Deze woensdag 12 februari, ESA's nieuwste missie zal het vacuüm van de ruimte betreden, niet aan boord van een raket, maar door te worden losgelaten uit het internationale ruimtestation. De eerste taak van de Qarman CubeSat ter grootte van een schoenendoos is simpelweg vallen. Terwijl typische ruimtemissies orbitaal verval weerstaan, Qarman zal maand na maand naar beneden drijven totdat het weer in de atmosfeer komt, op dat moment zal het een schat aan gegevens verzamelen over de vurige fysica van terugkeer.

Technisch ESA's 'QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on Ablatie', Qarman, bereikte een baan op 5 december, vliegen als vracht op SpaceX's Dragon-capsule naar het ISS. De nanosatelliet is een CubeSat die bestaat uit gestandaardiseerde dozen van 10 cm:met een lengte van slechts 30 cm past hij gemakkelijk aan boord, opgeborgen in het commerciële Nanoracks CubeSat Deployment System.

Maar op woensdag komt de volgende grote sprong voor de ambitieuze mini-missie. Astronaut Andrew 'Drew' Morgan zal de Nanoracks-implementer nemen en deze door de luchtsluis van de Japanse Kibo-module plaatsen. Vanaf hier zal de robotarm van de module - het Japanse Experimental Module Remote Manipulator System - de uitvoerder positioneren voor een veilige oriëntatie weg van het station, dan wordt Qarman de ruimte in geschoten.

"Vanaf daar denken we dat het ongeveer zes maanden zal duren om de atmosfeer weer binnen te gaan - om erachter te komen hoe nauwkeurig we het orbitale verval van Qarman kunnen voorspellen, is een deel van de reden waarom we de missie vliegen, relevant voor de studie van ruimtepuin, " legt prof. Olivier Chazot uit, hoofd van de afdeling Lucht- en Ruimtevaart van het Von Karman Instituut in België. Dit internationaal gesponsorde kenniscentrum voor vloeistofdynamica heeft de Qarman-missie ontwikkeld in samenwerking met de technische specialisten van ESA in het Directoraat Technologie, Engineering en kwaliteit bij ESTEC in Nederland.

Vorm volgt functie:Qarman's kenmerkende shuttle-achtige profiel, met zijn kwartet inzetbare zonnepanelen, is ontworpen om de atmosferische weerstand op de kleine CubeSat te vergroten, haar terugval naar de aarde bespoedigen.

"Vervolgens, zodra het terugkeerproces begint, op ongeveer 90 km hoogte, deze panelen houden de oriëntatie van de satelliet stabiel, het minimaliseren van tuimelen, " voegt prof. Chazot toe.

"Voor maximale stabiliteit moeten we het zwaartepunt naar voren en het drukpunt naar achteren hebben. en het inzetten van de panelen verplaatst het drukcentrum naar achteren.

"Dit zal helpen om de verwarming op Qarmans vierkante neus te concentreren, die is gemaakt van kurk - niet het soort dat je in champagneflessen aantreft, maar een zorgvuldig op maat gemaakte ruimtevaartvariëteit, geleverd door het Portugese bedrijf Amorim en gebruikt in tal van thermische beveiligingssystemen voor ruimtevaartuigen."

Als kurk opwarmt, zwelt het materiaal eerst op, dan schilfers dan eindelijk weg, ongewenste warmte mee te voeren. Het is dit 'ablatieproces' dat het Qarman-team wil onderzoeken.

"Ablatie is een beproefde methode voor thermische bescherming, bijvoorbeeld gebruikt door ESA's Intermediate Experimental Vehicle, IXV, " zegt Prof. Chazot. "We zullen ons klassieke begrip van het proces toetsen aan de waargenomen realiteit met behulp van thermokoppels, druksensoren en ook een spectrometer ingebed onder de kurk in Qarmans neus. Als we met een kleine camera naar buiten kijken, kunnen we de spectra van de stromingsstraling in de schoklaag meten, evenals de soorten die worden uitgezonden door de brandende kurk."

De stabiliteit die wordt geboden door de zijpanelen van Qarman en het zwaartepunt aan de voorkant zou de CubeSat ook in staat moeten stellen zijn bevindingen naar commerciële Iridium-telecommunicatiesatellieten te verzenden - van plan om ongeveer 20 minuten aan terugkeergegevens in drie tot vijf minuten te verzenden.

Een innerlijke 'overlevingskit' met instrumenten en elektronica en bekleed met beschermende keramische koolstofmatrix met aerogelbescherming zal waarschijnlijk de terugkeer overleven, maar zal niet worden hersteld, hoogstwaarschijnlijk in de zee spatten.

"We hebben een rol gespeeld in veel ESA-programma's, zoals de IXV, het toekomstige herbruikbare ruimtevaartuig Space Rider, evenals de Vega-C en Ariane 6 draagraketten, " merkt prof. Chazot op, "maar tot nu toe hebben we ons gericht op de modellerings- en experimentele simulatiekant.

"Dit soort tests kunnen je echter niet alles vertellen wat we willen weten - om onze codes echt te valideren en de realiteit van de betrokken fysica te begrijpen, we moeten echt in de ruimte vliegen.

"Het idee ontstond om onze eigen CubeSat te ontwerpen toen we het door de Europese Commissie geleide QB50-programma uitvoerden, dat was een internationaal CubeSat-netwerk om onderzoek naar lagere atmosfeer en terugkeer uit te voeren. We hebben de hele missie ontworpen en gebouwd, inkopen van onderdelen en expertise indien nodig, met waardevolle technische en organisatorische ondersteuning van ESA. Als vervolg hierop zijn we geïnteresseerd in het ontwerpen van een herstelbare 'black box' terugkeermissie."