Mennesket i rommet : romfart valgfag [PDF]

Zitiervorschau

Forord Dette heftet er beregnet som en del av «Romfart valgfag», men kan også brukes som tilvalgsstoff i fysikk, 2 Fy eller 3 Fy. Det inneholder emner fra romfartens historie, der mennesket er med ut i rommet. Det inneholder også stoff fra dagens bemannede romfartøyer og romstasjoner. Tilvalgsstoffet i 2 Fy eller 3 Fy skal utgjøre 4 uker eller 20 timers undervisning. Heftet inneholder tilstrekkelig stoff til dette. Utvalgte kapitler kan brukes hvis gruppen i tillegg velger noe eksperimentelt tilvalgsstoff. Istedenfor å samle alle emner som bør inngå i et «Romfart valgfag» i én bok, vil det i første omgang bli delt opp i flere temahefter. I tillegg til «Mennesket i rommet», er det også utgitt to andre hefter om romfart. Det er «Bevegelse i rommet» og «Raketter». Et hefte om «Jordobservasjon» er under arbeid. Dessuten er det planlagt et eget hefte om bruk av romsonder til utforskningen av solsystemet. Det er meningen at temaheftene skal kunne brukes hver for seg som tilvalgsstoff i fysikk, eller flere temahefter kan danne grunnlaget for et «Romfart valgfag». Noe av stoffet i «Mennesket i rommet» inneholder en mer formell beskrivelse av fysiske og kjemiske sammenhenger. Det gjelder en detaljert elektrokjemisk beskrivelse av brenselscellen i romfergen og en matematisk beskrivelse av mikrogravitasjon og gravitasjonsforstyrrelser i romlaboratorier. Detaljene i de matematiske utledningene kan man godt hoppe over, uten at det går noe særlig ut over sammenhengen. For å belyse teorien er det til hvert kapittel både enkle kontrollspørsmål og forslag til diskusjonsoppgaver. Til kapitlet om mikrogravitasjon er det også noen regneoppgaver. Noen er lette, andre er mer krevende. De fleste bør løses. De oppgavene som passer for 3 MN- og 3 Fy-elever er merket med stjerne *. Vi har både som gjennomgangstittel på heftene og som navn på valgfaget brukt uttrykket «romfart» i betydningen all form for romvirksomhet, både om bemannede og ubemannede romfartøyer. Dette er i samsvar med dagligspråkets bruk av ordet. Men etter anbefalinger fra Rådet for teknisk terminologi, bør «romfart» forbeholdes den delen av romvirksomheten som er knyttet til menneskets opphold i rommet. Men «Romvirksomhet» blir for langt og tungvint som tittel på heftene og som navn på valgfaget. Vi har derfor valgt å bruke uttrykkene «romfart» og «romvirksomhet» om hverandre. Enkelte steder har vi brukt kortformen «bemannet romferd» i betydningen «ferd med bemannet romfartøy». Vi har dessuten fulgt anbefalinger fra Rådet for teknisk terminologi om at Sola, Jorda og Månen skal ha store forbokstaver når de blir brukt som egennavn. Arbeidet med et «Romfart valgfag» og tilvalgsstoffet i fysikk er kommet i stand i samarbeid med professor Bjørn Landmark, cand. real. Guro Dahle Strøm og informasjons­ sjef Per Torbo ved Norsk Romsenter og lektor Else Alvik ved Ås videregående skole. Sivilingeniør Erik Tandberg har gått både grundig og kritisk gjennom manuskriptet, og kommet med mange verdifulle råd. Vi takker for hans kommentarer. Vi er takknemlige for tilbakemelding fra dem som er villige til å prøve ut «Mennesket i rommet» som del av et valgfag eller som tilvalgsstoff i fysikk.

Tjøme, august 1993 Nils H. Fløttre

Innhold Forord.......................................................3

Innledning................................................ 7 Inndeling av romvirksomheten......... 9 Romforskning ....................................9 Nyttesatellitter....................................9 Bemannede romfartøyer.................... 9 Militære satellitter.............................9 Hensikten med romvirksomheten .... 9 Menneskets nysgjerrighet.................. 9 Bedre teknologi................................ 10 Praktiske anvendelser.................... 10 Kunnskap om naturen .................... 11 Matproduksjonen på Jorda............ 11 Mennesker i rommet...................... 13 Observasjon av verdensrommet...... 13 Nytteverdien................................... 13 Fra Gagarin til Apollo........................... 14 Vostok................................................ 14 Voskhod ..............................................15 Mercury.............................................. 15 Gemini................................................ 16 Apollo................................................. 17 Apollofartøyet................................ 18 Tur-retur Månen.............................19 Den første månelandingen ............. 20 Med månelandingsfartøyet som livbåt..............................20 Tolv mennesker på Månen............. 21 Tabell over Apolloferdene.............. 21 Apollo-Sojus........................................23

Romstasjoner.........................................24 Hva er en romstasjon ?....................... 24 Saljut................................................... 24 Skylab.................................................. 25 Mir....................................................... 26 Freedom............................................... 26 Romfergen .............................................. 27 Hva er en romferge ?.......................... 27 Faststoffmotorene................................ 29 Den utvendige tanken......................... 30 Selve romfergen.................................. 31 Hovedmotorene............................... 31 OMS................................................ 31

RCS ................................................. 32 Lasterommet....................................32 Varmeisolasjonen.............................32 Landingen....................................... 32 Romfergens elektriske energiforsyning ..33 Challengerulykken.................................. 36

Hverdagen i rommet............................. 37 Kabinatmosfæren.................................37 Mat...................................................... 38 Personlig hygiene................................ 40 Søvn................................................. 41 Spacelab................................................. 41

Stråling i rommet.................................. 44 Stråling fra Sola.................................. 44 Solflekker........................................ 44 Solvind............................................ 45 Solvinden kan bremse satellitter.... 46 Flares............................................... 46 Ulysses................................................. 46 Van Allens strålingsbelter...................47 Kosmisk stråling................................. 48 Strålefaren for astronautene................48 Kosmisk stråling fra verdens­ rommet .....................................48 Kosmisk stråling fra Sola................ 48 Strålevarsling.................................. 49 Stråledose........................................ 49 Virkning av ioniserende stråling ....50

Mikrogravitasjon.................................. 51 Gravitasjonsloven ............................... 51 Tyngdeakselerasjon .............................52 Sentripetalakselerasjon........................52 Vektløshet........................................... 53 Tyngdekraft og gravitasjonskraft....... 54 Luftmotstand for satellitter...................... 55 Gravitasjonsforstyrrelser..........................56 Luftmotstand....................................... 57 Forskjell i tyngdeakselerasjonen ......... 57 Forskjell i sentripetalakselerasjonen ...58 Romfergens egen masse.......................58 Avvik fra sirkelbanen ......................... 58 Andre akselerasjoner...........................58 Hvordan kan vi skape vektløshet ?.......... 59

5

Falltårn................................................ 59 Fly........................................................ 59 Raketter............................................... 59 Satellitter............................................. 60 Virkninger av mikrogravitasjon.......... 60 Mikrogravitasjonsprogrammer............ 60 Sovietisk mikrogravitasjonsforsøk.................... 61 Menneskets helse og vektløshet.......... 62 Romsyke.......................................... 62 Muskelsvinn.................................... 63 Tap av kalsium i skjelettet............... 63 Kunstig tyngde.................................65 Botanisk romforskning........................ 65 Væskefysikk i rommet......................... 66 Væsketrykk og vektløshet................ 66 Oppdrift........................................... 66 Konveksjon ..................................... 67

6

Diffusjon.......................................... 67 Overflatehinne.................................67 Kapillarkrefter................................ 68 Gassbobler i en væske...................... 68 Oppløsning av faste stoffer i en væske............................... 69 Materialforskning i rommet.................... 69 Krystalldyrking............................69 Legeringer....................................70

Fremtiden i rommet...............................71 Freedom............................................... 71 Columbus .............................................72 Hermes .................................................72 Tilbake til Månen ............................... 73 Reisen til Mars.....................................74 Sammendrag.......................................... 75

Oppgaver................................................ 76

Innledning Drømmen om åkunne fly som fuglen og kanskje ogsåfåreise i himmelrommet har eksistert så lenge det har vært mennesker på Jorda. Den har også skapt flere fantasiromaner om reiser i rommet lenge før vi hadde utviklet noen teknologi for flygning. Jules Verne (1828-1905) var en fransk forfatter som skrev flere fantasifulle reisebeskrivelser, blant annet om «Reisen til Månen» fra 1865.1 denne romanen ble de reisende skutt ut i en metallkapsel fra en gigantisk kanon og havnet i bane rundt Månen før de returnerte til Jorda. Til tross for at denne og liknende science fiction-romaner inneholdt mange vitenskapelige feil, ble det populær lesning. At Jules Vernes fantasier faktisk ble til en tilnærmet virkelighet ca hundre år senere, var det nok få som den gang våget å tro.

Illustrasjon fra boken «Reisen til Månen». Utskytingen av romkapselen til Månen.

7

Den sovjetiske satellitten Sputnik 1 var den første kunstige satellitten i bane rundtJorda. Den ble skutt opp 4.oktober 1957. Derettergikk det nærmest slag i slag. Allerede en måned senere, i november 1957, ble hunden Laika skutt opp i Sputnik 2. Den døde eller ble avlivet etter ca sju dager i rommet. Den første amerikanske satellitten ble skutt opp 31. januar 1958. Noen måneder senere, i mai 1958, ble Sputnik 3 skutt opp. Vel ti år senere, 20. juli 1969, landet de første menneskene på Månen. Det var amerikanerne Neil Armstrong og Edwin Aldrin. I mellomtiden hadde både sovjetiske og ameri­ kanske romkapsler kretset rundt både Jorda og Månen og dessuten kartlagt baksiden av Månen. Romsonder er sendt til våre naboplaneter i solsystemet. Vi har fått nærbilder av samtlige planeter, unntatt Pluto, og dessuten av en rekke måner. Ved observasjon fra satellitter har vi fått ny kunnskap om Sola, andre stjerner og galakser. Observasjon av vår egen klode fra verdensrommet har gitt oss ny kunnskap om Jorda og mulighet til å overvåke vårt eget miljø.

Fotografi av Jorda sett fra rommet

Kunnskap om verdensrommet og romfart har folk flest stort sett fått gjennom aviser, radio, fjernsyn, eller kanskje film. Science fiction-filmer gir ofte gal informasjon om de fysiske lovene som bestemmer hva som er mulig og ikke mulig i rommet. Hensikten med et «Romfart valgfag» er å gi kunnskap om naturlovene som danner grunnlaget for romteknologien, og om anvendelsene av denne tekno­ logien. Romfart som skolefag handler om den historiske utviklingen av

8

raketter som verktøy for å komme ut i rommet, hva satellittene brukes til, hva mennesker kan gjøre i rommet, hvilke fysiske lover som styrer bevegelser i rommet og hvilken nytte vi kan ha av romvirksomheten.

Inndeling av romvirksomheten Romvirksomhet omfatter all aktivitet som har med bruk av raketter, satel­ litter, romsonder, og bemannede romfartøyer å gjøre. Den blir gjerne delt inn i fire hovedgrupper: 1 Romforskning Dette er bruk av ballonger, raketter, satellitter og romsonder til å samle informasjon om atmosfæren, solsystemet, stjerner, rommet mellom stjer­ nene og galaksene. 2 Nyttesatellitter Dette er satellitter som blir brukt til praktiske sivile formål som kommu­ nikasjon, navigasjon, jordobservasjon og værvarsling.

3 Bemannede romfartøyer I tillegg til vanlig romforskning, er astronauter og kosmonauter også opp­ tatt med biologisk og medisinsk forskning og materialforskning i rommet.

4 Militære satellitter De militære satellittene blir brukt på samme måten som de sivile nyttesatellittene, men med hovedvekt på rekognosering, overvåkning og varsling av militær aktivitet fra rommet.

Hensikten med romvirksomheten Hvorfor skal vi bruke penger på romvirksomhet når det er så mange problemer å løse her nede på Jorda? Har vi i det hele tatt noen nytte av romvirksomheten? Det siste spørsmålet kan vi besvare med et ubetinget ja. Det første spørsmålet er det ikke fullt så lett å besvare kort, men vi kan antyde noen argumenter.

Menneskets nysgjerrighet Mennesket er av natur nysgjerrig, og har alltid hatt en trang til å utforske naturen og sprenge grenser. Leiv Eriksson utfordret havet og dro til Amerika for tusen år siden. Brødrene Wright utfordret luftrommet, og lettet fra bakken for første gang med et motordrevet fly i 1903. I dag utfordrer vi verdensrommet. Mennesket har evnen til å nyttiggjøre seg nysgjerrigheten til å utvikle ny kunnskap, og dessuten ta ny viten i bruk. Dette er egenskaper som aldri noen datamaskin kan etterlikne. Mennesket har evnen til å bygge på erfaringer og bruke erfaringene til å forstå og oppfatte nye og uvante situasjoner. Nysgjer­ righeten er en drift, og den har over lang tid drevet fram en teknologi som har gjort det mulig for mennesker å frigjøre seg fra Jorda og reise i verdensrom­ met. Denne utviklingen ville det ikke vært mulig å hindre.

9

Bedre teknologi Store deler av den kunnskapen som vitenskapsmenn og ingeniører har skaffet seg under arbeidet med forskjellige romprosjekter, har også kommet til nytte på andre områder. Det har ført til bedre medisinsk teknologi, bedre værvars­ ling og bedre kommunikasjoner med både skip og fly. Romvirksomheten har gitt oss fjernsynssatellitter, satellittnavigasjon og muligheter for nødpeiling via satellitt. Spionsatellittene overvåker store deler av Jorda og sørger for tidlig varsling av militær aktivitet. I romlaboratorier er det utført forsøk med væsker og faste stoffer i vektløs tilstand. Dette har gitt oss økt materialkunnskap, og har ført til bedre og mer pålitelige elektroniske komponenter, blant annet på grunn av skjerpet kvalitetskontroll. Eksperimenter i rommet har også gitt oss ny kunnskap innen basisfagene fysikk, kjemi og biologi, og dette har for eksempel kommet til anvendelse innen medisin og farmasi.

Praktiske anvendelser Fra romalderen startet med den første satellitten til i dag, er det markedsført over 800 produkter som direkte kan føres tilbake til romvirksomheten. Bak et produkt som blir markedsført ligger det ofte mange gjennomtenkte ideer, prosesser av forskjellig slag og andre mindre produkter. Tar vi med alt dette også, blir tallet på praktiske anvendelser atskillig større. NASA har hittil registrert over 30 000 anvendelser av romteknologien siden 1963. Mange av disse anvendelsene finner vi innen medisin og materialkunnskap.

Noen medisinske anvendelser fra romvirksomheten: • Muligheter for å kunne lade opp pacemakere uten tilkobling utenfra er hentet fra romteknologien. • Pasienter med sukkersyke kan slippe sprøyter ved at et datastyrt pumpesystem sørger for automatisk tilførsel av insulin gjennom tynne slanger. • Fjerning av kolestrolavsetninger i blodårer kan utføres ved hjelp av laser ogfiberoptikk. • Bildebehandlingen ved NMR-tomografer er forbedret ved å utnytte teknik­ ken frajordobservasjonsatellittene. • Teknikken med vannavkjølingen av undertøyet i romdrakter kan brukes på barn som er født uten svettekjertler. Andre praktiske anvendelser fra romvirksomheten:

• Borrelåsereren praktisk anvendelse som skriver seg fra romvirksomheten. Det er en lukkemekanisme som består av to forskjellige tekstilbånd som klistrer seg sammen. Slike borrelåser ble første gang brukt av Alan Shepard i den første amerikanske bemannede romferden i 1961. • Fra det amerikanske romfergeprogrammet har man fått nye og lette brannsikre materialer. Disse stoffene bare forkuller uten å avgi giftige gasser når de blir utsatt for flammer. Slike materialer blir brukt til seteputer, til vegg- og takmaterialer i fly, skip, tog osv Romteknologien har også bidratt til utviklingen av en røykfri isolasjon for ledninger. • En legering av nikkel og titan har en egen evne til å innta sin opprinnelige formetterytre påvirkninger. Denne legeringen blirbrukttil sammenfoldede antenner på satellitter. Men materialetkan også brukes til tannreguleringer.

10

Bildebehandlingen ved NMR-tomografer er forbedret ved å utnytte teknikken fra jordobservasjonsatellittene. NMR er en forkortelse for det engelske Nuclear Magnetic Resonance. På norsk kalles tek­ nikken kjernespinn-resonans og har i mange år vært brukt i kjemien til å studere molekyl­ strukturer. Da slipper tannlegen å justere reguleringene i løpet av behandlings­ perioden.

• NASA har også utviklet en rusthindrende maling til bruk på oppskytingsstillasene i Florida. Denne malingen er løselig i vann, den er ikke brennbar og avgir ikke giftige gasser. I løpet av en halv time etter påstrykningen, blir den til et keramisk hardt belegg. Malingen passer godt til båter og oljerigger.

Kunnskap om naturen I tillegg til utvikling av ny teknologi, har romvirksomheten også gitt oss bedre informasjon om miljøet på vår egen jord. Vi trenger større innsikt i naturens regulering av uønskede gasser i atmosfæren, og hvilken virkning disse gassene har på ozoninnholdet. Vi trenger også å vite mer om hvordan hav og atmosfære regulerer innholdet av klimagassen karbondioksid. Målinger fra satellitter vil bidra til å gi oss økt kunnskap om miljøet på land, i havet og i atmosfæren, og dermed også om klimaet på Jorda.

Matproduksjonen på Jorda Både astronauter og romsonder har tatt bilder av Jorda fra verdensrommet. Ser vi på disse bildene, får vi et inntrykk av hvor liten og sårbar denne kloden egentlig er. Jorda er det eneste hjemmet vi har i dette universet, og her bor det fem milliarder mennesker som skal ha mat. Matproduksjonen varierer fra sted til sted på kloden. Vi får mat fra jordbruk, husdyrhold og fiske. Produksjonen kan være effektiv enkelte steder, men drastisk mangelfull andre steder. Med satellitter kan vi skaffe oss løpende oversikt over landbruksområder, vegetasjon og vannressurser. Satellittbildene kan også gi forhåndsinformasjon om avlinger og om fiskefo­ rekomster. De kan varsle om god eller dårlig høst. Denne informasjonen får vi frajordobservasjonssatellittene. De sirkulerer rundt Jorda omtrent 800 - 900 km over bakken og får dermed god overskikt over store land- og havområder samtidig. Fordi de går over polområdene, kan

11

Bilde av både Jorda og Månen, tatt fra Voyager 2. de dekke hele jordoverflaten i løpet av noen få dager. Hvis vi utnytter all den informasjonen som disse satellittene kan gi oss, vil vi uten tvil kunne øke avlingene på Jorda ganske betydelig, kanskjefor flere milliarder kronerhvert år.

Satellittbildefra enjordobservasjonssatellittsom viser noe av isen i en fjord på Svalbard.

12

Mennesker i rommet Hva er egentlig hensikten med å ha mennesker i rommet ? Hvorfor kan ikke aktivitetene i rommet utføres ved hjelp av fjernstyring fra bakken? Svaret er enkelt. For visse oppdrag i rommet er det helt nødvendig at mennesket er tilstede. Det kan være bruk for menneskets kreativitet og evne til logisk tenkning. En astronaut kan foreta spontane avgjørelser på stedet, og utføre reparasjoner av uforutsette feil som kan oppstå. Behovet for vedlikehold kan lettere vurderes av en astronaut enn av en fjernstyrt robot. Mennesker kan også overvåke forsøk og improvisere hvis noe skulle gå galt. Mennesket må selvfølgelig være tilstede når det skal utføres fysiologiske og medisinske forsøk i vektløs tilstand. Slike forsøk har gitt oss grunnleg­ gende biologisk kunnskap.

Observasjon fra verdensrommet Det er en stor fordel å observere andre himmellegemer fra rommet i stedenfor fra jordoverflaten. Jordas atmos­ fære er gjennomsiktig for synlig lys og radiobølger, men ikke for kortbølget stråling som ultrafiolett lys og rønt­ genstråling. Bare en liten del av den ultrafiolette strålin­ gen trenger gjennom atmosfæren. Den er heller ikke gjennomsiktig for store deler av det infrarøde lyset. Dette usynlige lyset gir oss verdifull informasjon om vårt eget solsystem, om stjerner, galakser og resten av universet. Fra romfartøyets bane er det fri sikt mot verdensrommet, vi slipper å måtte «se» gjennom atmosfæren. Derfra kan vi observere all slags stråling fra rommet. Slike observa­ sjoner blir bedre enn fra de beste teleskoper på Jordas høyeste fjelltopper. I tillegg til å observere verdensrommet fra satellitter i bane rundt Jorda, kan vi sende romsonder ut i vårt eget solsystem og ta bilder av våre naboer på nært hold. Dette har gitt oss en fantastisk informasjon, både om Sola og planetene.

