Body text
Hoe werken elektrische sondes?
Elektrische sondes zijn interessante instrumenten voor het karakteriseren van het elektrisch geladen gas (ook wel bekend als "plasma") dat overal aanwezig is in de interplanetaire ruimte en rond hemellichamen zoals kometen en planeten. Een dergelijke sonde bestaat uit een elektrisch geleidend oppervlak – in dit geval een holle aluminium bol met een diameter van 8 cm – waarmee elektrische lading wordt uitgewisseld met het omringende plasma.
Het ruimtevaartuig zelf, met zijn veel grotere buitenoppervlak, functioneert als één grote elektrische sonde. Door een elektrisch spanningsverschil aan te leggen tussen de sonde en het ruimtevaartuig onstaat er een elektrische stroom. Wetenschappers meten deze stroom terwijl ze de spanning variëren.
Op die manier kunnen ze afleiden hoeveel elektrische ladingsdragers (zoals elektronen en ionen) er in de omgeving zijn (de plasmadichtheid) en hoe mobiel ze zijn (de plasma-energie of temperatuur).
Door de metingen van beide sondes met elkaar te vergelijken, kunnen wetenschappers het elektrische veld (in één richting) bepalen. Dankzij de hoge meetfrequentie is het mogelijk om elektrische golven die van nature in het plasma voorkomen, te detecteren. In combinatie met een zender kunnen de sondes bovendien zelf een golf in het plasma uitzenden en luisteren naar de reactie van het plasma. Dit is een veelbelovende actieve sondeertechniek.
Om verstoringen door het ruimtevaartuig zelf te vermijden, worden de sondes gemonteerd aan het uiteinde van twee één meter lange armen.
Bouwen van testmodellen in nationale en internationale samenwerking
Na het ontwerpen van de sondes – op basis van eerdere testresultaten die met een prototype waren verkregen – was het onze taak om zowel de Structurele en Thermische Modellen (STMs) en de Elektrische en Functionele Modellen (EFMs) te bouwen.
De meeste componenten werden besteld en geproduceerd via onze Belgische industriële partners. Voor enkele zeer specifieke onderdelen deden we een beroep op onze eigen mechanische werkplaats. Ook het aanbrengen van een elektrisch geleidende zwarte coating op de sondes gebeurde door de Belgische industrie.
Elke sonde werd vervolgens geassembleerd op het uiteinde van zijn arm. Eén van de armen is uitvouwbaar en werd geleverd door de Technische Universiteit van Braunschweig. De andere arm is rigide en werd gebouwd door het Zweedse Instituut voor Ruimtefysica in Kiruna.
Probleemoplossing tijdens de integratie: herontwerp van het interne schild van de gecombineerde sonde
Over het algemeen verliep de integratie van de sondes aan de uiteinden van de armen goed. Toch werden we met een probleem geconfronteerd bij de twee assemblage van de zogenaamde "gecombineerde sonde", die een magnetometer-sensor bevat binnenin de sonde.
Om te vermijden dat de magnetometer de elektrische metingen zou beïnvloeden, voorziet ons ontwerp in een elektrisch geleidend scherm of "intern schild" dat tussen de magnetometer en de bol wordt geplaatst.
In een eerste prototype werd dit schild gerealiseerd met een dunne folie. Maar tijdens de integratie van het STM-model van de gecombineerde sonde stuitten we op moeilijkheden. De fabrikant had het folie niet op de juiste maat gemaakt. Dat handmatig aanpassen lukte niet naar behoren.
Bovendien bleek de montage van de folie moeilijk reproduceerbaar. Een bijkomende zorg was of de folie zijn vorm zou behouden tijdens de intense trillingen tijdens de lancering (al hadden we daar maatregelen voor genomen).
Daarom besloten we het ontwerp van het interne schild te veranderen en die te maken uit twee aluminium stukken. Deze nieuwe aanpak bleek veel robuuster, eenvoudiger te integreren en beter reproduceerbaar, met slechts een minimale toename in gewicht.
Uiteindelijk werden de EFM-modellen betrouwbare kopieën van de vluchtinstrumenten die in 2025 gebouwd zullen worden. Ze werden vervolgens grondig getest op hun mechanische, thermische en elektrische kwaliteiten.
Het hele proces van bouwen en testen heeft zijn waarde bewezen: ontwerpproblemen kwamen tijdig aan het licht en konden adequaat worden opgelost en een volledig montagescenario werd uitgewerkt. We zijn nu goed voorbereid op de bouw van zowel de vlucht- en reserve-modellen.
