Vandaag is het 40 jaar geleden dat de eerste bemande ruimtemissie van ESA opsteeg. Vergezeld door de eerste ESA-astronaut, Ulf Merbold, vloog de Spacelab-module in het vrachtruim van de Space Shuttle en veranderde de 'ruimtetruck' van de NASA in een mini-ruimtestation voor wetenschappelijk onderzoek. Europa is nog steeds zeer actief op het gebied van bemande modules. Na Spacelab kwam ESA's Columbus laboratorium naast vele andere modules van het internationale ruimtestation ISS, Node 2, Node 3 en de Cupola die de aarde bekijkt, het ATV en Cygnus vrachtruimteschip, de European Service Module van de Orion maanlander, modules voor het privé Axiom ruimtestation en nu cruciale elementen van het Gateway station dat in een baan om de maan zal draaien.
De industriële erfenis van Spacelab is duidelijk. De betrokken bedrijven zijn sinds de jaren 1970 verschillende keren van naam veranderd, maar drukschalen (drukvaten of drukcabines) worden nog steeds gemaakt van een voor de ruimtevaart geschikte aluminium-koperlegering 2219 in Turijn, Italië - in een gebouw dat tegenwoordig wordt gerund door Thales Alenia Space. In sommige gevallen worden deze omhulsels ter plekke in Turijn geïntegreerd, zoals in het geval van de Gateway-modules van ESA. Voor andere productlijnen, zoals de Orion ESM's, worden ze in de integratiehallen in het Duitse Bremen voorzien van de apparatuur die nodig is om ze ruimtewaardig te maken, zoals meer dan vier decennia geleden werd gedaan voor Spacelab. Tegenwoordig maken deze deel uit van een faciliteit van Airbus Defence and Space.
Vacuüm op afstand houden
Drukschalen zijn een fundamenteel onderdeel van het ontwerp van modules om het externe vacuüm op afstand te houden. Ze zijn gemaakt van metalen platen van een paar millimeter dik, in de vorm van cilinders, begrensd door conische uiteinden. Spacelab was 6,7 m lang met een diameter van 4,1 m, de laatste bepaald door de afmetingen van de Shuttle laadruimte waarin het zat. Columbus en de andere ISS-modules van Europese makelij hebben om dezelfde reden een iets grotere diameter. Ter vergelijking, ESA's International Habitat module voor de Gateway, I-Hab is ongeveer 8 m lang maar slechts 3 m in diameter, dezelfde breedte als de in Turijn gemaakte drukschaal voor de ISS-herstellende Cygnus. ESA's andere Gateway-module, de ESPRIT bijtankmodule is 6,4 m lang en 4,6 m in diameter, hoewel een groot deel van het volume in beslag wordt genomen door brandstoftanks, plus een druktunnel met raam waar astronauten doorheen kunnen, die dezelfde lengte en diameter heeft als I-Hab.
"Gateway-elementen zijn misschien kleiner dan eerdere Europese modules, maar ze zouden ook sterker moeten zijn", legt Joao Gandra, materiaal- en procesingenieur bij ESA, uit. "Het grote verschil is dat ze nu - net als bij de nieuwste Axiom en Cygnus drukschalen van Europa, zijn gelast met behulp van 'friction stir welding', waarbij metalen zachter worden in plaats van smelten en door middel van wrijving aan elkaar worden verbonden. Terwijl traditioneel lassen spanningen in de verbindingen kan veroorzaken, resulteert deze techniek in sterkere lassen met betere prestaties."
"Tegenwoordig worden al onze modules op deze manier gemaakt," voegt Walter Cugno toe, VP Exploration and Science bij Thales Alenia Space, die als product assurance engineer aan Spacelab heeft gewerkt. "Ons vermogen om drukelementen te leveren, in eerste instantie opgebouwd via ESA-projecten, samen met bilaterale overeenkomsten tussen het Italiaanse ruimtevaartagentschap ASI en NASA om ISS-modules te produceren, is een belangrijke troef voor alle menselijke exploratie-initiatieven, in een lage baan om de aarde, op de maan en uiteindelijk op Mars." De I-Hab zal dienen als woonruimte aan boord van de multi-module Gateway voor bemanningen van vier personen voor maximaal 30 dagen per keer. Mark Wagner, die leiding geeft aan ESA's Lunar Gateway Baseline, Verification and Assembly, Integration and Testing Team, helpt ervoor te zorgen dat de module klaar is voor gebruik en een lancering die momenteel gepland staat voor 2028.
Werken met Gateway partners
Mark legt uit: "Dit is slechts één module die deel uitmaakt van een station met meerdere modules, dus we moeten verifiëren dat I-Hab compatibel is met alle interfaces die zijn overeengekomen met onze partneragentschappen zoals NASA, het Canadese ruimteagentschap en het Japan Aerospace Exploration Agency. Bovendien lopen onze ontwikkelingsschema's niet parallel: NASA's HALO-module, waarvan de drukschaal ook uit Turijn komt, en het Power and Propulsion Element moeten eerst samen vliegen. We moeten er zeker van zijn dat alle intermodule interfaces en functies compatibel zijn met de rest van het internationale Gateway programma.