Nytteverdien De siste 50 år er det investert kolossale summer til rakettforskning og romvirksomhet. De første V-2 rakettene ble utviklet og brukt under den andre verdenskrigen som våpen. Utviklingen av de store rakettene, både i Sovjetu­ nionen og i US A etter krigen, var i første rekke beregnet som bæreraketter til kjernefysiske våpen. Dette var en del av den kalde krigen. Sputniksjokket i 1957, og frykt for kjernefysisk storkrig, fikk USA til å satse enorme summer på å rette opp prestisjenederlaget. Men den kalde krigen fikk på en måte også en sivil side, og det varromkappløpet. Romforskningen fikk ny te godt av dette kappløpet. Vi har sendt mennesker til Månen og romsonder til de ytterste planetene. Det har vært flere romstasjoner i bane rundt Jorda. I dag er Mir den eneste romstasjonen, men det er planer om å sende opp flere. Det foreligger også planer om å bygge baser på Månen og dessuten sende mennesker til Mars. Dette koster penger. Vil investeringene stå i et rimelig forhold til nytteverdien? Både dette spørsmålet og spørsmålet i begynnelsen av avsnittet har vi kanskje ikke besvart, men de er belyst. Hva syns du selv ?

13

Hubble-romteleskopet

Fra Gagarin til Apollo Vostok «Det første menneske har vært i verdensmmmet. Sovjetrusser skutt opp. Landet i god behold.» Dette var overskriften på første side i Aftenpostens aftennummer onsdag 12. april 1961.

Gagarin i romkapselen. Den første bemannede romferd startet klokken 0507 norsk tid den 12. april 1961 fra oppskytingsbasen Baikonur, nordøst for Aralsjøen i Russland. Da tok raketten med romkapselen Vostok 1 av fra bakken med major Jurij Gagarin om bord. Etter bare én runde rundt Jorda kom romkapselen inn i atmosfæren igjen. I en høyde av 7 km over bakken ble Gagarin skutt ut av kapselen og han landet i fallskjerm klokken 0655, 1 time og 48 minutter etter start. Som det første mennesket i rommet ble den 27 år gamle Gagarin en interna­ sjonal helt. Jurij Gagarin var født i 1934 og var offiser i det sovjetiske flyvåpe­ net. Han omkom i en flyulykke i 1968, bare 34 år gammel. Vostokprogrammet ble avslut­ tet med Vostok 6 i 1963 med Valentina Teresjkova, den første kvinne i rommet. Hun oppholdt seg i rommet i 3 døgn.

Valentina Teresjkova i galla­ uniform

14

Voskhod Voskhod var ombygde Vostokfartøyer, med plass til tre kosmonauter. I Voskhod 2, som ble skutt opp i mars 1965, var det bare to kosmonauter om bord. Det var Pavel Beljajev og Aleksei Leonov. Under denne turen tok Leonov på romdrakt og beveget seg ut av romfartøyet. Han ble det første mennesket i vakuumet utenfor romfartøyet. Han oppholdt seg i rommet i 12 min., bundet til Voskhod 2 med en line. Det oppstod problemer da Leonov skulle inn i romfartøyet igjen. Han fikk vanskeligheter med å få bøyd hoften nok i den enkle romdrakten da han skulle inn i luftslusen. Da han endelig greide å lukke luken etter seg, hadde han vært i vakuum i 20 min. Voskhod 2 fikk enda et problem under tilbaketuren på grunn av feil i en av rakettmotorene. Men det fikk ikke større konsekvenser enn at de kom ut av kurs ved landingen og havnet i fallskjerm i en skog, og ble ikke funnet før neste dag.

Mercury Det første amerikanske bemannede romfartsprogram fikk navnet Mercury. Målet med programmet var bl a: • å sende et menneske ut i rommet rundt Jorda, • å observere menneskets evne til å fungere i rommet, • å bringe både astronaut og romkapsel trygt tilbake til Jorda.

Bildet viser mannskapet på sju som ble tatt ut til Mercuryprogrammet.

15

Etter prøveoppskytinger med dyr var det i mai 1961 klart for den første av to oppskytinger med mennesker. De to første astronautene skul le ikke i bane rundt Jorda, men bare så vidt ut i rommet før de falt ned igjen. Slike baner blir kalt suborbitale. Den 5. mai 1961 ble Alan B. Shepard sendt 190 km opp i atmosfæren. Han ble utsatt for en akselerasjon på 6 ganger tyngdeakselerasjonen, eller 6 g, under oppskytingen og på hele 12g under landingen. Han var i vektløs tilstand i ca 5 minutter og landet i sjøen ca 15 minutter etter oppskyting. Virgil I. Grissom var den neste som ble sendt opp i en suborbital bane. Det var 21 .juli samme året. Han fikk en noe mer dramatisk landing enn Shepard. Etter landingen i sjøen, og mens han ventet på helikopteret, begynte romkapselen å synke. Han kom seg ut av kapselen og svømte for livet til han ble plukket opp. John H. Glenn var den første amerikaneren i bane rundt Jorda. Det skjedde nesten et år etter Gagarin, den 20. februar 1962. John Glenn fløy tre runder rundt Jorda i romkapselen Friendship 7. Alle romkapslene i Mercuryprogrammet hadde forresten nummeret 7 etter navnet, både som et slags lykketall, og fordi 7 astronauter var tatt ut i NASAs første gruppe. Det ble bare 6 oppskytinger fordi en av astronautene fikk problemer med hjertet. Mercurykapselen hadde ikke plass til mer enn én astronaut, og knapt nok det. Det var meget trangt. John Glenn kunne bare bevege hodet og armene. Men han hadde god utsikt. Han sier selv at alle soloppgangene og solnedgangene gjorde et stort inntrykk. Det gjorde også inntrykk at landegrensene ikke var synlig fra rommet. Dette er et poeng som blir brukt for å fremme internasjo­ nalt samarbeid. Mercuryprogrammet startet i 1961 og ble avsluttet i 1963 med Gordon Cooper som fløy 22 runder rundt Jorda. Da hadde alle seks oppskytinger i programmet vært vellykket.

Gemini Geminiprogrammet fikk sitt navn etter stjernebildet Gemini som betyr Tvillingene. Som navnet sier var det plass til to astronauter i en Geminiromkapsel. Det var som å sitte i forsetene i en liten bil. Dette programmet bestod av ti bemannede oppskytinger i tidsrommet fra 1965 til 1966. Målet med Geminiprogrammet var bl a:

• • • •

å skaffe medisinske data under lengre romferder, å prøve sammenkoplingsteknikker med andre romfartøyer, å eksperimentere med opphold utenfor romfartøyet, å forbedre metodene for tilbaketuren gjennom atmosfæren.

Den første amerikaneren utenfor romfartøyet var Edward H. White med Gemini 4,5. juni 1965, ca tre måneder etter russeren Aleksei Leonov. White var festet til romkapselen med en ca sju meter lang line. Ett av de opprinnelige målene med Geminiprogrammet var også å undersøke mulighetene for å lande på bakken, istedenfor i sjøen, men denne delen av programmet ble aldri gjennomført. Alle amerikanske romkapsler har landet i sjøen.

16

Mercury-, Gemini og Apollokapslene

Edward H. White, den første amerikaner utenfor romfartøyet med Gemini 4, 5. juni 1965.

Apollo Seks uker etter Gagarins vellykkede romferd og tjue dager etter Shepards suborbitale ferd, den 25. mai 1961, holdt president Kennedy sin berømte tale i Kongressen. Her sa han blant annet: «Jeg mener at målet for denne nasjonen må være å landsette et menneske på Månen og få ham trygt tilbake til Jorda innen utgangen av dette tiåret».

17

Planleggingen av bemannede måneferder var dermed igang, selv om ingen amerikaner til da hadde vært i bane rundt Jorda. Programmet fikk navnet Apollo. For å skaffe seg nødvendig erfaring og kunnskap med bemannede romferder og sammenkopling av romfartøyer, måtte først både Mercury- og Geminiprogrammene fullføres. I tillegg til å landsette astronauter på Månen og bringe dem trygt tilbake til Jorda, var Apolloprogrammets målsetting også bl a: • å skaffe USA forspranget i rommet, • å utforske Månen, • å utforske menneskets evne til å arbeide på Månen.

Det var lenge usikkert om det gikk an å lande trygt på selve måneoverflaten. Enkelte astronomer mente at overflaten bestod av støv og at et månelandingsfartøy ville synke. Denne teorien ble motbevist i 1966 da instrumentkapselen fra den sovjetiske månesonden Luna 9 og den amerikan­ ske månesonden Surveyor 1 viste at måneoverflaten var fast nok til å tåle belastningen fra et månelandingsfartøy. Tanken om en reise direkte fra Jorda til Månen ble tidlig forkastet. Rakettene var ikke kraftige nok til det. Månereisen måtte basere seg på en teknikk med frakopling og sammenkopling av månelandingsfartøyet til et moderfartøy i bane rundt Månen.

Apollofartøyet Foråkommetil Månen vardetderforbehovforetsammensattromfartøy. Det ble kalt Apollo, og bestod av tre deler: En kjegleformet kommandoseksjon, en sylinderformet serviceseksjon og selve månelandingsfartøyet. Dette var igjen delt i to, en landingsdel nederst og en bemannet startdel for tilbakereisen øverst. På de tre siste måneferdene hadde månelandingsfartøyet også med seg et elektrisk kjøretøy.

Delene i Apollofartøyet. Kommandoseksjonen, serviceseksjonen og måne­ landingsfartøyet.

18

Det var i kommandoseksjonen alle tre astronautene oppholdt seg, både ved oppskyting fra Jorda og ved tilbakekomst. Serviceseksjonen inneholdt en hovedmotor og flere smårakettmotorer, drivstoff, elektrisk utstyr, beholdere for vann og oksygen. Vann var også et biprodukt fra den kjemiske reaksjonen i brenselscellene som produserte elektrisk strøm.

Tur-retur Månen Saturn V-raketten ble brukt til oppskytingen av Apollofartøyet. Fra en parkeringsbane rundt Jorda ble tredje trinn i Saturnraketten avfyrt på nytt, og så frakoblet. Apollofartøyet kom da over i en ny ellipsebane om Jorda, men med kurs mot Månen. Der ble romfartøyet fanget inn av Månens gravitasjonsfelt. Mens Apollo sirkulerte i bane rundt Månen, gikk to astro­ nauter over i månelandingsfartøyet. Kommando- og serviceseksjonen fort­ satte så sammenkoplet i bane rundt Månen med én astronaut om bord. Månelandingsfartøyet med de to astronautene brukte så rakettmotorene på månelandingsfartøyet til å bremse slik at det landet mykt på måneoverflaten.

Banen for måneferden (Apollo 15)

Ved tilbakereisen fungerte den øverste delen av månelandingsfartøyet som startrakett og den nederste som en oppskytingsplattform. Da startraketten var kommet i bane rundt Månen, ble den koplet sammen med kommando- og serviceseksjonen. Etter at alle tre astronautene var samlet i kommando­ seksjonen, ble resten av månelandingsfartøyet frakoplet. Hovedmotoren på serviceseksjonen ble deretter avfyrt slik at de satte kursen tilbake mot Jorda igjen. Noe før romfartøyet kom inn i Jordas atmosfære, ble serviceseksjonen frakoplet, og bare kommandoseksjonen med astronautene landet ved hjelp av fallskjermer i Stillehavet. Apollo 1 i 1967 var planlagt som den første bemannede Apolloferd, men endte isteden som en tragedie. Alle tre astronautene omkom i en brann i kommandoseksjonen mens raketten stod på bakken. Dette forsinket Apolloprogrammet med halvannet år. Apollo 2 og 3 var betegnelser som ble brukt om prøver med blant annet redningstårnet. Det var derfor ingen Apollo 2- eller 3-romferder. Apollo 4.5 og 6 var ubemannede romferder. Resten av Apolloferdene var bemannet.

19

Den første månelandingen Den første månelandingen var med Apollo 1 1,20. juli 1969. Astronautene i månelandingsfartøyet var Neil Armstrong og Edwin Aldrin. Michael Collins var i kommandoseksjonen i bane rundt Månen. Det første menneske som satte sin fot på måneoverflaten var Armstrong, med ordene: «Et lite skritt for et menneske. Et gigantisk sprang for menneskeheten» (Thafs one small step for a man. One giant leap for mankind ). Dette ble overført direkte i fjernsyn til hele verden.

Bildet er hentet fra den første månelandingen og viser Aldrin i ferd med å klatre ned fra månelandingsfartøyet. Det er tatt av Armstrong den 20. juli 1969.

Med månelandingensfartøyet som livbåt Apollo 13 ble skutt opp 11. april 1970. Turen endte nesten i en katastrofe. Etter tre dager, og mens Apollofartøyet var på vei til Månen, eksploderte en oksygenbeholder i serviceseksjonen. Dette ødela både hovedmotoren og oksygenforsyningen til kommandoseksjonen. Uten oksygen kunne heller ikke brenselscellene produsere elektrisk strøm. Astronautene måtte forlate kommandoseksjonen og komme seg over i månelandingsfartøyet som ble deres «livbåt». Det var ikke mulig å snu. De fortsatte ferden rundt Månen og brukte rakettmotorene på månelandingsfartøyet til å komme seg tilbake i en bane mot Jorda. Tilbaketuren tok tre dager, og temperaturen sank til 3 °C. Disse dagene måtte de rasjonere månelandingsfartøyets forsyninger av mat, oksygen og elektrisk energi. Før de kom tilbake til Jorda, returnerte de til kommandoseksjonen og koblet fra månelandingsfartøyet. De landet med livet i behold, én uke etter oppskytingen.

20

Tolv mennesker på Månen Siste månelanding var med Apollo 17 i 1972. Siden 1968 hadde det i Apolloprogrammet vært tre bemannede romferder rundt Månen og seks månelandinger. 12 astronauter har oppholdt seg på Månen. Nesten 100 vitenskapeligeeksperimentererutførtpåmåneoverflaten,og385kgmånestein er brakt til Jorda. Måneferdene har gitt astronomene verdifull kunnskap om hvordan Månen er dannet og hvor gammel den er. Dette kommer vi tilbake til i et eget hefte om solsystemet. Apolloprogrammet kostet 25 milliarder 1970-dollar.

Bildet erfra Apollo 15-ferden og viser det elektriske månekjøretøyet. Detvar utstyrt med et navigasjonssystem slik at astronautene visste hvor de var i forhold til månelandingsfartøyet.

Tabell over Apolloferdene Apollo 1

27. januar 1967

Virgil I. Grissom Edward H. White Roger Chafee

Det oppsto brann i kommandosek­ sjonen under en prøve på bakken. Alle omkom

Apollo 2

Suborbitale prøveoppskytinger

Apollo 3

Suborbitale prøveoppskytinger

Apollo 4

4. november 1967

ubemannet

Første oppskyting med Saturn V Ube­ mannet Apollofartøy jordbane

21

Apollo 5

22. januar 1968

ubemannet

Saturn 1 B Måne­ landingsfartøyet i jordbane

Apollo 6

4. april 1968

ubemannet

Andre oppskyting med Saturn V Ube­ mannet Apollofartøy i jordbane

Apollo 7

11. oktober 1968

Walter M. Shirra Donn Eisele Walter Cunningham

Saturn 1 B Første bemannet Apollo i jordbane

Apollo 8

21. desember 1968 Frank Borman A. Lovell William Anders

Apollo 9

3. mars 1969

Saturn V James A. McDivitt Første bemannet David R. Scott Russel L. Schweickart månelandings­ fartøy i jordbane

Apollo 10

18. mai 1969

Thomas P. Stafford John W. Young Eugene E. Cernan

Saturn V Andre bemannet Apollo i bane rundt Månen

Apollo 11

16. juli 1969

Neil Armstrong Michael Collins Edwin E. Aldrin

Saturn V Første månelanding. Armstrong og Aldrin var først på Månen

Apollo 12

14. november 1969 Charles Conrad Richard F. Gordon Alan L. Bean

Apollo 13

11. april 1970

James A. Lovell Fred W. Haise John L. Swigert

Saturn V Eksplosjon i oksygentank og måne­ landingen måtte sløyfes

Apollo 14

31.januar 1971

Alan B. Shepard Stuart A. Roosa Edgar D. Mitchell

Saturn V Shepard og Mitchell på Månen

Apollo 15

26. juli 1971

David R. Scott James B. Irwin Alfred M. Worden

Saturn V Scott og Irwin med første kjøretøy på Månen

Apollo 16

16. april 1972

John W. Young Thomas K. Mattingly Charles M. Duke

Saturn V Young og Duke med andre kjøretøy på månen

Apollo 17

7. desember 1972

Eugene A. Cernan Ronald E. Evans Harrison H. Schmitt

Saturn V Cernan og geolo­ gen Schmitt med tredje kjøretøy på Månen

22

Saturn V Første bemannet Apollo i bane rundt Månen

Saturn V Conrad og Bean var de to neste på Må­ nen

Apollo-Sojus Apollo-utstyr ble benyttet i 1975 med en sammenkopling av et russisk Sojusfartøy og en amerikansk Apollo kommando- og serviceseksjon i bane rundt Jorda. Begge romfartøyer ble skutt opp 15. juli 1975. Det var tre astronauter i Apollo og to kosmonauter i Sojus. Etter sammenkoplingen kunne de besøke hverandres romfartøy. Fartøyene var sammenkoplet i to dager. I løpet av denne tiden utførte de i felleskap flere vitenskapelige eksperimenter. Det var også direkte fjernsynssendinger fra romfartøyene. Etter frakoplingen fortsatte de med vitenskapelige eksperimenter hver for seg. Sojus landet 21. juli og Apollo 24. juli.

Sammenkoblingen av Sojus- og Apollofartøyet i juli 1975

23

Romstasjoner Hva er en romstasjon ? En romstasjon er et romfartøy i bane rundt Jorda med plass til flere astronauter eller kosmonauter. En romstasjon kan være permanent beman­ net. Mannskap og utstyr blir skiftet ut ved hjelp av romfartøyer som sendes opp med jevne mellomrom. Mange vitenskapelige undersøkelser er enklere å utføre om bord i en be­ mannet romstasjon enn i en fjernstyrt ubemannet satellitt. Fra romstasjoner kan man utføre astrofysiske observasjoner av ultrafiolett stråling og rønt­ genstråling fra Sola eller stjernene. Det er ikke mulig fra bakken, fordi slik stråling blir absorbert av Jordas atmosfære. Fra en romstasjon kan man observere Jorda, og man kan undersøke virkningen av vektløshet både på mennesker, planter og andre biologiske systemer. Vektløsheten kan også utnyttes til materialforskning og til produksjon av materialer med spesielle egenskaper.

Saljut

Bildet viser Sajut 7, de siste sovjetiske romsta­ sjonen i Saljutserien

Verdens første romstasjon var Saljut 1. Den ble skutt opp 19. april 1971 av en Protonrakett. Romstasjonens masse var 18 tonn og navnet kommer fra «salutt», dvs en hilsen til ære forti-årsjubileet for Gagarins ferd. Det varen metallsy linder som var tj ue meter lang og fire meter i diameter. Romstasjonen hadde plass til tre kosmonauter. Den kretset i lav bane, bare 400 km over bakken. Det var meningen at Saljut skulle få forsyninger av både mannskap og utstyr av Sojusfartøyer som med jevne mellomrom skulle skytes opp. To måneder etter oppskytingen utførte Sojus 11 den første sammen­ koplingen med romstasjonen. Tre kosmonauter kom om bord og oppholdt seg i romstasjonen i 22 dager. På bakken satt sovjetborgere og fulgte deres hverdag på TV. De vendte tilbake i Sojusfartøyet og landet pent i en kornåker i Kasakhstan. Da bakkemannskapene åpnet kapselen, var alle tre døde, fastspent i setene. Det oppstod rykter om en ukjent årsak til dødsfallene. Kanskje det ikke var meningen at mennesker skulle oppholde seg i verdensrommet ? Årsaken ble siden funnet å være et plutselig trykkfall i kapselen undertilbaketuren. En ven­ til hadde løsnet slik at lufta forsvant. Denne ulykken forsinket det sovjetiske romfartsprogrammet med tiere år. I mellomtiden utvi­ klet USA en tilsvarende romstasjon, Skylab. Neste sovjetiske romstasjon, Saljut 2, ble skadet under oppskytingen og ble aldri beman­ net.

