science >> Wetenschap >  >> Natuur

Heliumballonnen bieden goedkope vluchten naar de stratosfeer

Lichtgewicht heliumballonnen kunnen ons vertellen hoe gassen in de atmosfeer de omgeving hieronder beïnvloeden. Krediet:Philipp Maier/ORISON

Door gebruik te maken van kant-en-klare technologie en innovatieve economie, lichtgewicht heliumballonnen zijn begonnen met op afstand bestuurbare laboratoria naar de rand van de ruimte en terug, het bieden van de businesscase voor nieuwe soorten wetenschappelijke missies.

Er is meer in de lucht dan op het eerste gezicht lijkt. De gassen die onze planeet omringen, verspreiden lichtgolven, dimmen hun helderheid en verwarren hun kleuren, zoals gezien door de rode, sinaasappels en paars zichtbaar in de lucht bij zonsondergang.

Het maakt de aarde tot een veilig en schilderachtig toevluchtsoord, maar ook luidruchtig voor wetenschappers die de omgeving bestuderen.

'Bij het bestuderen van de atmosfeer, hoogte is belangrijk, ' zei professor Klaus Pfeilsticker, een omgevingsfysicus gespecialiseerd in teledetectietechnieken aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland.

De atmosfeer interfereert met alle signalen die kunnen worden gebruikt om het te onderzoeken. Dit vertroebelt experimentele resultaten en maakt het bijzonder moeilijk om de hoogte te bepalen waarop luchtverschijnselen plaatsvinden.

Moleculen

Het onderzoek van prof. Pfeilsticker richt zich op de invloed van gassen op het milieu, met heliumballonnen kijken welke moleculen er boven ons te vinden zijn, en hoe ze het leven hieronder beïnvloeden.

Zijn werk is gecentreerd rond op halogeen gebaseerde gassen, die op het eerste gezicht onschuldig lijken. Bijvoorbeeld, dibroommethaan en bromoform worden geproduceerd door microalgen in de oceaan en hun chemische bindingen reageren zo snel dat ze zelden ver afdrijven van de ecosystemen die ze vrijgeven.

Maar met de juiste rugwind, ze kunnen 14 kilometer boven de oceanen zweven en grote schade aanrichten in de ozonlaag.

Onderzoekers gebruiken ballonnen om de rand van de ruimte te bereiken. Krediet:Alejandro Sánchez/ORISON

Vier jaar geleden, Prof. Pfeilsticker coördineerde een door de EU gefinancierd onderzoeksproject genaamd SHIVA om aan te tonen dat kortlevende halogeenhoudende gassen evenveel ozon afbreken als de verontreinigende stoffen die verboden zijn door het Montreal Protocol, een internationale overeenkomst om de ozonlaag te beschermen, gemaakt in 1987.

Deze schade wordt gecompenseerd door de natuurlijke snelheid waarmee ozon zich hervormt. Maar naarmate klimaatverandering oceanen en luchtstromen verwarmt, meer halogeenverbindingen zouden de stratosfeer kunnen binnendringen en het gat in de ozonlaag kunnen vergroten op manieren die we niet met regelgeving kunnen beheersen.

Het SHIVA-consortium slaagde erin de impact van deze kortlevende gassen te kwantificeren omdat het de resultaten ter plaatse controleerde.

Projectpartners vlogen 12 kilometer hoog met vliegtuigen om luchtmonsters boven de wolken te verzamelen en hun grondmetingen te kalibreren, maar het detailleren van het risico vereist ballonnen op grote hoogte.

De lucht in de ozonlaag is te dun om vliegtuigen door te vliegen, dus de enige manier om daar metingen te doen, is door de instrumenten aan een raket of onder een ballon te binden.

'Met een onderzoeksvliegtuig, SHIVA is er net in geslaagd om de ondergrens van de ozonlaag te grazen, ' zei prof. Pfeilsticker. 'Uiteindelijk, dieper begrip vereist voertuigen die hoger in de stratosfeer kunnen stijgen.'

Philipp Maier van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Duitsland stelt dat ballonnen de meest economische oplossing kunnen bieden.

'Heliumballonnen kunnen een halve ton wetenschappelijke apparatuur meer dan 30 kilometer de lucht in tillen, ' hij zei. Dat zou instrumenten voor chemische analyse tot in het hart van de ozonlaag brengen.

Daten, de belangrijkste beperking voor observatoria op een ballon was hun onhandige manoeuvreerbaarheid. In principe, heliumballonnen kunnen met harde wind naar elke bestemming over de hele wereld varen. In praktijk, de juiste luchtstroom opvangen betekent veel helium afblazen of veel ballast laten vallen, een zwaar materiaal dat wordt gebruikt om stabiliteit te bieden tijdens het drijven.

De atmosfeer van de aarde is op zeeniveau voornamelijk gevuld met zuurstof en stikstof, de lichtere gassen zoals waterstof en helium stijgen op. Krediet:Horizon

De wetenschappelijke apparatuur en onhandige bedieningselementen hebben de neiging om stratosferische ballonmissies in een kwestie van dagen tot een niet-gescripte afdaling te brengen, soms schade toebrengend aan hun kostbare lading en het verhogen van veiligheidsproblemen beneden.

Dr. José-Luis Ortiz van het Instituut voor Astrofysica van Andalusië, Spanje, is ervan overtuigd dat de technologie voor beter sturen en veiliger landen bestaat. De uitdaging is om het te verpakken in een verkoopbaar product.

Systemen met twee ballons

'Er zijn slimmere manieren om te duiken en te stijgen, ' zei dokter Ortiz. 'Twee-ballonsystemen waarbij de ene helft kan uitzetten terwijl de andere stijf blijft, zou, bijvoorbeeld, ballast overbodig maken.'

Andere incrementele verbeteringen kunnen de vluchtduur verlengen en de nuttige lading van de ballon herbruikbaar maken. Dr. Ortiz noemt de miniaturisering van elektronische componenten als een voorbeeld van hoe geleidelijke verbeteringen ervoor zorgen dat ballonladingen lichter en goedkoper te assembleren zijn. Zijn partners hebben telescopen in de lucht bestuurd met dezelfde Raspberry Pi-computerchips waarmee hobbyisten zelfgemaakte robots kunnen bouwen.

Als onderdeel van het door de EU gefinancierde project ORISON, een wetenschappelijk consortium onder leiding van Dr. Ortiz is een partnerschap aangegaan met EY, het grootste accountantskantoor van Europa. Samen werken ze aan een businessplan voor drijvende instrumenten naar de stratosfeer.

'Vandaag, wetenschappers die aan ballonmissies beginnen, moeten veel van de apparatuur zelf bouwen, ' zei dokter Ortiz. ORISON streeft ernaar volledig functionele observatoria onder te verhuren, zodat hun klanten zich kunnen concentreren op het onderzoek. Volgens dokter Ortiz, dit is vergelijkbaar met het businessmodel van veel telescopen op de grond.

Hoewel goedkope vluchten naar de stratosfeer veel onderzoeksgebieden zouden kunnen aanspreken, De eerste doelgroep van ORISON zijn astronomen. Projectpartners hebben dit jaar testvluchten uitgevoerd waarbij ze honderden close-contactfoto's met meteoren hebben gemaakt.

Drijvende telescopen bieden sterrenkijkers de voor de hand liggende voordelen om boven bewolkt weer uit te stijgen en te voorkomen dat signalen worden geabsorbeerd door ultraviolet en nabij-infrarood. 'Het is spannend om water op andere planeten te zien, ' zei Maier.