"Het Environmental Control and Life Support System van I-Hab, dat ons wordt geleverd door JAXA, moet bijvoorbeeld samenwerken met het equivalent daarvan in HALO. Het warmteregelsysteem van de I-Hab module is door middel van warmtewisselaars verbonden met de andere modules en de voertuigen die de hele Gateway buitenpost bezoeken om de warmtelast via externe gepompte radiatoren af te voeren naar de diepe ruimte. Deze en andere gecombineerde systemen moeten feilloos samenwerken."
Kleine ruimtes
De relatief kleine afmetingen van I-Hab werden bepaald door de beperkingen van de lanceermassa. De ontwerpers van de module moesten de uitdaging aangaan om alle benodigde systemen in slechts 10 kubieke meter bewoonbaar volume te passen, inclusief wetenschappelijke apparatuur, kookfaciliteiten inclusief een uittrekbare kombuis, opslag, levensvoorzieningen en zelfs een kwartet privécabines om te slapen. "Eerdere ISS-modules, zoals Spacelab daarvoor, waren ontworpen met een boven- en benedenoriëntatie omdat astronauten dat makkelijker vinden om mee te werken. Met I-Hab hebben we die luxe niet echt, omdat we zo efficiënt mogelijk gebruik moeten maken van alle beschikbare ruimte, terwijl we tegelijkertijd moeten voldoen aan alle vereisten op het gebied van menselijke factoren en bemanningsprestaties."
Voorlopig is er echter nog geen toilet; daarvoor moet de bemanning terug naar Orion. En vroege expedities zullen hun eigen verbruiksgoederen moeten meenemen, een van de redenen dat missies beperkt zullen zijn tot 30 dagen per keer, samen met de hoge niveaus van straling in de diepe ruimte. Dus voor het grootste deel van elk jaar zal de Gateway onbemand zijn en zal er dus toezicht moeten zijn.
Testen door astronauten
Om te controleren of I-Hab een geschikte plaats is om in te leven en te werken, heeft het ontwikkelingsteam van de module zich gewend tot ervaren ESA-astronauten, waaronder Samantha Cristoferreti, Alexander Gerst en Luca Parmitano, voor vroege 'human in the loop'-ontwerpbeoordelingen. Er zullen ook menselijke testcampagnes worden uitgevoerd op basis van een representatieve mock-up van I-Hab, geïnstalleerd bij Thales Alenia in Turijn, en er zal gebruik worden gemaakt van VR - en in de toekomst zullen beide worden gecombineerd in de vorm van augmented reality-toepassingen.
"We willen echt gebruik maken van de ervaring die ze hebben opgedaan tijdens hun werk aan boord van het ISS," voegt Mark toe. "Ze helpen ons ontwikkelingsteam om allerlei variabelen te controleren, zoals de kwaliteit van de verlichting, de leesbaarheid van labels, de indeling van nooduitgangen en zelfs de bemanningscompartimenten - hoe geschikt ze zijn voor privacy en slaap." I-Hab streeft naar dezelfde werkomgeving met hemdsmouwen als Spacelab en de ISS-modules, met een temperatuur van 22°C en een luchtvochtigheid van 50%, hoewel de atmosferische druk 0,7 atmosfeer zal zijn in vergelijking met de druk op zeeniveau die op het station heerst, om de massa te verminderen.
Mark voegt hieraan toe: "Ondanks het feit dat I-Hab kleiner is, zal het meer inclusief zijn in de zin dat we ontwerpen voor 99% astronautenaccommodatie, wat betekent dat bijna alle allerkleinste vrouwelijke astronauten tot de grootste mannelijke astronauten in staat zullen zijn om apparatuur gemakkelijk en comfortabel te bedienen - zoals het openen van luiken of het snel loskoppelen van vloeistofleidingen - in vergelijking met een equivalent 95 percentiel cijfer voor het ISS." De ontwikkeling van I-Hab heeft de Preliminary Design Review (PDR) doorlopen en bevindt zich momenteel in de gedetailleerde ontwerpfase. Voor de tweede door ESA geleverde Gateway-module, ERM - de ESPRIT bijtankmodule, wordt momenteel de laatste hand gelegd aan de contractuele overeenkomst.
Dit nieuwste voorbeeld van de ontwikkeling van een Europese bemande module heeft een ontwerplevensduur van 15 jaar, maar te oordelen naar het voorbeeld van het ISS zal het waarschijnlijk nog veel langer in bedrijf blijven. Gebaseerd op de huidige architectuur van de maan Gateway buitenpost, zal meer dan de helft van dit inspirerende ruimtestation van Europese oorsprong zijn. En het lijkt erop dat Europa's basismodel voor Spacelab-modules nog verder de ruimte in zal gaan, aangezien ASI en Thales Alenia Space onlangs een contract hebben getekend voor het ontwerpen van modules voor het maanoppervlak, die zullen functioneren als onderdeel van een toekomstige maanbasis.
De bouw van NASA's HALO en ESA's I-Hab modules bij Thales Alenia Space in Italië - Foto: ESA
Bron: ESA