24

Skylab Romstasjonen Skylab var bygd av det tredje rakettrinnet i Saturn V. Det hadde en masse på 100 tonn og et volum på 280 m3. Det tilsvarer omtrent et lite hus på 120 m2. Skylab var ca tre ganger så stor som romstasjonen Saljut 1.1 tillegg til selve romstasjonen, kom Apollofartøyet og telskopseksjonen «Apollo Telescope Mount» (ATM). Skylab med tilkoblingene er vist i figuren under. Skylab ble skutt opp med en Saturn V-rakett 14. mai 1973. Allerede under oppskytingen oppstod det problemer. En beskyttelesplate for meteoroider ble revet av og dette førte til at det ene solcellepanelet forsvant mens det andre ble skadet. Beskyttelsesplaten skulle også fungere som beskyttelse mot soloppvarming av romstasjonen. Da dette ble borte, ble temperaturen inne i romstasjonen for høy og dessuten ble energiforsyningen redusert når bare ett solcellepanel fungerte. Skylab var i alvorlige vanskeligheter. Det var meningen at de første astronautene skulle skytes opp bare 24 timer etter Skylab. Men på grunn av problemene ble oppskytin­ gen utsatt i ti dager. Da de første astronautene kom fram, gikk de straks i gang med å reparere skadene fra oppskytingen. Beskyttelsesdekselet ble erstattet av en medbrakt og provisorisk solskjerm og det gjenværende solcellepanelet ble reparert etter flere timers arbeid i rommet utenfor romstasjonen. Etter de vel ly kede repa­ rasjonene kunne astronautene konsentrere seg om det vitenskapelige programmet. Det be­ stod av observasjon av både Jorda og Sola, og dessuten av medisinske undersøkelser under vektløshet. Den første gruppen oppholdt seg i rommet i 28 dager. Skylab fikk to grupper til. Den siste gruppen var om bord i 84 dager. Det var rekord på den tiden. Innimellom sine plikter med vitenskapelige undersøkeleser hadde Skylabmannskapene også tid til fornøyelser. De utførte akrobatiske øvelser som ville være umulig på bakken. Da de kastet piler mot en blink, måtte de sikte på en annen måte enn på Jorda. Pilene gikk absolutt rett fram, ikke langs en kasteparabel som på Jorda. De hadde også moro med vann. Det oppfører seg annerledes i rommet enn på Jorda. Overflatehinnen sørger for at vannet danner perfekte vannkuler. Disse vannkulene var elastiske og kunne formes til avlange «vannpølser» eller flate «vannpannekaker». Det var ikke meningen at Skylab skulle være noen permanent romstasjon. Det tredje og siste mannskapet forlot romstasjonen i februar 1974. Siden da var den ubemannet i fem år, til juli 1979. Da kom Skylab inn i atmosfæren og ble ødelagt. Den ble revet i flere biter. Noen brant helt opp, andre deler falt ned i Det Indiske hav og i Australia. I mellomtiden hadde Sovjetunionen gjenopptatt sitt program med flere Saljut-romstasjoner. Den siste i denne serien var Saljut 7, som ble bemannet i 1982.

25

Skylab

Mir I februar 1986 ble den første, og hittil den siste, av en ny generasjon sovjetiske romstasjoner skutt opp. Romstasjonen ble kalt Mir, som betyr «fred». Den ble første gang bemannet av to kosmonauter i mars 1986. Mir var lagd slik at den senere kunne bygges videre ut. Den første utbyggingen ble foretatt i 1987 da et astrofysisk laboratorium, Kvant 1, ble koblet til Mir. Med Kvant 1 ble det utført astrofysiske observasjoner med blant annet et ultrafiolett teleskop og flere røntgenspektrometere. 1 1989 ble en teknisk seksjon, Kvant 2, koblet til Mir, og i 1990 ble mikrogravitasjonslaboratoriet Kritstall tilkoblet. Romstasjonen Mir består nå av en sentral enhet og tre tilkoblingsenheter. Se figuren. Det er planer om å tilkoble ytterliger to enheter. Forskningsprogrammene i Mirkomplekset består også av jordobservasjon og av medisinske undersøkelser av kosmo­ nautene. I 1988 kunne et Mir-mannskap returnere tilbake til Jorda etter ett helt år om bord i romstasjonen. Det er det lengste oppholdet et menneske hittil har hatt i rommet. Det er planlagt et nytt og enda lengre opphold fra slutten av 1993. Mir har flere ganger hatt et internasjonalt mannskap. I 1988 ble fransk­ mannen Jean Loup Chrétien sendt opp til Mir. Han oppholdt seg der i 26 døgn og utførte flere vitenskapelige eksperimenter.

Mir med Kvant 1, Kvant 2 og Kristall

Freedom Freedom er navnet på USA’s internasjonale romstasjon. Den er fortsatt på tegnebrettet, og var opprinnelig basert på et samarbeid mellom USA, Canada, Europa og Japan. Freedom skulle bli så stor at den måtte fraktes opp i flere deler og settes sammen i rommet. Ifølge planene skulle de første elementene skytes opp i 1996 og romsta­ sjonen være ferdig 1999. Det ser imidlertid ut til at planene vil bli endret fordi president Clinton i februar 1993 bestemte at stasjonen skulle konstrueres på nytt, for å gjøre den rimeligere og samtidig mer effektiv. Russiske deltakelse i prosjektet er sannsynlig.

26

En tegning av den fremtidige romstasjonen Freedom.

Romfergen Hva er en romferge ? En romferge er et bemannet eller ubemannet romfartøy som kan brukes omigjen. Den blir skutt opp på samme måten som andre raketter, men vender tilbake til Jorda omtrent som et glidefly. Verken rakettene eller romfartøyene i Mercury-, Gemini- eller Apolloprogrammene kunne brukes omigjen. Den første romfergen som ble skutt opp, var Columbia den 12. april 1981.

Romfergen klar til oppskyting.

27

Romfergen ble planlagt alt i 1969. Et av de første utkastene bestod i å plassere romfergen på toppen av en Saturn V-rakett, men denne løsningen ble for dyr, fordi den store Saturnraketten ikke kunne brukes omigjen. Sluttresul­ tatet ble et romfartøy som bestod av fire hoveddeler, et romfartøy med vinger (selve romfergen), en utvendig drivstofftank og to faststoffmotorer. Romfergen har sørget for en stor del av US A ’ s transport ti 1 og fra rommet siden 1981. Den kan frakte satellitter i bane rundt Jorda. Den kan hente satellitter i rommet og bringe dem ned på bakken, eller satellitter kan repareres mens de er i bane. Romfergen er bygd for å kunne brukes hundre ganger. Faststoffmotorene faller ned i Atlanterhavet, hvor de blir pl ukket opp av skip som venter. De blir så overhalt og fylt med nytt drivstoff. De skal kunne brukes omigjen 20 ganger. Restene av den utvendige tanken faller ned i Det Indiske Hav etter å ha blitt frakoplet. Den blir ikke brukt om igjen. Romfergen har normalt plass til sju astronauter. Astronautene i romfergen trenger ikke ha flygerbakgrunn som i de tidligere romferder. Det betyr at hvilken som helst person med god helse i prinsippet kan bli med romfergen. Romfergen kommer ikke høyere enn ca 950 km over jordoverflaten. Hvis en satellitt må bringes i en bane høyere enn dette, må den utstyres med egne rakettmotorer. Disse blir så styrt via signaler fra bakkekontrollen. Like etter oppskytingen snur romfergen seg slik at den utvendige tanken kommer på oversiden. Det er et ledd i manøvreringen for å gi romfergen den riktige helningsvinkelen i forhold til ekvator. Romfergen er utstyrt med en lang robotarm som kan plassere gjenstander fra romfergens lasterom og ut i rommet.

Fotografi av lasterommet med rohotarmen og en astronaut med MMU

Astronauter utenfor romfergen kan bevege seg i rommet i et lite énmanns romfartøy. Det kan minne om en slags ryggsekk, og er utstyrt med små rakettmotorer. Den blir kalt for MMU, for Manned Maneuvering Unit. Den blir brukt til å bevege seg i rommet uavhengig av romfergen, f eks til å hente inn satellitter.

28

Romfergene ble bygd og sendt opp første gang i denne rekkefølgen: Columbia Challenger Discovery Atlantis Endeavour

første ferd

1981 1983 1984 1985 1992

siste ferd

1986

Alle er skutt opp fra Florida.

Den første romfergen som ble bygd var testmodellen Enterprise. Den ble fraktet opp i lufta festet til ryggen på en spesialutrustet Boeing 747. Derfra ble den så sluppet som et glidefly. Den første romfergelandingen ble foretatt i august 1977. Enterprise har aldri vært i rommet.

Foto av Enterprise på ryggen av en Jumbojet. 11987 vedtok NASA å bygge en erstatningsferge for Challenger. Den nye fergen fikk navnet Endeavour, etter en navnekonkurranse blant amerikanske skolebarn. Første oppskyting fant sted 7. mai 1992. Romfergen er antakelig den mest kompliserte maskin som er bygd. Vi skal gi en kort beskrivelse av hoveddelene hver for seg.

Faststoffmotorene Romfergens faststoffmotorer er de største som noen gang er skutt opp. De har en lengde på 45,5 m og en diameter på 3,7 m. Motorene er så store at de må bli fraktet til Cape Canaveral oppdelt i fire seksjoner. Seksjonene blir satt sammen i Vehicle Assembly Building ved Kennedy Space Center. Drivstoffet er aluminiumpulver Al (16 %) og oksidasjonsmiddelet er ammoniumperkloratNH4C104(70%).Drivstoffblandingenertilsattjemoksid som katalysator og dessuten et bindemiddel (bl a polybutadien) som gjør pulverblandingen hard.

29

Faststoffmotoren blir antent ved hjelp av en liten rakettmotor som sitter i den øverste enden av raketten. Når denne motoren avfyres, blir det indre hulrommet dekket av flammer, og den store faststoffmotoren tenner til full styrke i løpet av et halvt sekund. Da er det ikke mulig å stoppe motoren. Den fortsetter til drivstoffet er brent opp. Hver motor inneholder 500 tonn drivstoff og leverer en skyvekraft på hele 15 MN (millioner newton) i startfasen. Mens drivstoffet brenner, avtar massen av raketten. Samtidig beveger den seg oppover i tynnere atmosfære, og da avtar også 1 uftmotstanden. Dessuten avtar tyngdeakselerasjon. Alt dette bidrar til å øke romfergens akselerasjon. Av hensyn til astronautene er faststoffmotoren formet slik at akselerasjonen ikke skal overstige 3 g. Faststoffmotorene brenner bare de to første minuttene av oppskytingen. Det er montert en fallskjerm i spissen av motoren, slik at den faller ned i Atlanterhavet uten å bli ødelagt. Raketten treffer vannet med åpningen ned. Dermed blir det avstengt en viss luftmengde øverst i den tomme rakettens hulrom. Dette gjør at raketten flyter til den blir plukket opp av skip som venter i nærheten.

Den utvendige tanken Den utvendige tanken blir fraktet med båt fra fabrikken i Louisiana til Kennedy Space Center. I Vehicle Assembly Buillding blir den reist opp i vertikal stilling og festet til faststoffmotorene og romfergen. Den har som oppgave å levere drivstoff til romfergens tre hovedmotorer under oppskytin­ gen, og samtidig være en slags felles «ryggrad» for både faststoffmotoren og romfergen. Den utvendige tanken er 47 m lang og haren diameter på 8,4 m. Den består innvendig av tre deler. Øverst er det en beholder for flytende oksygen. Midtseksjonen inneholder bl a elektrisk utstyr og noen av festeanordningene for faststoffmotorene. Nederst er det en beholder for flytende hydrogen. Det er plass til 550 m3 flytende oksygen i den øverste beholderen og 1 500 m3 flytende hydrogen i den nederste. Oksygentanken haren innvendig utforming som skal hindre det flytende oksygenet i å skvulpe under oppskytingen. Det ville kunne forstyrre kursen til romfergen. Det er ikke nødvendig i hydrogentanken, fordi hydrogen har så mye mindre massetetthet enn oksy­ gen. Det flytende hydrogenet har temperaturen - 253 °C, og oksygenet har - 183 °C. Dette krever at drivstofftankene er godt varmeisolert. Hvis de ikke var isolert, ville drivstoffet begynne å koke, og dessuten ville vanndampen i lufta kondensere på overflaten av den ytre tanken og fryse til is. Dette ville øke tyngden av romfergen, og dessuten kunne isen brytes løs og skade fergen under oppskytingen. Ved de fem-seks første oppskytningene benyttet romfergen en utvendig drivstofftank som var malt hvit. Denne malingen er siden fjernet og erstattet av et brunt isolasjonsmateriale. Dermed ble romfergen 2 700 kg lettere. Istedenfor å male tanken kan romfergen ta med seg tilsvarende mer nyttelast. Den utvendige tanken blir ikke brukt omigjen. Mesteparten brenner opp i atmosfæren, og restene faller ned i Det Indiske hav.

30

Selve romfergen Romfergen er et romfartøy med vinger omtrent på størrelse med et jetfly av typen DC-9. Det ytre skroget er lagd av aluminium. Denne overflaten er så dekket av et isolasjonsmateriale. Romfergen består av tre seksjoner. Den forreste er oppholdsstedet for astronautene. Den midterste seksjonen er lasterommet. Den bakerste inneholder motorer og drivstofftanker.

Hovedmotorene Romfergen har tre hovedmotorer, og de er plassert i den bakerste seksjonen. De brukes bare under oppskytingen. Drivstoffet er flytende hydrogen og oksygen som kommer fra den utvendige tanken. De tre hovedmotorene arbeider samtidig med faststoffmotorene og fortsetter å brenne i seks minutter etter at faststoffmotorene er utbrent. Dysene kan beveges slik at de kan styre romfergen under oppskytingen. Hver av hovedmotorene har en skyvekraft ved start påca 1,8 MN (1,8 millioner newton). Til sammenlikning har et jetfly av typen Boeing 747 en skyvekraft på 0,83 MN på alle fire motorene til sammen. Det betyr at romfergens tre hovedmotorene tilsvarer 6,5 slike jetfly! Tar vi med begge faststoffmotorene også, hver med en skyvekraft på 15 MN, tilsvarer dette nesten 43 Boeing 747 ! Når faststoffmotorene tenner, kan startsmellet bli så kraftig at det kan skade romfergen. For å dempe lydnivået og samtidig avkjøle, er det installert et dusj system som spruter vann på plattformen de første sekundene. Den røyken vi kan se under oppstigningen kommer dels fra faststoffmotorene og dels fra fordampningen av dette vannet. Forbrenningsgassene fra hovedmotorene er vanndamp og dette er nesten usynlig.

Romfergen med hovedmotorene og OMS.

OMS Dette er en forkortelse for «Orbital Maneuvering System». Det er to forholdsvis små manøvreringsmotorer som er plassert i den bakerste seksjo­ nen. Disse brukes til å endre banen som romfergen har rundt Jorda. De brukes

31

Fotografi av romfergen like etter oppskyting.

også til å bremse romfergen når den skal tilbake til atmosfæren. Disse motorene bruker flytende drivstoff, metylhydrazin (CH3-NH-NHj som brensel og dinitrogentetroksid (N,O ) som oksidasjonsmiddel. Dette er stoffer som reagerer spontant ved kontakt. Skyvekraften på hver av OMSmotorene er 27 kN i vakuum.

RCS Dette er en forkortelse for «Reaction Control System». Det er til sammen 44 ganske små rakettmotorer som er plassert forskjellige steder på romfergen. Disse motorene blir brukt til å justere romfergens orientering i rommet. De bruker samme drivstoff som OMS. De største RCS-motorene haren skyve­ kraft på 3,87 kN hver og de minste på 110 N.

Lasterommet Lasterommet er ikke under trykk slik som den forreste seksjonen. Når romfergen er kommet i bane rundt Jorda, blir lasterommet åpnet. Det er nødvendig for at kjølesystemet skal virke. Det blir ikke lukket før romfergen skal vende tilbake til atmosfæren igjen. I lasterommet kan romfergen ta med seg inntil 25 tonn nyttelast.

Varmeisolasjon Spesielt under tilbakevendingen i møtet med atmosfæren, blir romfergen utsatt for kraftig luftmotstand. Da avtar farten fra 26 500 km/h som den har i banen rundt Jorda, til 350 km/h som den har i landingsøyeblikket. Den kinetiske energien som romfergen mister, blir omdannet til varme. Tempera­ turen på overflaten av romfergen kan da på utsatte steder stige til ca 1 500 °C. Ved denne temperaturen ville aluminiumskroget ha smeltet. For å beskytte romfergen mot de høye temperaturene, er det montert et varmeskjold av forskjellige typer isolasjonsmateriale foran og på undersiden av fergen. Varmeskjoldene på Mercury, Gemini og Apollo var slik at de delvis smeltet og fordampet av på veien nedover i atmosfæren. På den måten ble varmen fjernet fra selve romkapslene. Men romfergen skal brukes flere ganger, og da må varmeisolasjonen være lagd av stoffer som også kan brukes om igjen. Det er romfergens neseseksjon og forkanten av vingene som får den største belastningen. Her blir det brukt et stoff som tåler svært høye temperaturer. Det er lagd av grafitt og annet karbon og har en overflate av silisiumkarbid. Andre utsatte deler av romfergens varmeskjold består stort sett av silikatblokker av forskjellig størrelse. Dette er stoffer som er lagd av kvarts og sand. Det inneholder bl a aluminiumoksid og silisiumoksid. Disse blok­ kene er formet slik at de passer til romfergens overflate. Hver av dem er ikke større enn en pocketbok, og har mindre massetetthet enn kork. Blokkene absorberer store mengder varmeenergi, men varmen transporteres svært langsomt innover i blokken. Det betyr at de kan ha en temperatur på 1 200 °C på den ene siden, mens baksiden ikke rekker å komme opp i mer enn 180 °C under landingen.

Landingen Romfergen bruker en times tid pa tilbakevendingen og selve landingen. Mens romfergen er over Det Indiske Hav, blir OMS-motorene avfyrt en kort stund mot bevegelsesretningen. Romfergen kommer da over i en ny ellipsebane med

32

ROMFERGEN INUR

OMS AVFYRES

BREMSEKRAFT

LANDING

JORDA

ELUPSE8ANEN VED LANDINGEN

ROMFERGENS BANE

kurs mot bakken og USA. Se figuren. Den bremser altså ikke som et fly før den kommer ned i atmosfæren. Der blir romfergen bremset av luftmotstanden. På vei nedover i atmosfæren blir temperaturen så høy at lufta omkring romfergen blir ionisert. Da er romfergen omgitt av et plasma, dvs en gass som bare består av positive ioner og elektroner. Under denne fasen er det ikke mulig å kommunisere med romfergen. Radiosignalene kommer ikke gjennom plasmaet. Dette varer i ca 13 minutter. I denne tiden kan romfergen følges ved hjelp av radar. Når romfergen går inn for landing, har den ofte lite drivstoff igjen. Den lander som et glidefly med en fart på 350 km/h. Den får bare ett landingsforsøk. Uike etter landing er temperaturen på overflaten av romfergen ca 150 °C. Det er normalt to landingssteder som romfergen kan bruke. Det ene stedet er Edwards Air Force Base i California, det andre er ved Kennedy Space Center i Florida. I nødstilfelle kan også andre landingssteder benyttes.

Romfergens elektriske energiforsyning Den elektriske energien kommer fra en kjemisk reaksjon mellom hydrogen og oksygen i en brenselcelle. Reaksjonen er den samme som knallgassreaksjonen og dessuten den samme som foregår når romfergens hovedmotorer brenner. Totalreaksjonen er: 2 H2 + O2->2 H2O

33

Prinsippskisse av en brenselscelle. Den består av to porøse nikkelelektroder og en elektrolytt av kaliumhydroksid. Hydrogengass pumpes inn mot den ene elektroden og oksygengass mot den andre. I de porøse elektrodene blir det god kontakt mellom gassene og elektrolytten, og der foregår de elektrokjemiske reaksjonene. Vann kommer ut av cellen som et biprodukt.

I brenselcellen blir den kjemiske energien overført direkte til elektrisk energi. Hydrogen- og oksygengass bobler rundt hver sin elektrode, og begge elektrodene er omgitt av en løsning av kaliumhydroksid KOH(aq). Den negative polen er hydrogenelektroden. Her er elektrodereaksjonen:

2H2(g) + 40H-

4H2O + 4e'

Den positive polen er oksygenelektroden. Her er elektrodereaksjonen:

O2(g) + 2H2O + 4e- -» 4OH Adderer vi disse delreaksjonene, får vi totalreaksjonen ovenfor. Denne brenselcellen har en elektromotorisk spenning på 1,23 V. Av den øverste delreaksjonen ser vi at 2 hydrogenmolekyler gir 4 elektroner. Det betyr at forholdet mellom antall elektroner A som dannes og antall H,-molekyler Ahsom forbrukes blir:

N 4 _ --- ------2 -p2

34

N e= 2 • N.n

De elektronene som dannes for hvert gram hydrogen som forbrukes, har til sammen ladningen:

ig Q = Ne- e = 2- Nh- e = 2 ~^ -1,6 • 1019C = 96 kC Her er 2,0 u massen av ett H.-molekyl og e er elementærladningen. Energien som denne cellen kan levere blir da:

W = UQ = 1,23V • 96 kC = 118 kJ for hvert gram H, som forbrukes. Hydrogen- og oksygentankene til brenselcellene er plassert på undersiden av lasterommet. Romfergen har med nok hydrogen og oksygen til at brenselcellene kan levere 1 530 kWh som elektrisk energi. Den tilsvarende masse av hydrogen blir:

1530 kWh 118- 103kJ/kg Under reaksjonen i brenselcellene dannes det vann. Det blir dannet rundt 3 kg vann per time, og det er mer enn det som er nødvendig til vanlig forbruk for astronautene. Det vannet som blir til overs, blir dumpet i rommet. I romfergen er 32 brenselsceller seriekoplet til en større enhet, og tre slike enheter er parallellkoplet. Polspenningen er avhengig av belastningen, og kan variere mellom 27.5 V og 32,5 V likestrøm.

Fotografi av brenselscellen som blir brukt i romfergen. Hver enhet består av 32 seriekoplede brenselsceller, og tre slike enheter er koplet i parallell. Hver enhet er 43 cm høy, 35 cm bred og 10] cm lang. Massen av enheten er 91 kg. Seriekoplingen har en ems på 39,36 V, men polspenningen varierer mellom 27,5 V og 32,5 V (likestrøm), avhengig av belastningen. Når strømmen gjennom parallellkoplingen er 61.5 A, er polspenningen 32,5 V. Med en belastning på 463 A, blir polspenningen 27,5 V.

