstand, die net als bij de parachutespringer de vrije val dreigt te bederven. De oplossing is: een beetje gas geven. Bij hoge snelheid (aan het begin en aan het eind van de parabool) is er meer luchtweerstand dan bij lage snelheid (op de top) en bij hoge snelheid moet er dus met wat meer gas gecompenseerd worden. En dan zijn er de vleugels. Die zijn er om opwaartse kracht te leveren, zodat het vliegtuig in de lucht blijft. Als je bezig bent aan een vrije val is opwaartse kracht wel het laatste wat je kunt gebruiken. Met behulp van de kleppen moeten de vleugels dus als het ware tijdelijk onklaar worden gemaakt, zodat de val zo vrij mogelijk verloopt. Het besturen van een vliegtuig tijdens een parabool is zo moeilijk, dat (tenmiste bij de Franse Caravelle) twee begaafde en ervaren vliegers het werk verdelen. De een 'doet' het gas, de ander de vleugels. Halverwege de vlucht ruilen ze om niet gek te worden. Zo blijft de zwaartekracht aan boord tijdens een parabool tussen 3% en -3% (een lichte kracht omhoog). Het is dus niet zo vreemd dat het woord 'microzwaartekracht' door kenners juister wordt gevonden dan 'gewichtloosheid'.
Voor wie een halve minuut 'microzwaartekracht' te kort is, is misschien een lancering vanaf de Zweedse raketbasis Kiruna een oplossing. Daar worden kleine sondes gelanceerd op zo'n manier, dat ze na een minuut of zeven in de ruimte weer in de buurt van de basis neerkomen. Het is daarvoor noodzakelijk dat er sneeuw ligt en dat de meren in de buurt zijn dichtgevroren, maar dat is in dit noordelijke gebied meestal wel het geval. Maar mensen kunnen niet mee. En de grootste maat in ons assortiment is - onvermijdelijk - de Space Shuttle. Een behoorlijke ruimte, dagenlange gewichtloosheid van goede kwaliteit, voor een prijs die de meeste mensen de moed in de schoenen doet zinken. Bovendien ging het ons er nou juist om, hoe we met gewichtloosheid kunnen spelen zonder daarvoor meteen de ruimte in te moeten. Vandaag niet nodig, dank u.
Naschrift 1997: inmiddels is in Bremen een valtoren in bedrijf van 110 meter hoogte. Daar is een vrije val mogelijk van bijna 5 seconden, en bijna 10 als het 'vallende' object vanaf de begane grond omhoog wordt geschoten en dan terugvalt. (Intermediair 15-11-'96)
De artikelen die hier verkrijgbaar zijn mogen worden gedownload, gelezen en zelfs gekopieerd, maar alleen voor eigen gebruik. Vermenigvuldigen met winstoogmerk is niet toegestaan. Alles is copyright Herbert Blankesteijn, tenzij anders vermeld.