35

Challengerulykken Challenger eksploderte under oppskyting 28. jaunar 1986, og alle astronau­ tene om bord omkom. Den hadde gjennomført ni vellykede romferder, den tiende ble en katastrofe. Faststoffmotorene består av fire seksjoner. I skjøten mellom de to nederste seksjonene oppstod det en lekkasje umiddelbart etter at de var avfyrt. De varme forbrenningsgassene fra faststoffmotoren brant først hull i veggen i faststoffmotoren, og deretter brant det nedre feste for motoren av. Hele faststoffmotoren dreide seg deretter om det øverste festet slik at toppen boret seg inn i den utvendige tanken mellom hydrogen- og oksygenbeholderene. Det var da eksplosjonen skjedde, litt over ett minutt etter start. Det flytende drivstoffet eksploderte i en gigantisk knallgassreaksjon. Oppskytingsdagen var det ekstra kaldt i Florida. Temperaturen var -1 °C, og istappene hang fra stillasene rundt romfergen. Det hadde aldri før vært så kaldt under en romfergeoppskyting. Årsaken til lekkasjen viste seg å være at materialet i gummipakningene i skjøten mellom to av seksjonene ble svekket ved så lav temperatur. Dette hadde ikke tidligere vært testet. Men til tross for at dette problemet faktisk ble diskutert av ingeniørene i NASA i timene før start, ble det gitt klarsignal til Challenger. Skjøten mellom seksjonene i faststoffmotoren har siden fått en annen konstruksjon. Challengerulykken forsinket romfergeprogrammet med to og et halvt år.

Fotografi av eksplosjonen

36

Hverdagen i rommet Livet på Jorda er utviklet i et tyngdefelt. Dette tyngdefeltet er vertikalt. Derfor har vi ikke problemer med å vite hva som er opp eller ned. Musklene våre og skjelettet er tilpasset dette tyngdefeltet. Vi er også vant til å puste i en atmosfære av 21 % oksygen og 78 % nitrogen, og med et trykk på 101 kPa. I rommet har begrepene opp eller ned ingen mening. Astronautene er konstant i fritt fall. Musklene som på bakken ble brukt til åholde oss oppreist, får ikke noe å gjøre. Det blir også mindre belastning på skjelettet. Etter en viss tid fører dette til at både musklene og skjelettet forandres. I et romfartøy er astronautene avhengig av å ha en atmosfære å puste i. De må ha mat og søvn, og de må ha gode sanitærforhold. Alt dette er en del av hverdagen i rommet. Vi skal se litt nærmere på noen av faktorene som er viktige for dagliglivet i rommet.

Kabinatmosfæren I romfergen oppholder astronautene seg i en kabin i den forreste seksjonen. Her må det være atmosfære under trykk. Kabinen har et volum på bare 75 m3. Når de puster, forbruker de oksygen og produserer karbondioksid og vann. Uten ventilasjon ville det snart bli for lite oksygen og for mye karbondioksid i kabinen. Et høyt CO,-innhold i kabinen vil føre til at astronautene ville puste enda kraftigere (hyperventilere). Andre symptomer på for høyt karbondioksidinnhold er problemer med hørsel, svimmelhet, kvalme og til slutt besvimelse. Det er derfor spesielt viktig at karbondioksid fjernes fra kabinatmosfæren.

En astronaut i romfergen

37

På bakken er vi vant til at varm luft stiger, mens kald luft synker. Det er fordi kald og varm luft har forskjellig massetetthet. Sirkulasjonen av lufta går da av seg selv. Det er ikke tilfellet i rommet. Derfor må kabinen utstyres med en vifte som sørger for å sirkulere kabinatmosfæren gjennom filtre som renser lufta. Disse filtrene består av aktivt karbon som fjerner uønskede gasser med vond lukt, og litiumhydroksid LiOH som absorberer karbondioksid. Karbon­ dioksid blir da bundet som litiumkarbonat etter reaksjonslikningen:

2 LiOH + CO2 -> Li2CO3 + H2O Kabinatmosfæren blir på denne måten mye renere enn lufta på bakken. Sammensetningen av kabinatmosfæren er omtrent som på Jorda. Den består av 20% oksygen og 80 % nitrogen under normalt trykk på 101 kPa. Til sammenlikning kan det nevnes at kabinatmosfæren i Apollos kommandoseksjon bestod av ren oksygen og med et trykk som bare var tredjeparten av normaltrykket. I Skylab var atmosfæren 75 % oksygen og resten nitrogen. Forholdet mellom oksygen- og karbondioksidinnholdet i kabinen blir regulert automatisk. Blir det for lite oksygen, tilføres mer oksygen fra lagringstanker med oksygen. På utsiden av romfergen kan temperaturen variere fra 120 °C i direkte sollys, til -100°C i mørke når Sola er bak Jorda. Temperaturen inne i romfergen kan være mellom 18 °C og 26 °C. For å kunne holde temperaturen innenfor dette intervallet, måromfergen utstyres med et effektivt kjølesystem. Det fungerer som et slags kjøleskap. Varmen fraktes fra kabinen og ut i rommet via et rørsystem på innsiden av lasterommets dører. Normalt skal kabinatmosfæren ha en fuktighet på 60 %. Overflødig fuk­ tighet blir fjernet ved at kabinatmosfæren føres over kalde metallflater. Da kondenserer vannet og blir lagret i en egen avfallstank. Dette vannet kunne godt brukes om igjen, f eks til drikkevann, men astronautene klaget over at det ikke smakte godt. 1 den russiske romstasjonen Mir blir dette vannet brukt omigjen.

Mat De første astronautene hadde mat på tube. Ved å klemme på tuben ble maten pres­ set inn i munnen. John Glenn klaget over at denne tubematen ikke smakte. Sovjetiske kosmonauter har i langt større grad enn amerikanerne brukt tube-mat. Selv ved langvarige romferder må astronautene ta med seg ferdiglagd mat fra Jorda. Å produsere mat om bord hører fremtiden til. Maten blir pakket i tette aluminiumsfolier eller hermetisk i aluminiumsbokser. Forågjøre maten lettere og for å spare plass, er vannet fjernet i mesteparten av maten. Den er dehydrert. Den dehydrerte maten må tilsettes vann før den spises, og vann er det nok av i romfergen. Noe dehydrert mat kan spises direkte fordi det er tilstrekkelig vann i spyttet. Poser med dehydrert astronautmat er ofte å få kjøpt på romfartsmuseer eller andre romfartssentre. Noe mat blir bare delvis dehydrert. Det kan være enkelte tørkede fruktsor­ ter, f eks fersken, pærer, aprikoser eller tørket syltetøy. Nøtter, kjeks og sjokolade har så lavt vanninnhold at de ikke trenger å dehydreres. De kan spises som de er, uten å tilsette vann. Noe mat må varmes. I Skylab kunne astronautene tilføre den dehydrerte maten varmt vann. I romfergen kan man benytte et lite varmeskap som er

38

Matskapet med håndvasken

montert inn i en større skapseksjon. Denne omfatter også matbrettene, håndvasken og rehydreringsstasjonen. Romfergen er normalt ikke utstyrt med kjøleskap eller fryser. Det betyr at astronautene ikke kan ta med seg mat som trenger avkjøling eller frysetemperatur. Men det hender at romfergen har et oppdrag som gjør det nødvending med kjøleskap, f eks til biologiske eller medisinske forsøk. Er det plass i kjøleskapet, kan astronautene ta med både iskrem og dypfryst mat, hvis de ønsker det. Astronautene mister ofte appetitten i vektløs tilstand. Derfor er det er viktig at maten i romfergen har en riktig sammensetning av næringstoffer. Den skal bestå av ca 17 % proteiner, ca 30 % fett og ca 53 % karbohydrater. Astronautene i romfergen har ca nitti forskjellige matretter og 35 forskjel­ lige drikkevarer å velge mellom. I tillegg til dette har de sju kryddersorter å velge mellom. Maten blir servert på brett omtrent som på passa­ sjerfly, men menyen blir satt sammen av astronautene selv. Her er et eksempel på en meny:

Frokost:

Appelsinjuice, kaffe, fersken, egge­ røre, kornflakes, kakao og wienerbrød.

Lunsj:

Varme pølser, kalkun, skinke- eller ostesmørbrød, bananer og eplesaft.

Middag:

Rekecocktail, suppe, biff, ris, brok­ koli, fruktcocktail. sjokoladepudding, småkaker og grapejuice.

39

Ett matbrett i romfergen

Astronauter som spiser

Vanligvis vil både mat og drikkevarer sveve i rommet. Men mat som er blandet i sauser og andre seige væsker, holder seg samlet og er dessuten festet til matboksen. Det skyldes krefter mellom molekylene i væsken eller mellom molekylene i væsken og molekylene i matboksen. Denne maten blir også festet til gaffel og skje, slik at astronauten kan spise omtrent som han eller hun er vant til. Skjeen kan til og med holdes opp-ned uten at maten faller av. Astronautene har en enkel oppvask. Det er bare spisebestikket som brukes om igjen. De tomme matbrettene er søppel. A drikke av glass er ikke så lett i rommet. Væsken holder seg kanskje i glasset mens det er i ro, men når det blir ført mot munnen, vil innholdet bare fortsette når glasset stopper. Derfor bruker man helst sugerør og en 1 ukket kopp ti 1 å drikke med. Astronautene kan heller ikke salte eller pepre maten som vi er vant til fra bakken. Saltet og pepperet ville bare flyte rundt i kabinen og kanskje havne i lungene på en medastronaut.

Personlig hygiene Den personlige hygienen er enda viktigere i en liten kabin med flere mennesker enn på Jorda. Det har vist seg at enkelte mikroorganismer får atskillig bedre vekstvilkår i vektløs tilstand enn på bakken. Dette kan føre til uønskede infeksjoner som raskt kan spre seg til alle om bord. Det betyr at alt spiseutstyr, sanitæranleggene og sovestedene må rengjøres regelmessig for å hindre vekst av mikroorganismer. Det er ingen vaskemaskin om bord, slik at skittentøy må pakkes og oppbevares i tette plastposer. Det samme gjelder annet søppel som f eks tomme matbeholdere. Spisebestikket blir rengjort med våte kluter.

40

Toalettet om bord i romfergen er ikke så ulikt det vi er vant til, bortsett fra prisen. Utvikling og produksjon av den nyeste typen har kostet rundt 160 millioner kroner ! Det gamle kostet bare 100 millioner kroner, og virket ikke alltid som det skulle. Astronautene måtte flere ganger ty til besværlige avføringsposer. Klosettet er tilpasset både mannlige og kvinnelige astronau­ ter. Mannlige astronauter bruker en egen trakt til urinen. Den kan minne om en melkemaskin. Astronauten kan festes til klosettet med seler, omtrent som sikkerhetsselene i et fly. Men ofte greier det seg med bare fotstropper. Når astronauten setter seg, vil en luftstrøm sørge for at det blir dannet et undertrykk. Dette fører til at både avføringen og urinen nærmest blir suget over i en spesiell beholder. Innholdet i denne beholderen kan etterpå vakuumtørkes og forsegles i tette plastposer. Den russiske romstasjonen Mir har dusj til kosmonautene. Det samme hadde Skylab. Dusjen var da i et avlukke for å hindre vannet i å spre seg i kabinen. Det kunne ha forårsaket skade på elektrisk utstyr. Tørkingen ble gjort med en slags støvsuger. Avfallsvannet ble blåst av en luftstrøm over i en avfallstank. Det er ikke dusj i romfergen. Astronautene der må nøye seg med å vaske seg med en fuktig svamp. Håndvask utføres ved å stikke hendene inn i en spesiell kuleformet servant. En luftstrøm blåser vannet omkring hendene og forsvinner over i en lagertank for avfallsvann. Når disse tankene blir fulle, blir de dumpet i rommet. Barbering bør foregå med barberkrem og høvel. En barber­ maskin produserer skjeggstubber som ville flyte rundt i romfergen. Dette kan irritere både øynene, halsen og lungene.

Søvn Søvn er like viktig for astronautene som oppholder seg i rommet som for menneskene på Jorda. I rommet er det ikke nødvendig å legge seg ned for å sove. Noen astronauter sover mens de flyter omkring i kabinen. Da bør man helst ikke nyse. Et nys ville virke som en liten rakettmotor og sette astronauten i rotasjon eller sende ham mot veggen. Selv hjerteslagene kan få astronauten til å svinge. Men nysing og hosting kan være uheldig på annen måte også. På Jorda faller dråpene etter et nys langsomt nedover, og eventuelle smittestoffer forsvinner fra lufta som andre puster i. I vektløs tilstand vil dråpene bare fortsette å sveve rundt i kabinen, og kanskje smitte andre astronauter som puster i den samme atmosfæren. Men sirkulasjonen av kabinatmosfæren er så effektiv at dette ikke er noe stort problem. Romfergen er også utstyrt med en form for soveposer. De kan være festet til veggen. Noen av soveposene er festet vertikalt, andre er horisontale i forhold til kabinen. Det spiller ingen rolle hvordan soveposene er orientert i vektløs tilstand.

Spacelab Romfergen er ikke utstyrt med egne vitenskapelige måleinstrumenter. Men den kan ta med seg et fullt utstyrt romlaboratorium i lasterommet. Denne enheten heter Spacelab.

41

Klosettet i romfergen

Dette laboratoriet blir en del av romfergen ved at det er koblet til kabinen med en tunnel som astronautene kan bevege seg gjennom. Astronautene bor i romfergen og arbeider i romlaboratoriet. Spacelab kan bestå av to deler. Den delen der astronautene arbeider, er under samme trykk som romfergens kabin. Den andre delen er «utendørs» i vakuum. Denne delen er en slags instrumentplattform på paller som kan betjenes innenfra. Spacelab er laget av aluminium og er konstruert for å brukes omigjen 50 ganger. Laboratoriet er utviklet og bygd i Europa. Både laboratoriemodulen og pallene er bygd slik at det går an å endre størrelsen etter behov. En stor laboratoriemodul kan brukes alene eller med én til to paller. Spacelab kan også bestå av opptil 5 paller uten laboratoriemodul. Spacelab kan brukes av vitenskapsfolk fra hele verden. Men mesteparten av oppdragene er et samarbeid mellom ESA og NASA. Laboratoriet er i prinsippet åpent for forskningsinstitusjoner, industribedriffter, statlige insti­ tusjoner og for enkeltpersoner. De personene som betjener det vitenskapelige utstyret og som har ansvaret for eksperimentene om bord kalles nyttelastspesialister. De er ikke astronauter i vanlig forstand. De er viten­ skapsmenn eller ingeniører med rimelig god helse, og har kun som oppgave å utføre eksperimentene om bord.

Den første ESA-astronauten i Spacelab, Ulf Merbold fra Tyskland Spacelab har mange fordeler framfor Apollo- og Skylabprogrammene. Det er for det første mer plass til utstyr enn i et Apollofartøy. Skylab hadde riktignok større plass, men det var mye dyrere å frakte mannskap til romstasjonen. Dessuten kunne astronautene heller ikke skifte instrumentene og heller ikke ta med seg måleutstyr tilbake til Jorda. Spacelaboppdragene varer kortere tid og er mye billigere.

42

Romfergen med Spacelab beveger seg i god høyde over Jordas atmosfære. Spacelab egner seg derfor godt til astronomiske observasjoner av lys som ellers ville bli absorbert av atmosfæren. Det kan være UV-lys, røntgenstråler og gammastråler fra stjerner og galakser. Det kan også utstyres med teleskoper og kameraer for å studere stjerner og galakser i synlig lys. Men mesteparten av forsøkene som har vært utført i Spacelab er innen biologi, materialforskning, jordobservasjon og solfysikk. Mange av forsøkene om bord er avhengig av vektløshet eller mikrogravitasjonsforhold. Det er forsøk som ikke tåler forstyrrelser i form av vibrasjoner, rystelser eller tyngdekraftvariasjoner. En måte å få gode støyfrie forhold på, er å la romfergen flyte fritt med neseseksjonen eller haleseksjonen mot Jorda. I denne posisjonen kan romfergen holde seg uten at det er nødvending å justere orienteringen med RCS-motorene. Bruk av motorene ville forstyrre enkelte mikrogravitasjonsforsøk. Det var visstnok ikke helt problemfritt å få tilpasset den europeiske Spacelab til den amerikanske romfergen. Alle målene i Spacelab er i SIenheter, mens amerikanerne brukte det gamle engelske enhetssystemet. Den første oppskytingen med romlaboratoriet var 28. november 1983. Spacelab-1 ble da skutt opp med romfergen Columbia. Den første europeiske astronauten, Ulf Merbold fra Tyskland, var med som nyttelastspesialist.

Spacelab under montering i lasterommet.

43

Stråling i rommet I rommet er mennesket mer utsatt for stråling fra Sola og fra verdensrommet enn på bakken. I rommet er det ingen atmosfære som beskytter. Astronautene utenfor atmosfæren er nødt til å ta hensyn til denne strålingen. Strålingen fra Sola er ikke konstant. Den er avhengig av solaktiviteten, dvs det som til enhver tid skjer av forskjellige typer utbrudd på soioverflaten. Når strålingen fra Sola er på det sterkeste, kan den være farlig for astronautene, både utenfor og inne i romfartøyet. Strålingen fra Sola og fra verdensrommet består av protoner, elektroner, atomkjerner og andre partikler. I tillegg kommer det fotoner. Vi skal se litt nærmere på noen av disse stråletypene.

Strålingen fra Sola Solflekker Det ytre synlige laget på Sola heter fotosfæren. Der er temperaturen ca 5400 K. I fotosfæren ser man ofte noen mørke flekker. Det er solflekker. De ser mørke ut fordi de har lavere temperatur enn områdene omkring. Temperaturforskjellen kan være 1 500 K. Solflekkene kommer og går. En og samme solflekk kan eksistere i noen døgn, og vi kan se at de følger med i Solas rotasjon. Antall solflekker varierer periodisk med tiden. Observeres soflekkene over flere år, finner vi en periode på rundt 11 år. Det betyr at solflekkantallet har et maksimum omtrent hvert 11. år. Solflekkene er områder med sterke magnetfelt. De opptrer ofte parvis og er som nordpol og sydpol på en magnet.

Sola med solflekker

44

Sett fra Jorda kan solflekkene virke små, men de minste kan være like store som tverrsnittet av Jorda. De største kan blir flere hundre ganger større. Solfekkene i seg selv har ingen betydning for strålingen i nærheten av Jorda. Men solflekkantallet følger gjerne andre aktiviteter på Sola, som kan ha betydning for romfarere. Antall solflekker er derfor en indikator som forteller noe om solakti viteten.

Solvind Solvinden er en strøm av protoner og elektroner som kommer fra Solas ytterste lag, koronaen. I tillegg kommer det små mengder alfapartikler (heliumkjerner) og noen tyngre atomkjerner. I koronaen er temperaturen flere millioner kelvin. Den er så høy at partiklene får større fart enn

Nordlyset

unnslipningsfarten. De løsriver seg fra Solas gravitasjonsfelt og strømmer i alle retninger vekk fra Sola. Partiklene i solvinden bruker normalt ca fem døgn på veien fra Sola til Jorda. Da har farten vært omkring 400 km/s. Men farten er avhengig av den kinetiske energien til partiklene, og denne kan variere. Det er målt hastigheter fra 250 km/s til 1 000 km/s.

Halleys komet

45

Solvinden er elektrisk nøytral slik at den inneholder omtrent like mange protoner som elektroner. Solvinden er ikke konstant. Den er avhengig av hva som skjer på soloverflaten. I nærheten av Jorda inneholder solvinden normalt kanskje 10 partikler per cm3. Selv dette er et enda større vakuum enn vi er i stand til å lage her på Jorda. Når solaktiviteten er spesielt høy, kan antall partikler i solvinden øke til 1 000 per cm3 og med farten 1 000 km/s. Da har vi en protonstorm. Det er partiklene fra solvinden som danner nordlys og sydlys når de kommer inn i Jordas atmosfære. Komethaler blir bøyd vekk fra Sola pga solvinden.

Solvinden kan bremse satellitter i lav jordbane Endringer i solvinden fører til endringer i Jordas øvre atmosfære. Når solvinden og andre typer stråling treffer atmosfæren, kolliderer partiklene med hverandre. Dette fører til at atmosfæren får høyere temperatur. Når solvinden varmer opp den øvre delen av atmosfæren, blir disse delene av atmosfæren utvidet og får mindre massetetthet. Men dette fører til ny tilførsel av molekyler fra atmosfærelagene under. Dermed øker massetettheten av atmosfæren i denne høyden. Vi kan også si det slik at hele atmosfæren utvider seg. Hvis solvinden skulle øke plutselig, ville det få dramatiske konsekvenser for satellitter i lave baner. Når atmosfæren utvider seg og rekker ut til satellitter i lave jordbaner, blir de bremset av luftmotstanden. Satellittene vil da miste høyde og komme inn i enda tettere atmosfære og deretter brenne opp. Det var dette som skjedde med Skylab.

Flares På soloverflaten ser man ofte noen lyse områder. De kommer og går. Det er enorme eksplosive utbrudd og kan tilsvare flere millioner hydrogenbomber. Disse utbruddene kalles/7«re.v og sender ut både protoner og elektroner med enormt stor fart vekk fra Sola. Farten er atskillig høyere enn unnslipningsfarten, den kan bli opptil en tredjedel av lysfarten. Ved hjelp av målinger fra satellitt er det i tillegg til partikkelstrålingen registrert både gammastråling og røntgenstråling fra slike flaresutbrudd. I perioder med stor solaktivitet er utbruddene hyppige. Da kan det observeres én flare hver annen time.

Ulysses Romsonden Ulysses ble sendt opp fra Cape Canaveral 6. oktober 1990 med romfergen Discovery. Den skal bl a undersøke solvinden og områdene omkring polene på Sola. Disse områdene er ikke tidligere blitt undersøkt. Det fins ingen bærerakett som er sterk nok til å bringe en romsonde ut av jordbaneplanet (ekliptikken) og direkte mot Solas polområder. Derfor ble Ulysses sendt mot Jupiter for å få hjelp av planetens gravitasjonsfelt. Tidlig i 1992 passerte Ulysses Jupiter omtrent i 30° nordlig bredde. Ved passeringen fikk romsonden økt fart i tillegg til at retningen ble endret. Ulysses’ baneplan ble vridd nesten 90° i forhold til ekliptikken, og nå er den på vei mot Solas sydpolområde. Ulysses kommeraldri nærmere Solaenn ca2,2 AU (astrono­ miske enheter = avstanden fra Sola til Jorda), men den vil i sin bane rundt Sola oppholde seg omtrent i fire måneder syd for Solas 70° sydlige bredde. Det er beregnet at den vil krysse Solas ekvator på vei nordover i november 1994.

46

Romsonden Ulysses

Den vil også oppholde seg fire måneder nord for Solas 70° nordlige bredde. Ulysses vil passere Solas nordpol sommeren 1995. Oppdraget vil bli avsluttet i august 1995. Instrumentene om bord skal undersøke magnet­ feltet omkring Solas polområder. Det er også menin­ gen å undersøke solvinden og hvordan denne varierer med avstanden fra Sola og med Solas breddegrad. Farten til partiklene i solvinden og fra flares skal også måles. I tillegg til solobservasjoner vil sonden også undersøke strålingen fra andre deler av ver­ densrommet. Instrumentene er bygd i samarbeid mellom USA og ESA. Ulysses er bygd i Tyskland. NASA var ansvarlig for oppskytingen.

Van Allens strålingsbelter Den første amerikanske satellitten, Explorer 1. ble sendt opp i 1958. Den hadde med seg en geigerteller som skulle måle strålingen fra verdensrommet. Den registrerte en rekke overraskende målinger. Satellitten gikk i en elliptisk bane. På den måten kunne den kartlegge strålingen i store områder omkring Jorda. Geigertelleren viste at satellitten passerte områder rundt Jorda med overraskende intens stråling og andre områ­ der med overraskende lite stråling. Det var den amerikanske fysikeren James A.Van Allen (1914-) som tolket måleresultatene fra geigertelleren i Explorer 1: Jorda er omgitt av to sterke strålingsbelter. Her er det intens ioniserende stråling av hurtige elektroner og protoner. Disse partiklene kommerfra solvinden og frakosmisk stråling. Partiklene blir fanget inn i strålingsbeltene av Jordas magnetfelt. Der beveger de seg i

47

Banen til Ulysses. Den har passert Jupiter og er på vei ut av ekliptikken.

spiralformede baner langs de magnetiske kraftlinjene, fram og tilbake i nord-sydretningen. Protonene og elektronene har motsatte ladninger og bevegerseg i motsatte retninger. Strålingsbeltene er oppkalt etter Van Allen. Det innerste strålingsbeltet er fra 1 000 til 5 000 km over bakken. Det ytterste er fra 15 000 til 25 000 km ute, men det er ingen skarp grense mellom beltene. Van Allens strålingsbelter bidrar til å beskytte Jorda mot stråling fra verdensrommet og fra Sola, fordi partiklene i denne strålingen blir fanget inn i beltene av Jordas magnetfelt. De tryggeste områdene for bemannede romferder er godt under det innerste Van Allenbeltet, rundt 400 km over bakken.

Kosmisk stråling Fra verdensrommet kommer det protoner, alfapartikler og andre atomkjerner med en fart tett oppunder lysfarten. I tillegg til disse partiklene kommer det også elektroner, positroneroggammastråling. Dette er åenprimære kosmiske strålingen. Når disse partiklene treffer atmosfæren, kolliderer de med atomkjernene i luftmolekylene, bl a oksygen- og nitrogenkjernene. Da oppstår det en skur av andre partikler. Dette er den sekundære kosmiske strålingen. Den består av ustabile atomære partikler (mesoner, myoner, positroner), elektroner, fotoner og nøytrinoer. Ved jordoverflaten observeres bare sekundær stråling. Den kosmiske strålingen har vært kjent siden begynneslen av dette århundre. Den består av to typer. Den ene kommer fra verdensrommet. Her kan protonene ha en kinetisk energi på opptil 15 J hver. Det betyr at farten er nesten lik lysfarten. Partiklene kan være akselerert av supernovaeksplosjoner eller andre voldsomme fenomener. Den andre typen kommer fra Sola. Denne strålingen er ikke så energirik. Her kan protonene ha en fart på rundt tredjedelen av lysfarten. eller kinetiske energier på 108 J. I perioder med stor solakti vitet og særlig i forbindelse med sterke flares, dominerer den kosmiske strålingen fra Sola.

Strålefaren for astronautene Kosmisk stråling fra verdensrommet Partikler i den kosmiske strålingen fra verdensrommet har så høye energier at de går rett gjennom både romfergen og astronautene. Strømmen av slike partikler kan være av størreslesorden ti partikler per cm2 per time. Men dette er innenfor akseptabel stråledose. På samme måten som i atmosfæren, kan det oppstå en sekundærstråling når primære kosmiske partikler treffer de ytterste lagene av romfartøyet. Hvis romfartøyet er bygd med dobbelte vegger, kan noe av sekundærstrålingen absorberes i den innerste veggen. Likevel vil det alltid være ioniserende stråling som kommer igjennom begge lagene og som treffer astronautene. Denne strålingen blir registrert av instrumenter om bord og av dosimetere som astronautene bærer på seg.

Kosmisk stråling fra Sola Den kosmiske strålingen fra Sola har mindre energi, men strømmen av partikler er til gjengjeld atskillig større. Dermed er den også farligere for astronautene. Kosmiske protoner fra Sola bruker rundt en halv time på å nå

48

Jorda. Solvinden bruker til sammenlikning flere dager. De kosmiske proto­ nene ville være dødelig for en astronaut utenfor romfartøyet. Når den kosmiske strålingen fra Sola er på det sterkeste, gir selv ikke romfergen tilstrekkelig beskyttelse mot strålingen. Det er i polområdene vi er minst beskyttet mot kosmisk stråling. Der gir ikke Van Allenbeltene heller noen beskyttelse. Bemannede romferder i polare baner vil da være farlig for astronautene.

Strålevarsling Det er viktig å følge med på hva som skjer på Sola når bemannede romferder skal planlegges. Rapporter fra solobservasjoner blir regelmessig sendt til NASA, som så vurderer om de vil sende astronauter opp i rommet. Det er like vanskelig å forutsi en økning av den kosmiske strålingen fra Sola som å forutsi været på bakken. Hvis det ikke observeres noen aktive områder på Sola og ingen eller få solflekker, er det lite sannsynlig at det vil komme noen farlig protonstråling fra Sola den nærmeste tiden. Hvis det observeres mange solflekker og flere aktive områder på Sola, øker sannsynligheten for farlig protonstråling.

Stråledose Stråledose er en størrelse som forteller hvor mye energi fra strålingen som er absorbert per masse av kroppen. Størrelsen får da enheten J/kg. I strålesammenheng er det vanlig å gi denne enheten navnet gray = Gy, etter den engelske strålebiologen Luis Harold Gray (1905-1965).

Stråledose måles i Gy = J/kg Biologisk skadevirkning av ioniserende stråling er avhengig av stråledosen. Men det er ikke likegyldig hvilke partikler som sørger for den absorberte energien, eller om det er fotoner som avgir energien. Det er forskjell på den biologiske skadevirkningen om den samme energien blir absorbert fra gammastråling eller fra alfapartikler. Alfastrålene ville føre til tjue ganger så stor skadevirkning som gammafotonene. Doseekvivalent er en størrelse som tar hensyn til dette. I likhet med stråledose er også doseekvivalent et uttrykk for absorbert energi per masse av kroppen, slik at enheten blir J/kg. Men for å skille den fra enheten gray, har den fått navnet sievert = Sv, etter den svenske strålefysikeren Rolf M. Sievert ('1896-1966).

Doseekvivalent måles i Sv = J/kg For røntgenstråling, gammastråling og stråling av elektroner (betastråling) er antall Sv = antall Gy, men for alfastråling er antall Sv=20 antall Gy. Tallet 20 er en faktor som gir uttrykk for alfastrålingens spesielt store skadevirkning lokalt i cellevevet. Deter vanlig å kalle denne faktoren foren kvalitetsfaktor. For stråling av protoner og nøytroner har kvalitetsfaktoren større verdi enn 1. Vi snakker om store og små stråledoser. For mennesket er alt over 2 Sv store doseekvivalenter, mens alt under 0.1 Sv kalles små doseekvivalenter. Dødelig doseekvivalent for mennesket er 5-6 Sv. Det betyr at 50 % av dem som blir utsatt for denne stråledosen, vil dø i løpet av én måned. En stråledose på 1 -2 Sv fører umiddelbart til kvalme, oppkast og tretthet. De prosessene

49

som strålingen setter i gang i kroppen, kan ta tid. Blodcellene ødelegges etter kort tid. Så kan immunsystemet svikte, og det fører til infeksjonssykdommer. Har man ikke krepert i løpet av en måneds tid, er sjansene store for at man vil overleve stråledosen. Senvirkningen er faren for å få kreft. Effekten kan variere fra person til person, avhengig av kroppsvekt og helsetilstand. Astronautene i rommet er normalt ikke utsatt for så store stråledoser. I løpet av det lengste Skylaboppholdet på 84 døgn, ble astronautene totalt utsatt for en doseekvivalent på under 0,08 Sv. NASA har satt en grense på 0,75 Sv per år for astronauter, og en grense på 4 Sv totalt for hele astronautkarrieren. Til sammenlikning er grenseverdiene her i landet satt til 50 mSv/år for personer som arbeider i et strålemiljø og 5 mSv/år for publikum for øvrig.

Virkning av ioniserende stråling Vi har brukt uttrykket ioniserende stråling flere ganger. Det er stråling som slår ut elektroner i de molekylene som blir truffet, slik at molekylene blir ionisert. Når ioniserende stråling treffer levende celler, blir de biokjemiske prosessene i cellen enten forstyrret eller cellen blir drept. Store stråledoser kan ødelegge den romlige proteinstrukturen i cellene. Hvis dette skjer i viktige organer, kan strålingen føre til øyeblikkelig død. Den kosmiske strålingen kan også inneholde større partikler enn protoner og alfapartikler. En enkelt atomkjerne fra kosmisk stråling kan ødelegge en hel celle. Men protonstrålingen er farligere fordi det kommer så mange flere av dem. Det er ikke likegyldig hvilke celler som blir truffet. Celler i vekst er mer følsomme for ioniserende stråling enn celler som ikke vokser. Dessuten er selve cellekjernen mer følsom enn cytoplasmaet. De viktigste skadevirknin­ gene av mindre stråledoser er genetiske skader og skader på immunsystemet. Senvirkningen av ioniserende stråling vil alltid være økt fare for kreft. Skadevirkningene er ikke bare avhengig av selve stråledosen, men også hvor lang tid kroppen har vært utsatt for strålingen. Det betyr at skadevirkningene blir mindre om stråledosen er fordelt over lengre tid. Mennesker i rommet vil alltid være mer utsatt for ioniserende stråling enn menneskene på Jorda, selv om solaktiviteten er lav. Romfergen er i rommet bare en ukes tid om gangen. Dermed begrenses også stråledosen for astronau­ tene om bord. Hvordan virkningene er for lange opphold i rommet, har man ikke full oversikt over. Dette er viktige spørsmål som må løses før mennesker skal oppholde seg i lengre tid i permanente romstasjoner eller f eks etablere seg på Månen.

50

Mikrogravitasjon Før vi ser på de fysiske, kjemiske og biologiske virkningene av mikro­ gravitasjon, skal vi i dette kapitlet gjennomgå gravitasjonsloven, det fysiske grunnlaget for vektløshet og hvorfor vi bruker uttrykket mikrogravitasjon.

Gravitasjonsloven Eplet faller til bakken fordi Jorda trekker på det. Månen holder seg i sin bane fordi Jorda trekker på den. Jorda holder seg i sin bane fordi Sola trekker på den. Vi holder oss på Jorda fordi den trekker på oss. De kreftene som holder himmellegemene på plass er gravitasjonskrefter. Det er tiltrekkende krefter mellom alle masser, også mellom to epler her på Jorda. Newton formulerte gravitasjonsloven for over 300 år siden:

Mellom to masser m og M i avstanden r virker det en tiltrekkende kraft F som er proporsjonal med massene og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden. Matematisk kan vi skrive gravitasjonsloven slik:

Konstanten heter gravitasjonskonstanten og har verdien:

y = 6,67-10'

Nm2 ■11 ------

Newtons gravitasjonslov er antakelig en av de mest betydningsfulle naturlover som er formulert. Den beskriver Månens bevegelser rundt Jorda, Jordas bevegelse rundt Sola og stjernenes bevegelser i galaksene. Den beskriver også satellittenes bevegelser rundt vår egen klode. Den er universell.

m

Newtons gravitasjonslov.

51

Tyngdeakselerasj on Ser vi bort fra luftmotstanden, faller alle legemer på Jorda med samme akselerasjon, tyngdeakselerasjonen g = 9,8 m/s2. Den er avhengig av Jordas masse M og jordradien R. Kombinerer vi Newtons gravitasjonslov og Newtons 2. lov, finner vi et uttrykk for tyngdeakselerasjonen ved jordover­ flaten:

F = mg = y

mM W

9=7

M ~R~2

I denne formelen kan vi sette inn jordmassen A/ = 5,98 1024 kg og jordradien R = 6 378 km, og da får vi g = 9,8 m/s2 (9,81 m/s2). Tyngdeakselerasjonen er ikke bare et uttrykk for hvor fort ting faller på Jorda, den er også et uttrykk for feltstyrken av gravitasjonsfeltet rundt Jorda. Vi defi­ nerer feltstyrke som tyngde per masse, og da blir feltstyrken ved jordoverflaten g =9,8N/kg (N/kg = m/s2). Hvis romfergen beveger seg i høyden h = 400 km over bakken, er baneradien r = R + h = 6 778 km. I denne høyden blir feltstyrken eller tyngdeaksele­ rasjonen:

En astronaut i bane rundt Jorda.

9 = 7 — = 8,7m/s2 r2 Tyngdeakselerasjonen er altså ikke null, selv om astronautene flyter fritt inne i romfergen. Både romfergen og astronautene faller mot Jorda med akselerasjonen 8,7 m/s2. Men de beveger seg hele tiden med konstant fart i selve banen. Det betyr at denne akselerasjonen ikke er noen baneakselerasjon, det er en sentripetalakselerasjon.

Sentripetalakselerasjon Akselerasjon er definert som fartsendring per tid. Hvis banefarten er konstant, er det ingen bane­ akselerasjon. Men i en sirkelbevegelse endrer farten retning hele tiden. Endring av fartsretning per tid kaller vi sentripetalakselerasjon. Den peker inn mot sirkelsenteret og er gitt ved uttrykket:

Sentripetalakseleiasjonen.

der v er banefarten og r er baneradien. Formelen er utledet og behandlet i fysikk 3 Fy. Vi kan bruke formelen til å regne ut sentrip­ etalakselerasjonen til en kenyaner som bor tett ved ekvator sett fra rOmmet er han med i jordrotasjonen og bruker ett døgn (t = 24 h = 24 • 3 600 s) på å bevege seg strekningen 2nr = 2ti • 6 378 km rundt ekvator. Da blir banefarten v = litr/t - 464 m/s og kenyanerens sentripetalakselerasjon:

v2_

52

(464 m/s)2 63 78- 103m

= 0.03 m/s2

En kenyaner som står ved ekvator og er med i jordrotasjonen

Vektløshet Henger vi et kilogramlodd i en fjærvekt ved bakken, vil den vise 9,8 N. I en høyde på 400 km over bakken ville fjærvekta vise 8,7 N. Hvis vi tok med kilogramloddet og fjærvekta om bord i romfergen som beveger seg i høyden 400 km, ville det vise 0 N. Dette trenger en forklaring. Når vi står på bakken, virker det to krefter på oss. Tyngdekraften trekker nedover, mens kraften fra bak­ ken på skosålene virker oppover. Er vi i ro, er summen av dem lik null. Det betyr at de to kreftene er like store og motsatt rettet. Står vi i en heis, og heisen er i ro, har vi den samme situasjonen. Hvis heiswiren ryker, kommer både hei­ sen og vi i fritt fall. Men da forsvinner også kraften fra heisgulvet på skosålene. Da er det bare tyngden som virker. I det frie fallet i heisen føler vi oss vektløse , så lenge det varer. Det vi opplever som tyngde er kraften fra underlaget.

Tyngden av et kilograms­ lodd i høyden 400 km er 8,7 N.

Tyngden av et kilogramslodd i en heis i ro er 9,8 N.

Tyngden av et kilogramslodd i en heis i fritt fall er 0 N.

53

Når romfergen går i bane rundt Jorda, er den i fritt fall. Det er også astronautene om bord. Men det frie fallet varer heldig­ vis lenger enn det gjør for en heis i fritt fall. Romfergen faller hele tiden. Den har så stor fart at den følger den krumme jordoverflaten istedenfor å treffe bak­ ken. Gravitasjonskraften holder både romfergen og dem om bord i bane. At de føler seg vektløse, betyr ikke at det ikke virker krefter på dem. Det betyr at det bare er gravitasjonskrefter som virker. I romfergen er både kilogramloddet og fjærvekta i fritt fall. Det er bare gravitasjonskrefter som virker. Da er det heller ingen kraft som virker fra fjærvekta på loddet. Derfor viser den 0 N. Astronauten måler tyng­ den av et kilogramlodd. Fjærvekta viser 0 N.

Tyngdekraft og gravitasjonskraft Vi har brukt begrepene tyngdekraft og gravitasjonskraft om hverandre. Det er strengt tatt forskjellige størrelser, og det har med jordrotasjonen å gjøre. Men tyngde og tyngdekraft er det samme. Gravitasjonskraften på et kilogramlodd kan vi finne av Newtons gravitasjonslov:

- 6 67 - 10'11

F=y R2

Nm2. kg2

1 kg • 5,98 • 1024kg ~ 9 3 -| [\| (6378 • 103m)2

Denne gravitasjonskraften er tilnærmet den samme overalt på jordoverflaten. Det er ikke tilfelle med tyngden av kilogramloddet.

En som måler tyngden av et kilogramlodd på Nordpolen og en som måler det samme på ekvator

54

Tyngden av et legeme kan vi måle med en fjærvekt. Tar vi med en fjærvekt ogetkilogramloddtil nordpolen, vil fjærvekta vise 9,81 N. Ved ekvator ville fjærvekta vise 9,78 N. Ved ekvator er loddet med i jordrotasjonen. Der har det en sentripetalakselerasjon på 0,03 m/s2. Det har det ikke ved Jordas rotasjonsakse, på nordpolen. Ved ekvator virker gravitasjonskraften F nedover og fjærkraften G virker oppover. Sammenhengen mellom dem får vi av Newtons 2. lov:

F-G = ma => G = F- ma = 9,81 N - 1 kg • 0,03m/s2 = 9,78N Vi kan også måle tyngde med en badevekt. En mann på 70 kg har tyngden 686,7 N på nordpolen. Tar han med seg badevekta til ekvator, viser den en mindre tyngde, 684,6 N, uten at han har slanket seg. Ved nord- og sydpolen er gravitasjonskraft og tyngde det samme. Overalt ellers på jordoveflaten er legemene akselerert av jordrotasjonen, og da er tyngden noe mindre enn gravitasjonskraften. Forskjellen er imidlertid ikke større enn at vi ofte bruker begrepene om hverandre.

Luftmotstand for satellitter Luftmotstanden F er en kraft som virker på satellitten fra molekylene i den øvre atmosfæren. Den er rettet mot fartsretningen og bremser satellittens bevegelse i banen rundt Jorda, slik at banefarten avtar. Kraften er propor­ sjonal med luftas massetetthet og kvadratet av farten v :

F=kp v2 Her er k en konstant som igjen er proporsjonal med tverrsnittsarealet av satellitten (vinkelrett på farts­ retningen). For den øvre atmosfæren kan k ha verdier mellom 1 og 2 ganger tverrsnittsarealet. Enheten fork blir m2. Massetettheten av den øvre delen av atmosfæren er bl a avhengig av solvinden. Når solaktiviteten er lav, kan massetettheten variere fra 100 ng/m3 i 200 km høyde til 0,01 ng/m3 i 600 km høyde. Ved bakken er massetettheten 1,3 kg/m3. Farten v til en satellitt som går i en sirkelbane med radius r, kan vi finne ved å kombinere Newtons gravitasjonslov, Newtons 2. lov og uttrykket for sentripetalakselerasjonen:

F=y

mM r2

r-

V

M

2

A F- ma A a = — => v2 = y — r

der M er jordmassen. Ved hjelp av Newtons 2. lov kan vi finne baneakselerasjonen for satellitten. I likhet med luftmotstanden er også den rettet mot bevegelsesretningen. Vi kombinerer dette med uttrykket for farten til satellitten:

F = ma = kp v2 = k py

M r

a - kpy

M ror 55

Romfergen med luftmotstand

Vi skal fram til et uttrykk for forholdet mellom baneakselerasjonen for satellitten og tyngdeakselerasjonen ved jordoverflaten. Vi bruker uttrykket for g som vi fant på side 51. Da blir forholdet a lg :

a —= 9

kpy----mr -------------y M Z R2

r

2

= k • p •-----mr

Kjenner vi høyden h over bakken, kan vi finne baneradien r = R + h . Konstanten k for en liten satellitt kan være av størrelsesorden 10 m2. Massen av satellitten er m ~1 000 kg. I høyden 200 km over bakken kan massetettheten av atmosfæren være p = 100 1(F9 kg/m3. Setter vi dette inn, får vi:

— = 60•106 Y Baneakselerasjonen for en lett satellitt i lav jordbane er altså omtrent 60 milliontedel av tyngdeakselerasjonen. eller ca 60 li g. Det betyr at farten til denne satellitten avtar med ca 600 /a m/s for hvert sekund. Det svarer til en fartsreduksjon på ca 3 m/s for hver omløp. Dette er en så stor oppbremsing at satellitten etter bare noen måneder vil havne i enda tettere atmosfære og brenne opp. For romfergen kan vi kanskje sette k ~30 m2. Massen av romfergen i bane er m - 90 000 kg og høyden h over bakken kan være 400 km. Der kan massetettheten være p ~ 0,1 10 9 kg/m3. Da får brøken verdien:

-5- - 0,2- 106 Dette betyr at farten til romfergen avtar med ca 2 ø m/s for hvert sekund. Denne oppbremsingen er så liten at den ikke vil bety noe for romfergen den korte tiden den er i rommet. Bremseakselerasjonen for romfergene i lave baner rundt Jorda gjør at det ikke blir helt vektløse forhold om bord. Det svarer til at det blir et svakt gravitasjonsfelt inne i romfergen rettet med bevegelsesretningen. En astro­ naut som først flyter fritt inne i romfergen vil drive langsomt med bevegelsesretningen, til hun treffer veggen. Da oppstår det en kraft fra veggen på astronauten, og denne kraften oppleves som en tyngde. Den har samme retning sombremseakselerasjonen. Tilsvarende småbremsekrefter vil virke på alle gjenstander i romfergen som ikke flyter fritt. Fordi gravitasjonsfeltet som oppstår på grunn av luftmotstanden er av størrelsesorden 10’6g eller mikro-g, bruker vi ofte uttrykket mikrogravitasjon istedenfor vektløshet om forholdene i romfergen.

Gravitasjonsforstyrrelser Gravitasjonsforstyrrelser er alle små akselerasjoner som fører til avvik fra den fullkomne vektløshet. Vi kaller det også g-forstyrrelser eller bare støy.

56

Luftmotstand Luftmotstanden bremser romfergen i sin bane rundt Jorda. Denne bremseakselerasjonen er et eksempel på en forstyrrelse av vektløsheten ombord i romfergen. Luftmotstanden er normalt årsak til g-forstyrrelser av størrelsesorden mikro-g. Men når solakti viteten er høy og romfergen går i lav jordbane (200 km) med den største flaten i bevegelsesretningen, kan luftmotstanden gi g-forstyrrelser opp til 10-5g.

Forskjell i tyngdeakselerasjon Jordas gravitasjonsfelt avtar med avstanden fra jordsenteret. Når vi først skal regne med milliontedels g-verdier, må vi også regne med at romfergens massemiddelpunkt og andre punkter i romfergen har forskjellige tyngdeakselerasjoner. Denne forskjellen kaller vi Ag. Vi kan vise at den er gitt ved (se oppgave 52):

Ag .R Ar — = 2 - 2- — -1 • 10-6 g0 r r Her er Ar avstanden fra romfergens massemiddelpunkt til et annet punkt i romfergen./? er jordradi en, rerbaneradien oggf|ertyngdeakselerasjonen ved jordoverflaten. Setter vi Ar-5 m, finner vi en forskjell i tyngdeakselerasjonen som er av størrelsesorden mikro-g.

Forskjell i tyngdeakselerasjon og sentripetalakselerasjon for to punkter i romfergen.

57

Forskjell i sentripetalakselerasjon Det er heller ikke nøyaktig den samme sentripetalakselerasjonen i romfergens massemiddelpunkt og i andre punkter i romfergen. Forskjellen kaller vi Aa. Vi kan vise at denne forskjellen er gitt ved: (se oppgave 53)

Aa

Ar — =0,5- 10-6

Her har symbolene samme betydning som ovenfor. Setter vi Ar=5 m, finner vi at også denne forskjellen er av størrelsesorden mikro-g.

Romfergens egen masse Romfergens egen masse kan gi opphav til gravitasjonskrefter mellom legemer inne i romfergen og selve romfergen. Romfergen skaper på den måten sitt eget gravitasjonsfelt. Hvordan romfergens masse er fordelt, kan også ha betyd­ ning for støynivået. Disse g-forstyrrelsene blir betydelig mindre enn mikro-g.

Avvik fra sirkelbanen Det er bare i en sirkelbane vi kan ha konstant banefart. I en ellipsebane er farten størst i det punktet som er nærmest Jorda og minst i det punktet som er lengst vekk. Hvis romfergens bane endres fra sirkel til ellipse, får den en baneakselerasjon som vil forstyrre vektløsheten om bord. Jorda er heller ikke helt kuleformet. I tillegg til at den er flattrykt ved polene, har den også en antydning av pæreform, med «stilken» på Nordpolen. I et romfartøy kan dette registreres som små endringer av Jordas gravita­ sjonsfelt, og sirkelbanen kan bli forstyrret. I tillegg til de effektene som skyldes Jordas form, er det også en målbar økning av gravitasjonsfeltet et sted mellom Sydamerika og Afrika. Fenome­ net blir kalt Sydatlanteranomalien. Det økte gravitasjonsfeltet over dette området fører til at satellittbanen får en bøy mot Jorda, og det registreres som en gravitasjonsforstyrrelse.

Andre akselerasjoner Alle uønskede akselerasjoner gir forstyrrelser av vektløsheten. Under oppskytingen er romfergen utsatt for en akselerasjon på hele 3g. Men siden mikrogravitasjonsforsøkene ikke starter før romfergen har kommet i bane, regner vi ikke denne akselerasjonen som noen gravitasjonsforstyrrelse. Når rakettmotorene justerer den romlige orienteringen til romfergen, blir den akselerert. Da kan forstyrrelsene komme opp i 0,5g. Vibrasjoner i selve romfergen skaper også gforstyrrelser. Disse kan variere fra 10‘9g til 0,5g. En justering av banen kan f eks gi forstyrrelser av størrelsesorden mi 11 i -g. En del astronautaktivitet som f eks støt mot utstyr, bevegelse av armer og bein er også støykilder fra milli-g -området og oppover. Når en nyttelastspesialist eller en astronaut skal gjennomføre et vektløshetsforsøk, er det om å gjøre å holde g-forstyrrelsene under et akseptabelt støynivå. Dessuten må astronauten vite når det kan oppstå forstyrrelser av eksperimentet, slik at forsøkene kan gjennomføres til andre tider.

Fra Spacelab

58

De fleste mikrogravitasjonsforsøkene foregår med støy rundt milli-g. Likevel er det vanlig å bruke uttrykket mikrogravitasjon. Dette uttrykket blir dermed et samlenavn på alle akselerasjoner som forstyrrer den fullkomne vektløsheten om bord. Da bruker vi uttrykket mikrogravitasjon i betydningen «nesten vektløshet». Forskjellen er ikke større enn at begrepene mikrogravitasjon og vektløshet ofte blir brukt om hverandre.

Hvordan kan vi skape vektløshet ? Vi kan gjøre forsøk under vektløshet eller mikrogravitasjon i et falltårn her på Jorda, i et fly, i en rakett eller i en satellitt.

Falltårn Vi kan gjøre forsøk i en heis som faller fritt. Slike spesialheiser er bygd i ca 100 m høye tårn, eller i grubesjakter. Her kan et eksperiment gjennomføres mens det er i fritt fall. Slike forsøk må utføres raskt, kanskje i løpet av 4-5 sekunder, for heisen må bremses før den treffer bunnen. For å unngå luftmotstand på heisen som faller, er lufta pumpet ut av sjakten. Falltårn gir gode mikrogravitasjonsforhold, g-forstyrrelsene er av størrelsesorden mikrog. Men tiden til rådighet er til gjengjeld meget kort. Det er bygd slike falltårn blant annet i Grenoble i Frankrike og i USA.

Fly Når vi kaster en stein på skrå opp i lufta, følger den en parabelbane. Ser vi bort fra luftmotstanden, er det bare gravitasjons­ kraften som virker på steinen mens den er i lufta. Hvis et fly akselererer kraftig oppover og plutselig reduserer motorytelsen på en slik måte at skyvekraften akkurat opphever virkningen av luftmotstanden, vil det følge en tilsvarende parabelbane. Da er det bare gravitasjonskrefter som virker på gjenstan­ dene inne i flyet. Det betyr at personer i flyet vil føle seg vektløse så lenge det følger parabelbanen. NASA bruker ombygde Boeing 707-fly til slike parabelflygninger. Her kan astro­ nauter få oppleve vektløshet i korte perioder som et ledd i treningen. ES A har bygget om et Caravellefly til tilsvarende flygninger. I løpet av én slik parabelflygning kan vektløsheten vare i ett minutts tid. Gravitasjonsforstyrrelsene er av størrelsesorden 0,0lg.

Raketter Raketter som brukes til mikrogravitasjonsforsøk, skytes normalt ca 100 km opp i atmosfæren. Når rakettdrivstoffet er brukt opp, er raketten i fritt fall. Da følger den en parabelbane, og nyttelasten i raketten kommer i vektløs tilstand. Med slike raketter kan gravitasjonsforstyrrelsene komme ned i 10-5g. og vektløsheten kan vare opp til 20 minutter.

59

Parabelflygning av et NASA-fly.

Satellitter Mikrogravitasjonsforsøk med falltårn, fly og raketter har kort varighet. Skal forsøkene foregå over lengre tid, må man bruke satellitter. I Spacelab er gravitasjonsforstyrrelsene rundt milli-g. Men i ubemannede satellitter kan forstyrrelsene komme ned i mikro-g og dessuten vare i flere måneder. Skal man gjøre forsøk med mikrogravitasjon i en ubemannet satellitt, plasserer man først instrumentene om bord i satellitten. Så tar romfergen satellitten med i lasterommet og plasserer den i bane rundt Jorda. Satellitten kan også være utstyrt med en egen rakettmotor som sender den opp i en høyere bane. Hvis banen ikke er for høy, kan romfergen hente instrumentene eller hele satellitten og bringe dem tilbake til Jorda. Satellitter som brukes på denne måten kalles ofte for plattformer. EUREC A er navnet på europeisk plattform der det blir utført mikrogravitasjonsforsøk. Navnet er en forkortelse for European Retrievable Carrier. Den ble sendt opp med romfergen Atlantis 31. juli 1992, og ble hentet ned sommern 1993.

Virkninger av mikrogravitasjon Drømmen om å kunne oppheve tyngdekraften har lenge inspirert sciencefictionforfattere. I Jules Vernes bok «Reisen til Månen» fra 1895 beskriver han hvordan passasjerene opplevde vektløshet på vei til Månen. Jules Verne trodde at vektløshet skyldtes at gravitasjonskraften fra Jorda og fra Månen opphevet hverandre I dette kapitlet skal vi se nærmere på hvordan astronautene opplever vektløsheten og på de fysiske, kjemiske og biologiske virkningene av mikrogravitasjon. I det følgende bruker vi begrepene vektløshet og mikro­ gravitasjon om hverandre.

Mikrogra vitasj onsprogrammer ESAs mikrogravitasjonsprogram konsentrerer seg hovedsakelig om tre forskningsområder: biologisk forskning, væskefysikk og materialkunnskap. Dette er også sentrale områder for NASAs mikrogravitasjonsprogram. Vektløshetsforsøk innen disse områdene blir for det meste utført av nyttelastspesialister ombord i Spacelab. Mikrogravitasjonsforsøk blir også utført i ubemannede satellitter som plattformen EURECA. Mesteparten av mikrogravitasjonsforsøkene kan vi kalle biologisk fors­ kning. Menneskets fysiologi under vektløshet et et viktig område. Forskning på dette feltet vil øke kunnskapene om hva som skjer i kroppen under vektløshet. Alt liv på Jorda er utviklet i et vertikalt gravitasjonsfelt. Ved å undersøke hva som skjer i cellene når dette gravitasjonsfeltet forsvinner, kan vi få ny kunnskap om grunnleggende biokjemiske prosesser. Forsøk med væsker i rommet kan gi informasjon om deres fysiske og kjemiske egenskaper som det er umulig å få på Jorda. Andre viktige mikro­ gravitasjonsforsøk gjelder materialforskning. Innen dette feltet er det proses­ sene i forbindelse med overgangen fra flytende fase til fast fase som er av interesse. Forsøkene består bl a i å undersøke hvordan krystaller vokser uten gravitasjonsfelt. I vektløs tilstand er det mulig å lage krystaller som er langt mer perfekte enn det lar seg gjøre å lage på bakken. Dette kan f eks brukes av elektronisk industri til å lage bedre elektroniske komponenter.

60

Tegning fra Jules Vernes roman «De la Terre å la Lune» (Reisen til Månen) fra 1865. Figurteksten i boken sier: Romfartøyet som har startet ferden fra Florida, har akkurat nådd et punkt mellom Jorda og Månen der tiltreknings­ kreftene fra Jorda og Månen er like store og motsatt rettet, slik at besetnigen opplever vektløshet

Sovjetiske mikrogravitasjonsforsøk Sovjetunionen startet tidlig med forskningsprogrammer i væskefysikk og materialkunnskap, bl a forsøk med størkning av flytende metaller og produk­ sjon av halvledere. De russiske romstasjonene i Saljut-serien ble tidlig brukt til forsøk med menneskets fysiologi i vektløs tilstand. De høstet derfor tidlig erfaringer med langvarige opphold i rommet. De har også sendt opp egne satellitter til biologisk romforskning. Romstasjonen Mir er utstyrt slik at den kan tilkoples forskjellige påbygningsseksjoner eller moduler. I 1990 ble modulen Kristall sendt opp og koplet til Mir. Utstyret bl. a. ombord i Kristall brukes til å dyrke krystaller og produsere halvledere.

61

Menneskets helse og vektløshet Det er viktig at astronauter har god helse. Kroppen utsettes for store belastninger, først under oppskytingen, dernest under vektløsheten. Det blir spesielt viktig under framtidige lange reiser i rommet. På vei til Mars nytter det ikke å skifte ut mannskap som er blitt syke. De som velger ut astronauter til langvarige oppdrag i rommet, må også undersøke muligheten for at det kan oppstå hj erte- og karsykdommer, nyresvikt el ler andre sykdommer underveis. Da kan det være nødvendig å sjekke helsetilstanden til astronautens familie for å undersøke om det f eks foreligger muligheter for arvelige sykdommer. Men uansett hvor grundig astronautene blir undersøkt, vil det være vanskelig på forhånd å si hvordan han reagerer på vektløshet i lengre tid. Derfor er det viktig å få bedre kjennskap til menneskets fysiologi under vektløse forhold.

Romsyke Romsyke er ikke det samme som sjøsyke eller luftsyke. Astronauter som verken blir sjøsyke eller luftsyke, kan godt bli romsyke. Det er umulig å si på forhånd om man vil bli syk eller ikke. Grunnen til det er bl a at det er vanskelig å framkalle kunstig romsyke i laboratorier på bakken. De som blir syke på én romferd, blir det vanligvis ogsåpåden neste. Noen blir ikke romsyke i det hele tatt. Omtrent halvparten av dem som opplever vektløshet, blir romsyke de første dagene. Romsyken kan oppstå i løpet av en times tid i vektløs tilstand. Sympto­ mene er oppkast, hodepine, diaré og tretthet. Og naturlig nok mister astronau­ ten appetitten. Disse symptomene forsvinner i løpet av de to-tre første døgnene og kommer ikke tilbake i løpet av den samme romferden.

Sjøsyketabletter hjelper ikke mot romsyke. Kroppens likevektsorgan finner vi i det væskefylte indre øret. Der er det små partikler av kalsiumkarbonat. Når vi beveger hodet, blir partiklene akselerert og irriterer sansecellene. Disse sender så signaler til hjernen med beskjed om hvordan hodet beveger seg. Ved hjelp av disse partiklene får hjernen vite hvordan kroppen er orientert, om vi beveger oss med konstant fart eller om vi akselererer. Vi er vant til at disse partiklene er påvirket av Jordas gravitasjonsfelt og legger seg på bunnen i ørevæsken når vi står oppreist. I vektløs tilstand vil partiklene bare flyte rundt i det indre øret. De vil irritere sansecellene tilfeldig og dermed gi helt tilfeldige signaler til hjernen. Disse signalene stemmer ikke alltid med synsinntrykkene. Det kan f eks være forvirrende å se jordkloden over hodet eller horisonten på skrå. Når romfergen har avsluttet akselerasjonen under oppskytingen og moto­ rene er slått av, flyter astronautene fritt. De får straks en berusende følelse av velvære. Etter kort tid endres væskefordelingen i kroppen. Hjertet slipper å arbeide mot tyngden. Musklene i beina fortsetter å presse blodstrømmen vekk fra beina og mot hodet. Da blir det blir mer blod i hodet og lungene og mindre i beina. Hodet føles sprengt og astronauten kan få en kraftig hodepine. Sanseceller i hjertets forkammer registrerer dette som overskudd av væske i kroppen, og både nerver og hormoner gir signaler til nyrene om å kvitte seg med kroppsvæske. Urinproduksjonen kan da øke med 10 %. Det forsvinner også salt fra kroppen, uten at astronauten føler seg tørst. Dermed føler han heller ikke behov for å erstatte væsketapet ved å drikke. Etter et par døgn vil kroppen tilpasse seg et mindre blodvolum.

62

Astronautene endrer utseende når hodet får mer væske. Det blir noe oppsvulmet. Rynker og poser under øynene forsvinner, og man ser kanskje yngre ut. Men beina blir tynnere når de mister væske. Astronautene kaller det «fuglebein». Romfergen vender tilbake til atmosfæren med undersiden på skrått oppover i bevegelsesretningen. Bremseakselerasjonen er rettet mot fartsretningen. Astronautene sitter i stolene slik at overkroppen blir parallell med akselerasjonen. Under denne oppbremsingen blir blodet trukket ned fra hodet og mot beina. Hvis hjernen på den måten mister for mye blod, kan astronauten besvime. For å unngå å besvime under en kritisk fase av romferden, må astronauten, før tilbakereisen, spise salttabletter og drikke mye vann for å øke blodvolumet igjen. I tillegg blir det brukt spesiallagde drakter som hindrer blodet i å strømme ned i beina under akselerasjonen.

Muskelsvinn Fra bakken er vi kjent med at når man blir sengeliggende i lengre perioder, blir musklene svakere. Når musklene får mindre å gjøre, blir muskelfibrene mindre og musklene får mindre volum. Denne tilstanden kaller vi muskelsvinn (muskelatrofi). Dette skjer raskere i rommet. Musklene får svært lite å gjøre i vektløs tilstand. De trenger ikke lenger å holde skjelettet vårt oppreist. Hjertet får et mindre blodvolum å pumpe. Etter kort tid kan muskelvolumet avta med 10 %. Dette skjer både med hjertemuskelen og musklene i bein og armer. For å motvirke noe av dette er det viktig at astronauten trener muskulaturen under en romferd. Det kan blant annet gjøres på en ergometersykkel eller på en tredemølle. Andre måter å stimulere musklene på er ved å gi dem elektriske pulser. Men dette er ikke nok til å opprettholde det opprinnelige muskelvolumet. Musklene tilpasser seg den nye situasjonen med vektløshet etter en måneds tid i rommet. Det kan ta både dager og uker å bygge opp m uskulaturen etter en romferd. Hvor lang tid det tar er avhengig av hvor lenge vektløsheten har vart og intensiteten i treningsprogrammet. Etter lange opphold i rommet er ikke musklene sterke nok til å holde astronauten oppreist, hvis man ikke har holdt seg i form. Romfergen er så kort tid i rommet at besetningen ikke har problemer med å gå for egen hjelp straks etter landing.

Tap av kalsium i skjelettet Beinranglet vårt består av knokler med levende vev, organiske og uorganiske stoffer, men levende celler utgjør bare en liten del av knokkelmassen. Rundt 70 % av knokkelmassen består av uorganiske salter som støttesubstans. Mesteparten av dette er kalsiumfosfat. Innholdet av kalsiumfosfat er avhen­ gig av den belastingen skjelettet utsettes for. Det er en komplisert mekanisme som regulerer kalsiuminnholdet i knoklene. Den går i hovedtrekk ut på følgende: Ved økt belastning får knoklene tilført flere Ca++-ioner til å bygge opp nytt kalsiumfosfat og de blir sterkere. Ved mindre belastning blir knoklene tappet for kalsiumioner og de blir skjørere. I vektløs tilstand slipper skjelettet å bære tyngden av kroppen. Da blir det mindre belastning på skjelettet, og knoklene tappes for kalsiumioner. Disse

63

Medisinsk undersøkelse i vektløs tilstand.

forlater kroppen gjennom urinen. Da vil det passere flere kalsiumioner gjennom nyrene, og det kan øke faren for utfelling av nyrestein. Når skjelettet mister kalsium, blir knoklene skjørere, slik at det lettere kan oppstå brudd. Kalsiumtap finner man nesten bare i de knoklene som inneholder beinmarg. Slike knokler har vi i armer og bein. Skallen består av knokler uten beinmarg, og i slike knokler er det ikke påvist tap av kalsium. I tillegg til at knoklene blir skjørere når de mister kalsium, er det også en fare for at de kalsiumionene som forsvinner fra støttesubstansen, setter seg av på utsiden av knoklene. Det kan skade bløtvev i nærheten eller true viktige kroppsfunskjoner. Det er også påvist en sammenheng mellom kalsiumtapet og endringer i blodet. I vektløs tilstand får astronauter færre røde blodlegemer, og det kan tyde på en økt aktivitet i milten. En del av miltens funksjon er nemlig å bryte ned gamle røde blodlegemer. Det er imidlertid noe usikkert om det er vektløsheten som får milten til å bryte ned de røde blodlegemene raskere og dermed forårsake kalsiumtapet, eller om det er kalsiumtapet som forårsaker økt aktivitet i milten. I motsetning til væsketapet og muskelsvinnet, blir ikke kalsiumtapet stabilisert. Det bare fortsetter å øke. Derfor er denne fysiologiske virkningen på menneskekroppen den mest alvorlige ved langvarige opphold i rommet. Kalsiumtapet kan ikke uten videre erstattes med å spise kalsiumholdige piller. Det kalsiumsaltet man da spiser kan fordele seg til andre knokler enn dem som mistet kalsium. Hvis det ble tatt opp av skallen, kunne det føre til tykkere hodeskalle og kanskje gi hjerneskade.

Vektløshet og fysiologisk "virkning" Fysiologisk "virkning"

Grafene antyder hvordan forskjellige fysiologiske funksjoner endrer seg med tiden under vektløshet

Grafisk framstilling av noen fysiologiske forhold som funksjon av tiden i vektløs tilstand.

64

Kunstig tyngde Noen av problemene med menneskets fysiologi kan sikkert løses med kunstig tyngdefelt i romfartøyet. Det kan man få til ved å la fartøyet rotere. Da ville astronautene få en sentripetalakselerasjon som de ville oppleve som et gravitasjonsfelt. Hvis romfartøyet også skulle gjøre mikrogravitasjonsforsøk, måtte deler av det være uten rotasjon. Hver gang astronauten skal fra en roterende del med gravitasjon til en ikke-roterende del uten gravitasjon, vil hun kanskje bli romsyk. Men disse problemene hører fremtiden til.

Botanisk forskning i rommet Også planter har et balansesystem. Legger vi en plante vannrett, vil roten begynne å vokse nedover, mens resten av planten vil vokse oppover. Botanikere regner med at det er tyngden av små partikler i enkelte celler som gir plantene et signal om hva som er opp og ned. Dette balansesystemet har vært undersøkt blant annet i Spacelab. I vektløshet mistet plantene orienteringsevnen og røttene vokste i alle retnin­ ger. Forklaringen til dette er at tyngre partikler i plantecellene flyter fritt og irriterer cellene tilfeldig. Kontrollrøtter som samtidig vokste i en sentrifuge med sentripetalakselerasjon på 1 g, vokste slik vi er vant til fra bakken. Vektløshetsforsøk innen cellebiologi kan gi ny kunnskap om grunnleg­ gende biokjemiske prosesser. Ved Universitetet i Trondheim er det en gruppe forskere som arbeider med vektløshetsforsøk med planteceller. De undersøker hvordan tyngdekraften virker på grunnleggende biofy siske og biokjemiske prosesser i cellene. De har benyttet både den russiske satellitten Biokosmos 9 og Spacelab til forsøkene.

Væskefysikk i rommet Allerede for dem som konstruerte de første rakettene med flytende drivstoff var det viktig å vite hvordan væsker oppførte seg i vektløs tilstand. Men væskefysikk under mikrogravitasjon har siden vært viktig både for biologisk forskning og for materialforskningen. Vi skal se litt på hvilke egenskaper væsker får når tyngdekraften blir borte.

Kreftene på et legeme i vann med og uten gravitasjon.

65

Væsketrykk og vektløshet På bakken er trykket i en væske avhengig av lufttrykket p(| over væsken, væskens massetetthet, tyngdeakselerasjonen g og av dybden h :

p=p0+pgh Når væsken er i fritt fall, blir væsketrykketp lik lufttrykket p{} over væsken. Det ser vi hvis vi setter g = 0 i uttrykket ovenfor. Det betyr at væsketrykket under vektløshet er det samme i alle dybder.

Oppdrift Oppdrift er summen av alle trykkreftene som virker på et legeme. Arkimedes’ lov sier at oppdriften er lik tyngden av den væsken som legemet fortrenger. Kaller vi oppdriften for F , kan vi formulere loven slik:

der Ver volumet av væsken som er fortrengt, og er massetettheten av væsken. I vektløshet er g = 0, og dermed er også oppdriften F lik null. Oppdrift eksisterer ikke i vektløs tilstand. Når oppdriften forsvinner, vil alle legemer i en væske flyte fritt. For biologien betyr dette at partikler i en celle ikke vil trykke på noen bestemt sted i cellen. Det har betydning for hvordan cellevevet i en plante vokser. Det har også betydning for hvordan kalsiumkarbonatpartiklene i det indre øret påvirker sansecellene.

Konveksjon Bruker vi butanbrenneren til å varme opp et begerglass med vann, går det varme fra flammen gjennom glasset til vannet. Det vannet som er nærmest flammen, får høy temperatur. Men da får det også mindre massetetthet og

Oppvarming av en væske med og uten gravitasjonsfelt.

66

stiger pga oppdriften. Dette fører til en sirkulasjon av vannet i begerglasset slik at temperaturen etter hvert utjevnes i væsken. Denne bevegelsen av væsken heter konveksjon. Fordi det er oppdriften som driver denne væskebevegelsen, er den avhengig av tyngdeakselerasjonen g. Det betyr at vi i vektløs tilstand ikke får konveksjon verken av væsker eller gasser. Temperaturutjevninger i væsker og gasser må da foregå på annen måte. Det er konveksjon av lufta rundt et stearinlys som gir flammen den velkjente formen. I vektløs tilstand forsvinner konveksjonen og stearinlysflammenblirkulerund.

Diffusjon Diffusjon er transport av molekyler gjennom en gass, væske eller et fast stoff. Det er molekylenes termiske bevegelser som er årsaken til at de skifter plass og på den måten vandrer gjennom et annet stoff. Denne transporten foregår helt til konsentrasjonen er den samme i hele området. Da inntrer en slags likevektstilstand ved at diffusjonen foregår like raskt i alle retninger. Diffusjon er ikke avhengig av tyngdeakselerasjonen. Det betyr at temperaturutjevninger i væsker og gasser i vektløshet foregår ved diffusjon.

Overflatehinne Et barberblad kan flyte på vann og insekter kan gå på vannet. Grunnen til dette er at vann har en kraftig overflatehinne. I vannoverflaten er kreftene mellom vannmolekylene større enn kreftene mellom vannmolekylene nede i væsken. Det har sammenheng med at de øverste molekylene mangler nabomolekyler mot overflaten. Overflatehinnen vil forme væsken slik at den får minst mulig overflate. Vanndråper på Jorda blir formet både av tyngdekrefter og overflatehinnen. Men i vektløs tilstand er det bare overflatehinnen som former dråpen og da blir den kuleformet. Både bobler og dråper blir større under vektløshet.

En vanndråpe med og uten gravitasjonsfelt.

67

Kapillarkrefter Vann kan stige i tynne rør slik at væskenivået blir høyere inne i røret enn utenfor. Årsaken til dette er at det virker krefter mellom molekylene i væsken og molekylene i glasset. Det er de samme kreftene som danner vannets overflatehinne. I denne sammenhengen kan vi kalle dem Det er slike kapillarkrefter som trekker vannet inn i svampen, som trekker flytende stearin opp i veken og som trekker vannet inn i tørr jord. Kapillarkreftene er også en del av forklaringen på at planter trekker vannet fra rota og opp i stilken. I vektløs tilstand er det bare kapillarkreftene som virker. Foren vannsøyle vil ikke tyngden holde igjen, og da kan søylen bli flere tusen ganger høyere. Det betyr at de fysiologiske forhold som er avhengige av kapillarkrefter kan få helt andre betingelser i vektløs tilstand.

Kapillarkrefter med og uten gravitasjonsfelt

Gassbobler i en væske På Jorda stiger gassbobler i en væske pga oppdriften. I vektløshet forsvinner oppdriften, og det betyr at gassboblene i en væske ikke vil bevege seg i noen bestemt retning. Hva skjer da hvis vi åpner en flaske selters i rommet ? Når tyngden er borte, er det bare kreftene mel lom molekylene i væsken og kreftene mellom molekylene i væsken og molekylene i flasken som bestemmer seltersens videre skjebne. Overflatekreftene i væsken prøver å forme væsken til en kule, samtidig som boblene slår seg sammen til én stor boble. Dette presser væsken ut av flasken og den blir tom. Ved framtidige romferder kan det bli nødvendig å produsere oksygen ved hjelp av fotosyntese. Et forslag går ut på å bruke alger, og da foregår

68

oksygenproduksjonen under vann. Siden gassboblene ikke stiger til overfla­ ten. må væsken sentrifugeres. Da blir det dannet et kunstig gravitasjonsfelt, og boblene får oppdrift. Oksygenboblene kan da fjernes fra væsken.

Oppløsning av faste stoffer i en væske Holder vi en sukkerbit i vann, vil sukkeret løse seg og sukkervannet synker til bunns fordi det har større massetetthet enn det rene vannet. Det oppstår konveksjonsstrømninger i væsken rundt sukkerbiten. I vektløs tilstand vil sukkeret løse seg på samme måten, men det blir ingen konveksjon i væsken. Isteden vil de termiske bevegelsene for molekylene føre til en diffusjon av sukkermolekylene i vannet. Når alt sukkeret er løst opp, vil løsningen etter kort tid bli helt homogen.

Materialforskning i rommet I materialforskning er man spesielt interessert i overgangen fra flytende form til fast form under vektløshet. Dette har betydning for kunnskapen om både organiske og uorganiske faste stoffer, om metallene og for halvlederforskningen.

Krystalldyrking Når krystaller dannes under påvirkning av tyngdekrefter, vil det normalt bli uregelmessigheter eller defekter i krystallen. Noe av årsaken til dette er konveksjonsstrømmer rundt den voksende krystallen. I vektløs tilstand blir krystallen dannet i en helt homogen løsning, uten konveksjon. Da er det i ngen væskestrøm rundt krystallen mens den vokser og blir større. Slike krystaller blir feilfrie, og de kan blir større enn tilsvarende krystaller som er dyrket på bakken. I materialforskningen er det av interesse å bestemme den romlige molekylstrukturen i krystallen. Krystallene som er dyrket i rommet, blir da tatt med tilbake til et kjemilaboratorium på Jorda slik at strukturen kan bestemmes.

Molekylstrukturen av zeolittkrystallene

69

Til dette er det vanlig å bruke røntgenstråler. Da blir krystallen brukt på tilsvarende måte som et optisk gitter. Av interferensmønsteret kan man regne seg tilbake til molekylstrukturen i krystallen. Slike strukturundersøkelserkan også utføres med elektronstråler og nøytronstråler. I vektløs tilstand er det dyrket store organiske krystaller, krystaller av enzymer og andre proteiner. Disse kan gi ny kunnskap om den kjemiske oppbyggingen av slike kompliserte molekyler og også om de kan brukes som medisiner. Ved Senter for Industriforskning (SI) i Oslo er det en gruppe som arbeider med krystalldyrking av en spesiell type vannholdige aluminiumsilikater (zeolittkrystaller). Disse krystallene har interesse for den norske oljeindus­ trien fordi de kan brukes som katalysatorer for prosesser som omformer naturgass til bensin. Dette krystallvekstforsøket har vært i bane rundt Jorda i romplattformen EURECA.

Legeringer Legeringer kan lages ved å blande to eller flere flytende metaller. På samme måte som ved dyrking av krystaller, kan man framstille langt mer perfekte legeringer uten tyngdekraft. Tyngdekrefter vil trekke ulikt på de forskjellige delene av det flytende metallet fordi de har forskjellig massetetthet. Når tyngdekreftene blir borte, er det mulig å framstille legeringer med en nesten fullkommen fordeling av metallatomene. Jo færre defekte områder en legering har, jo bedre elektriske og mekaniske egenskaper vil den få.

70

Fremtiden i rommet Romvirksomhet koster penger. I årene etter måneferdene på 1970-tallet og spesielt i de siste årene har det flere ganger skjedd endringer av planene for romvirksomheten som følge av reduserte budsjetter. Politikerne er blitt mer nøye med at investeringene står i et rimelig forhold til nytteverdien. Det kan skrives en hel bok om fremtidsplanene i rommet. Mange av planene vil nok fortsette å være science fiction-drømmer. Andre planer er mer realistiske. Vi skal avslutte dette heftet med å si litt om de mest konkrete planene for den nærmeste fremtiden.

Freedom Ideen om en permant bemannet romstasjon er gammel. Både USA og Sovjetunionen har sendt opp romstasjoner som Saljut, Skylab og Mir. Freedom er navnet på USA’s internasjonale romstasjon, men i februar bestemte president Clinton at stasjonen skulle konstrueres på nytt for å gjøre den rimeligere og samtidig mer effektiv. Inntil de nye planene for Freedom blir kjent, gir vi her en kort beskrivelse av de opprinnelige planene. De var kostnadsberegnet til 30 milliarder dollar. Den nye stasjonen blir rimligere, men ganske mye endret. 11984 inviterte US A landene i ES A, Canada og Japan til et samarbeid om romstasjonen Freedom. Hvert land skulle bidra til dette fellesprosjektet. Canada skulle levere et fjernstyringssystem som var basert på romfergens Canadarm. ESA og Japan skulle bidra med egne romlaboratorier og oppholdsseksjoner. De første oppskytingene med deler til Freedom var

Romstasjonen Freedom

71

planlagt til 1995, slik at romstasjonen skulle være ferdig sammensatt i 1999. Til dette var det beregnet 17 oppskytinger med romfergen. Det var meningen at romstasjonen skulle bemannes fast med fire astronau­ ter, og de skulle oppholde seg ombord i skift på nitti dager. Mannskapet ville bli skiftet ut ved hjelp av romfergen. Romstasjonen Mir har alltid et Sojusfartøy tilkoplet. Dette kan brukes til å forlate romstasjonen når som helst. I de første planene for Freedom var det ikke tatt med noe romfartøy som astronautene kunne ha til disposisjon hvis det ble nødvendig å forlate romstasjonen. Det ble derfor foreslått å bygge en slags «romlivbåt» som skulle bli koplet til romstasjonen. I januar 1993 var det under vurdering å bruke et tilpasset Sojusfartøy til foreløpig «livbåttjeneste». Ide opprinnelige planene skulle Freedom fået permanent mikrogravitasjonslaboratorium og en produksjonsenhet som skulle produsere farmasøytiske preparater og krystaller. Det skulle også bli et astrofysisk observatorium og en oppholdsseksjon for astronautene. Freedom var planlagt å gå i sirkelbane rundt Jorda i en høyde på 400 km. Omløpstiden skulle være på90 minutter, og baneplanet skulle danne en vinkel på 28,5° med ekvator. Romstasjonen var beregnet å fungere i 30 år. Hvor mye som blir gjennomført av disse planene, gjenstår å se.

Columbus Columbusprogrammet er ESAs bidrag til romstasjonen Freedom. I de opprinnelige planene bestod dette av tre deler. Den største seksjonen var et romlaboratorium som skulle koples til Freedom. Den andre delen var noe mindre, og skulle være et frittfly vende romlaboratorium. Det skulle fjernstyres under følsomme mikrogravitasjonsforsøk, eller betjenes av astronauter to ganger per år. Den tredje delen var en ubemannet satel 1 itt som skulle gå i polar bane. Denne skulle samle inn data fra jordobservasjon og meteorologiske data. Columbusprogrammet er nå redusert til det romlaboratoriet som opprin­ nelig skulle koples til Freedom. Denne delen vil bli skutt opp i 1999.

Hermes Det blir ikke noe av den planlagte europeiske romfergen Hermes. Dette ble bestemt av regjeringsrepresentanter for de enkelte medlemslan­ dene i ESA i et møte i Spania i november 1992. Hermesprogrammet ble for dyrt. Flere års planleggingsarbeid med en europeisk romferge var dermed mer eller mindre bortkastet. Bemannede romfartøyer vil i den nærmeste fremtiden bare bli skutt opp fra USA og Russland. Det vil isteden bli et nærmere samarbeid mellom ESA og Russland. Fra begge sider er det uttrykt ønske om et slikt samarbeid. ESA kan på den måten dra nytte av russisk romteknologi og Russland får vestlig valuta. ESA vil i fremtiden legge mer vekt på bruk av satellitter til miljøovervåking enn på bemannede romferder.

72

Tilbake til Månen NASA har begynt å planlegge menneskets retur til Månen. I disse planene er det tre forhold som gjør Månen interessant. Her kan det etableres vitenska­ pelige baser. Det er også planer om å utnytte mineralene på Månen, og dessuten er det foreslått at Månen skal brukes som et utgangspunkt for framtidige reiser til Mars. De vitenskapelige basene kan brukes til astrofysiske observasjoner. På Månen kommer lyset uhindret til teleskopet. Det er ingen atmosfære som forårsaker lysbrytning. På nattsiden er det ingen lysforurensing fra lyskilder i nærheten. Det kan bygges teleskoper som kan samle mer lys enn f eks Hubble-teleskopet som nå går i bane rundt Jorda. Det kan også bygges teleskoper som registrerer både røntgenstråling og gammastråling fra rom­ met. Radioteleskoper på Månen blir ikke forstyrret av radiostøy fra Jorda. Siden Månen skal brukes som utgangspunkt for framtidige reiser i planetsystemet, er det foreslått å utnytte månestein til å lage rakettdrivstoff. Mineralene på Månen inneholder både oksygen og små mengder hydrogen. Det vil bli billigere å utvinne hydrogen og oksygen på Månen enn åbringe det opp fra Jorda. Er det ikke nok hydrogen å utvinne, kan man ta det med fra Jorda og kombinere det med oksygenet fra Månen. Energien til utvinning av mineralene kommer fra solceller. Det blir aldri overskyet på Månen. I løpet av Månenatten som vil vare i 14 dager, kan energien tas fra speil som går i månebane og reflekterer konsentrert sollys til måneoverflaten. En annen mulig energikilde er en kjernefysisk fisjonsreaktor eller fremtidens fusjonsreaktor. Mineralene på Månen inneholder heliumnukliden He-3 som kan brukes i en fusjonsreaktor.

En tenkt månebase

Oksygenet kan brukes til atmosfæren i trykkseksjonene eller til drivstoff til raketter. Det kan også fraktes til en romstasjonen i jordbane. Siden Månen har et mindre gravitasjonsfelt enn Jorda, vil det koste mindre energi å frakte oksygen til romstasjonen fra Månen enn fra Jorda. Siden Månen ikke har noen atmosfære, må de astronautene som skal oppholde seg der, bo i seksjoner under trykk omtrent på samme måte som seksjonene i romstasjonen. Det er meningen at astronautene skal bli delvis selvforsynte med mat. Skal det vokse planter på Månen, må de ha vann og nitrogen. Nitrogen må fraktes fra Jorda. Deterikkefunnet vann i mineralene, men det er mulig det finnes vann i dypere lag av måneoveflaten. Hvis det ikke er vann der, må også dette fraktes fra Jorda. Er det nok hydrogen å utvinne, kan dette brukes til å lage vann. For mennesket er det en fordel å oppholde seg på Månen framfor i rommet. Månen har et gravitasjonsfelt, og dermed unngås romsyken og de uheldige virkningene av vektløshet på menneskets fysiologi. Før mennesker kan vende tilbake til Månen for lengre opphold, må oppholdsseksjonen sendes opp først. Når den har landet og alt fungerer som det skal, kan de første astronautene skytes opp. Det bemannede romfartøyet som skal sendes til Månen, vil antakelig likne Apollofartøyene, men med plass til fire astronauter. En ferdig utbygd månebase kan stå ferdig et stykke inn i neste århundre.

Reisen til Mars En reise til Mars vil være langt mer komplisert enn en reise til Månen. Den tar lengre tid, opptil tre år fram og tilbake. En slik reise vil også være en atskillig større belastning for astronautene. Før mennesker setter av gårde på så lange reiser, bør man løse de fysiologiske problemene ved langvarig vektløshet. Det ville være ille om kalsiumtapet underveis har gjort skjelettet så sprøtt at astronauten brekker beinet når han setter foten på marsoverflaten. Både Russland og USA har lenge hatt detaljerte planer for bemannede reiser til Mars. Kostnadene vil bli så enorme, at en slik ferd neppe kan bli gjennomført før langt inn i neste århundre. Det er sannsynlig at en slik ferd må bli et internasjonalt samarbeid, ikke bare mellom US A og Russland, men også med deltakelse fra flere andre land. Menneskets nysgjerrighet er nok så stor at det neppe vil bli spørsmål om vi skal reise til Mars, men når. I amerikanske planer er den første marslandingen med mennesker foreslått til 2019, 50 år etter Apollo 11 -landingen på Månen.

74

Sammendrag Vostok var de første bemannede romkapsler, med plass til én kosmonaut. Vostokprogrammet startet med Jurij Gagarin som det første mennesket i rommet, 12. april 1961. Det ble avsluttet med Valentina Teresjkova som den første kvinne i rom­ met i 1963

Voskhodkapslene hadde plass til tre kosmonauter. Det første mennesket utenfor romkapselen var Aleksei Leonov i mars 1965.

Mercury var det første amerikanske programmet for bemannede romferder. Det startet 5. mai 1961 med Alan B. Shepard som den første amerikaner i rommet. Den første amerikaner i bane rundt Jorda var John H. Glenn, 20. februar 1962. Kapslene hadde plass til én astronaut.

Geminikapslene hadde plass til to astronauter. Den første amerikaner utenfor romfartøyet var Edward H. White med Gemini 4, 5. juni 1965. Apollo var det amerikanske måneprogrammet. Kaps­ lene hadde plass til tre astronauter. Den første månelandingen var med Apollo 11, 20. juli 1969. Den siste var med Apollo 17 i 1972. Apollo-Sojus var en sammenkopling av et ameri­ kansk og et sovjetisk romfartøy i 1975.

Romstasjoner: Saljut (sovjetisk, nr 1 opp 1971, nr 7 opp 1982) Sky lab (amerikansk, opp 1973, ødelagt 1979) Mir (russisk, opp 1986) Romfergen består av to faststoffraketter, en ytre tank med flytende H og og selve romfergen. Enterprise varen testmodell. Romfergene ble bygd og sendt opp første gang i rekkefølgen: Columbia (1981), Challenger (1983-1986). Discovery (1984), Atlantis (1985) og Endeavour (1992). Den elektriske energien kommer fra en brenselcelle med H, og O2. Ved Challengerulykken i 1986 brant forbrenningsgassene fra faststoffmotorene hull i den ytre tanken. Hydrogenet og oksygenet eksploderte.

Kabinatmosfæren i romfergen består av 20 % oksygen og 80 % nitrogen under normalt trykk. En vifte sørger for sirkulasjon av lufta. LiOH absorbe­ rer karbondioksid fra utåndingslufta. Maten blir pakket i blant annet tette aluminiumsfolier. Noe mat er dehydrert og blir tilsatt vann før bruk. Astronautene har en fullverdig meny. Den person­ lige hygienen er viktig fordi mikroorganismene har bedre vekstvilkår i rommet enn på bakken.

Solvinden er en strøm av protoner og elektroner fra Solas ytterste lag. Økning av solvinden fører til at atmosfæren blir varmet opp og utvider seg, slik at satellitter i lave jordbaner får økt luftmostand og blir bremset opp. Ulysses er en europeisk romsonde som skal undersøke solvinden og Solas polområder. Den ble skutt opp i 1990, og oppdraget blir fullført i 1995. Van Allens strålingsbelter ble oppdaget ved hjelp av Explorer 1 i 1958. Jorda er omgitt av to områder med intens ioniserende stråling av hurtige protoner og elektroner. Disse er fanget inn av Jordas magnetfelt. Høy Solaktivitet kan føre til kosmisk proton stråling som kan være farlig for astronautene, selv inne i romfergen.

Spacelab er et europeisk romlaboratorium som er tilpasset lasterommet i romfergen. Mikrogravitasjon: Vi føler oss vektløse i fritt fall, når det er bare gravitasjonskrefter som virker. Men den fullkomne vektløshet fins ikke. En satellitt eller romferge vil alltid være utsatt for små akselerasjoner av størrel­ sesorden mikro-g til milli-g. Det kan skyldes luftmotstand, variasjoner i Jordas tyngdefelt, vibra­ sjoner, rotasjon av romfergen og astronautenes egne aktiviteter. Mikrogravitasjon blir brukt i betydnin­ gen «nesten vektløshet». Dette kan skapes i falltårn, ved parabelflygninger, i raketter og i satellitter. Omtrent halvparten av astronautene blir romsyke de første dagene. Andre belastninger er muskelsvinn og tap av kalsium fra skjelettet. Forskningen kon­ sentrerer seg om virkningen av mikrogravitasjon på menneskets fysiologi, cellebiologi, væskefysikk og krystallvekstforsøk.

75

Oppgaver Innledning 1 a Foreslå argumenter mot romvirksomhet. b Foreslå argumenter for romvirksomhet. c Nevn noen praktiske anvendelser av rom­ virksomheten. d Foreslår argumenter for og i mot planene om å sende mennesker til Mars ? e Diskuter om det ville blitt noen satellitter eller mennesker i rommet uten rustningskappløpet mellom Sovjetunionen og USA ?

Fra Gagarin til Apollo 2 Noen uker etter Gagarins vellykkede romferd i 1961 offentliggjorde president Kennedy planene for det amerikanske måneprogrammet. Det var før den første amerikaner hadde vært i bane rundt Jorda, a Hvem var Gagarin ? b Hvem var den første amerikaner i bane rundt Jorda ? c Fortell kort om de tre første amerikanske pro­ grammene for bemannede romferder ? c Hvordan ble en måneferd gjennomført ?

3 a Hvem var den første kvinne i rommet ? b Hvem var det første mennesket utenfor rom­ fartøyet? Når skjedde det ? 4 a Sett navn på de amerikanske romfartøyene (1), (2) og (3) i figuren ved siden av. b Hvor mange astronauter var det plass til i hver av dem ?

5 a Det var lenge usikkert om det gikk an å lande trygt på måneoverflaten. Hva var man redd for ? b Apollofartøyene bestod av tre deler. Hvilke ? 3

76

c Hva var spesielt med: 1 Apollo 1 ? 2 Apollo 11 ? 3 Apollo 13 ?

d Hvilket Apollofartøy var sist på Månen ? Når var det ? e Hvor mange mennesker har oppholdt seg på Månen ? f Sett navn på romfartøyene i figuren over. Hvilket år skjedde dette ?

Homstasjoner 6 a Hva er en romstasjon ? b Hva er fordelen med en romstasjon sammenliknet med en ubemannet satellitt ? c Hva het verdens første romstasjon ? d Hva skjedde med de første kosmonautene som bemannet den første romstasjonen ? e Hvilken romstasjon etterfulgte Saljutprogrammet? 7 a Hva var navnet på den første amerikanske rom­ stasjonen ? b Hvilke problemer fikk denne romstasjonen, og hvordan ble de løst ?

c Hvor mange ganger ble den bemannet ? d Hva skjedde med denne romstasjonen ?

Romfergen 8 a Hvor mange romferger er bygd ? Skriv navn på dem i den rekkefølgen de ble skutt opp første gang. b Den første romfergelandingen ble foretatt i 1977. Hva het romfergen ?

9 a Hva består den ytre tanken av ? b I de fem - seks første romfergeoppskytingene var den ytre tanken hvitmalt. Hvorfor erfargen på tanken blitt endret ?

10 a Faststoffmotorene starter ca 3 sekunder etter at alle tre hovedmotorene er startet. Hva kan grunnen være til det ? b I de første sekundene av en romfergeoppskyting blir det sprøytet vann på plattformen. Hva er grunnen til det ? c Like etter oppskytingen snur romfergen segslikat den kommer under den utvendige tanken. Hvakan årsaken til denne manøvreringen være ?

77

11 a Hvorfor er det vanskelig å se forbrenningsgassene fra hovedmotorene til romfergen ? b Hva kan det være vi ser strømme ut fra faststoffrakettene ? 12 Faststoffmotorene faller i vannet med dysen ned. Hvorfor synker ikke motorene ? 13 a Hva er OMS og hva blir de brukt til ? b Hva er RCS og hva blir de brukt til ?

14 a Hvordan er romfergen varmeisolert ? b Hvor lang tid bruker romfergen på tilbakevendningen og landingen ? c Mens romfergen er på vei nedover i atmosfæren, blir all kommunikasjon mellom bakkekon­ trollen og romfergen brutt. Hva er grunnen til det ? Hvor lenge kan det vare ? d Hva kan temperaturen på overflaten av romfer­ gen bli under landingen ? e Hva er temperaturen på overflaten av romfergen like etter landing ? f Hva er grunnen til at romfergen bare får ett landingsforsøk ?

15 Hvorfor må astronautene om bord i romfergen varsles når en RCS skal brukes ? 16 Hva var årsaken til Challengerulykken ? 17 a Hva slags strømkilde blir brukt i romfergen ? b Hvordan virker den ? c Skriv reaksjonslikning fortotalreaksjonen i denne strømkilden. d Hvor mange kg flytende hydrogen må romfergen ha med seg for at brenselcellene skal levere en energi på 1 530 kWh ? e Hvor mange kg flytende oksygen må til ? Hvor mye vann blir dannet ? f Regn ut den elektriske energien vi kan få av 25 kg hydrogen. g Hvor lenge kan vi tappe ett batteri for 10 A når det går med 25 kg hydrogen ?

78

Hverdagen i rommet 18 Hvordan vil du bruke et skrujern i rommet ?

19 a Hvilken sammensetning har kabinatmosfæren om bord i romfergen ? b Hva skjer hvis det blir for mye karbondioksid i kabinatmosfæren ? c Hvor kommer karbondioksiden fra ? d NaOH absorberer CO, omtrent like bra som LiOH. Hvorfor kan LiOH være bedre til dette bruket i romfergen enn NaOH ? 20 a Hvorfor er noe av maten i romfergen dehydrert ? b Hvordan spiser man dehydrert mat ? c Hvorfor er det viktigere med strengere personlig hygiene om bord i romfergen enn på bakken ? d Hvordan vasker astronautene hendene i romfer­ gen ? e Hvor får astronautene vann fra ? f Hva skjer med avfallsvannet ? g Foreslå en grunn til at romfergen normalt ikke har med kjøleskap.

21 a Hvordan vil du drikke vann av glass i romfergen ? b Hvordan sover astronautene i romfergen ? c Hva skjer hvis man nyser i romfergen ?

Spacelab 22 a Hva er forskjellen mellom Skylab og Spacelab ? b Hvor er Spacelab bygd ? c Hva består Spacelab av ? d Hva foregår om bord i Spacelab ?

23 a En Spacelabferd varer bare ca 10 dager, mens de russiske kosmonautene oppholder seg i flere måneder om bord i Mir. Nevn både fordeler og ulemper ved de korte Spacelabferdene. b Hva er en nyttelastspesialist ? c Hva slags norske eksperimenterer utført om bord i Spacelab ?

Stråling i rommet 24 a Mesteparten av Sola er hydrogen. Hva består da solvinden av ? b Hvorfor blåser ikke solvinden satellittene lenger vekk fra Jorda ? c Hva er en protonstorm og hvor kommer den fra 9

25 a Hva mener vi med ioniserende stråling ? b Hvordan oppdaget Van Allen i 1958 at det var områder rundt Jorda med sterk ioniserende strå­ ling ? c Hva slags ioniserende stråling finner man i Van Allenbeltene ? 26 a Hva er primær kosmisk stråling ? b Hva er sekundær kosmisk stråling ? 27 a Hva slags virkninger har ioniserende stråling på mennesker ? b Hvorfor er det viktig å observere Sola under en bemannet romferd ?

28 a Hvilke oppdrag har Ulysses ? b Hvordan komUlysses utavjordbaneplanet(eklip­ tikken) ? 29 a Enheten for absorbert stråledose er Gy. Hvordan er den definert ? b Enheten for doseekvivalent er Sv. Hvordan er den definert ? c Hva er forskjellen mellom Gy og Sv ? d Hva menes med dødelig doseekvivalent ? e Hva regnes som dødelig doseekvivalent ? f Hvor stor doseekvivalent fikk astronautene om bord i det lengste Skylaboppholdet ?

c Hvilken feltstyrke har gravitasjonsfeltet i avstan­ den 400 km fra bakken ? d Finn feltstyrken i avstanden 800 km fra bakken. (Nødvendige konstanter finnes i teksten eller i tabeller).

31 a Gravitasjonskraft og tyngde er ikke nøyaktig det samme. Hva er da tyngden av en geostasjonær satellitt ? b Ville banen til en geostasjonær satellitt være lavere eller høyere hvis Jorda roterte dobbelt så fort ? c Regn ut baneradien i dette tilfelle.

32 a Hva mener vi med sentripetalakselerasjon ? b Hva er uttrykket for sentripetalakselerasjonen for et legeme som går med konstant fart i sirkelbane ? c Finn sentripetalakselerasjonen foren satellitt som går i sirkelbane i avstanden 800 km fra jord­ overflaten og som bruker 100 minutter på hvert omløp. d Finn sentripetalakselerasjonen for en geostasjonær satellitt. Avstanden frajordsentreret er42 225 km. 33 a Hva mener vi med vektløshet ? b Hvor finner vi den fullkomne vektløshet ? 34 Hvilken sammenheng er det mellom tyngdekraft og gravitasjonskraft for et kilogramslodd på jordover­ flaten ved ekvator ?

35 a Uttrykket for luftmotstanden foren satellitt er gitt ved:

F = kp v2 Forklar hva symbolene i formelen betyr. b Hvilken enhet har konstanten k 1 c Forklar hva symbolene i følgende uttrykk betyr:

Mikrogravitasjon 30 a Hvordan lyder Newtons gravitasjonslov ? b Hva mener vi med feltstyrken av grav­ itasjonsfeltet ? Hva er feltstyrken nær bakken ?

d Hvordan kan dette uttrykket brukes til å forklare begrepet mikrogravitasjon ?

79

36 a Forklar uttrykket gravitasjonsforstyrrelser. b Nevn noen årsaker til gravitasjonsforstyrrelser for eksperimenter om bord i Spacelab. Hvor store er forstyrrelsene ? c Hva er Sydatlanteranomalien ?

37 a Hvordan kan vi skape mikrogravitasjonsforhold ? b Nevn de viktigste forskningsområdene innen mikrogravitasjonsprogrammene.

38 a Hva mener vi med romsyke ? b Forklar hva som skjer med musklene og skjelettet under vektløshet. c Astronautene vokser noen centimeter i vektløs tilstand. Hvorfor ? d Hvilken fysiologisk virkning er den alvorligste for astronautene under langvarige romferder ?

39 a Hvorfor blir blodvolumet mindre i vektløs til­ stand ? b Hvordan blir blodvolumet mindre ? c Hvorfor slår hjertet langsommere i vektløs til­ stand ? 40 a Hvordan fungerer likeveksorganet i det indre øret i vektløs tilstand ? b Hva har dette med romsyke å gjøre ? c Hvordan fungerer plantecellenes balansesystem ? d Foreslå forskjeller mellom romsyke og sjøsyke.

41 Hvis astronautene spiser kalsiumtabletter under langvarige opphold i rommet, kan det føre til de ender opp som en gjeng med skrullinger. Kan du begrunne denne (flåsete) påstanden ? 42 a Beskriv hva som skjer når du varmer opp et glass med vann i vektløs tilstand. b Oksygenproduksjon kan foregå ved fotosyntese i alger i vannløsninger. Hvordan vi du få oksygengassen ut av vannet ?

43 a Hvordan lyder Arkimedes’ lov i vektløs tilstand?

80

b Hva skjer med en jernkule som du slipper opp i et glass med vann i vektløs tilstand ? c Hvordan vil du få jernkula til å ligge på bunnen ? 44 a Hva skjer når en seltersflaske blir åpnet i vektløs tilstand ? b Hvorfor må Colaboksene som skal brukes i rom­ fergen være spesiallagde ? c Tegn figur av en drikkevannsfontene med ren­ nende vann i vektløs tilstand. 45 Hvordan vil du gjennomføre armbøyninger i rom­ fergen ?

46 Hvordan ser en stearinlysflamme ser ut i vektløs tilstand ? 47 I følge Newtons 1. lov skulle innholdet i et glass vann holde seg i ro i glasset. Vannet vil likevel flyte ut av glasset. Hvorfor ?

Fremtiden i rommet 48 a Hva er Freedom ? b Hvilke land skulle samarbeide om Freedom ?

49 a Hva var Hermes ? b Hva skjedde med Hermesprogrammet ? c Hvilke områder innen romvirksomhet har ESA valgt å vektlegge ? 50 a Hvorfor har ikke Månen atmosfære ? b Hvilke fordeler har Månen som base for et astro­ fysisk observatorium, sammenliknet med jord­ overflaten ? c Hvorfor varer månenatten 14 dager ?

51 Diskuter de viktigste fysiologiske innvendingene mot bemannede romferder til Mars.

Gravitasjonsforstyrrelser *52 Punkt 1 i figuren er romfergens massemiddelpunkt og punkt 2 kan være et vilkårlig punkt utenfor massemiddelpunktet. På figuren har punkt 2 større avstand fra Jorda enn punkt 1, slik at Ar > 0. Jordas gravitasjonsfelt avtar med avstanden fra jordsenteret. Da vil gravitasjonsfeltet være litt min­ dre i punkt 2 enn i punkt 1. Forskjellen kaller vi Ag. a Vis at:

M M Ar Aq = v— - v-------- ~ 2y M ----y 1 f r (r+Ar)2 { r3 når r er så liten at Ar/r « 1 b Vi skal sammenlikne g med tyngdeakselerasjonen g ved jordoverflaten. Vis at:

Ag .R2 Ar — =2 — • ----9o

r

r

der R er jordradien.

*53 Det er heller ikke nøyaktig den samme sentripe­ talakselerasjonen i punktene 1 og 2 i figuren. Vi finner først et nytt uttrykk for sentripetalaksele­ rasjonen. uttrykt ved omløpstiden Tog baneradien r. a Vis at:

v2 a=— r

4n2

b Sentripetalakselerasjonen er litt større i punkt 2 enn i punkt 1. Forskjellen kaller vi Aa. Vis at:

4n 2 Aa - -j-2 • Ar c Bruk Keplers 3. lov på formen:

r3 T2

Y • M 4n 2

til å vise at:

Ar Aa = 7' M —r3 d Vi vil sammenlikne denne forskjellen i sentripetalakselerasjonen med tyngdeaksele­ rasjonen g() ved jordoverflaten. Vis at:

Aa _

R 2. Atf

g0 r r der R er jordradien.

Figur til oppgave 52 og 53. Romfergen i bane rundt Jorda med symbolene i oppgaven.

81

Indeks Grissom, Virgil 16,21 Halleys komet 45 Helse og vektløshet 62 Hermes 72 Hubbleteleskopet 13

Aldrin, Edwin 8, 20, 22 Apollo 17, 18, 19, 21 Apollo Telescope Mount 25 Apollo-Sojus 23 Armstrong, Neil 8, 20, 22 Atlantis 29

Ioniserende stråling 50 Beljajev, Pavel 15 Botanisk forskning 65 Brenselcelle 33, 34, 35

Kalsium i skjelettet 63 Kapillarkrefter 68 Kennedy Space Center 29, 33 Komethaler 46 Kommandoseksjonen 18 Konveksjon 66 Kosmisk stråling 48 Kristall 26 Krystalldyrking 69 Kunstig tyngde 65 Kvant 1, 26 Kvant 2 26

Canadarm 71 Challenger 29, 36 Challengerulykken 36 Collins, Michael 20, 22 Columbia 27,29,43 Columbus 72 Cooper, Gordon 16 Dehydrert mat 38 Diffusjon 67 Discovery 29 Doseekvivalent 49

Laika 8 Leonov, Aleksei 15,16 Luftmotstand for satellitter 55 Luna 9 18

Edwards Air Force Base 33 Endeavour 29, 70 Enterprise 29 ESA 42 EURECA 60,70 Explorer 1 47

Mars 74 Materialforskning 69 Merbold, Ulf 42, 43 Mercury 15 Mikrogravitasjon 51,60 Mikrogravitasjonsprogrammer 60 Militære satellitter 9 Mir 26 MMU 28 Muskelsvinn 63 Månebase 73 Månelandingsfartøyet 18,20 NMR 11

Falltårn 59 Faststoffmotorer 29 Fl are s 46 Freedom 26,71

Gagarin, Jurij 14 Gemini 16 Glenn, John 16 Gravitasjonsforstyrrelser 56 Gravitasjonskraft 54 Gravitasjonsloven 51 Gray, Gy 49

Nordlyset 46 Nyttesatellitter9

82