In een artikel in de Volkskrant van 14 oktober 2024 wordt de lancering gemeld door NASA van ruimtesonde Europa Clipper, een missie die op zoek moet gaan naar leven onder het ijs van Jupiters maan Europa.
Europa Clipper zal om Jupiter heen draaien en daarbij 49 keer dicht langs de maan Europa passeren om gegevens te verzamelen die nodig zijn om te bepalen of er onder de dikke bevroren korst plekken zijn die leven mogelijk kunnen maken.
Europa is een maan vol ijs, met daaronder een veronderstelde oceaan. In die oceaan is in potentie tweemaal zoveel vloeibaar water te vinden als in alle aardse oceanen bij elkaar. En, net zo belangrijk: al dat vloeibare water zou best eens alle essentiële bouwstenen kunnen bevatten die er op aarde voor zorgden dat leven ontstond.
a) Bepaal hieruit hoeveel vloeibaar water er onder het ijs van Europa zit.
De totale hoeveelheid water die op aarde in oceanen als zout water en op het land als zoet water gezamenlijk zit, bedraagt circa 1,35 miljard km³. (Zie bij voorbeeld deze website). Dus is de hoeveelheid water onder het ijs op Europa gelijk aan 2,7 miljard km³.
De sonde is de grootste in zijn soort en heeft een speciale stralingskluis. In deze opgave gaan we daar wél verder op in.
De meest gevoelige elektronica van Europa Clipper is ingepakt in een speciaal voor de missie ontwikkelde stralingskluis, gemaakt van dik aluminium. Jupiter wordt namelijk omringd door een krachtig magneetveld, zo’n twintigduizend maal sterker dan dat van de Aarde. Zie bij voorbeeld deze website..
b) Bepaal met bovenstaande informatie welke sterkte het magneetveld aan het opperlak van Jupiter ongeveer heeft.
De sterkte van het aardmagneetveld bedraagt bij de polen 60 microtesla en bij de evenaar 30 microtesla (te vinden op internet, bij voorbeeld Wikipedia). Dus is de veldsterkte van Jupiter minimaal 2,0 . 104 * 30 . 10-6 = 0,6 T.
Geladen deeltjes afkomstig van de zon (voornamelijk elektronen en protonen), worden afgebogen door dit magneetveld en kunnen rond de veldlijnen blijven bewegen.
c) Hoe heet de kracht die daarvoor zorgt?
De lorentzkracht.
d) Leg uit hoe hierdoor de Europa Clipper een hoge stralingsdosis op zal lopen.
Het magneetveld buigt geladen deeltjes rond Jupiter af, waardoor ze rond Jupiter kunnen blijven bewegen. Ze worden als het ware ingevangen. Zo zijn er in de loop van de tijd grote aantallen deeltjes ingevangen die bij Jupiter blijven. De sonde beweegt door die verzameling deeltjes heen, waardoor hij veel straling ontvangt.
Het ruimteschip ontvangt tijdens elke passage van Europa het stralingsequivalent van zeven miljoen röntgenfoto’s in het ziekenhuis.
e) Bepaal hieruit het dosisequivalent bij elke passage.
Zoeken op internet levert dat de blootstelling aan straling bij een gewone röntgenfoto ongeveer 0,02 mSv bedraagt. Zie bijvoorbeeld deze website.
Dus het dosisequivalent van een passage is 7,0 . 106 * 0,02 . 10-3 = 35 Sv.
De ‘vleugels’ van Europa Clipper bestaan uit zonnepanelen. Elke vleugel is 14,2 m lang en 4,1 m breed. Het is daarmee het grootste ruimteschip dat NASA ooit ontwikkelde voor een planetaire missie.
De zonnepanelen zijn naar verhouding groot om ook zo ver van de zon nog voldoende energie op te vangen. De intensiteit van het zonlicht bij Jupiter is vanwege zijn afstand namelijk slechts zo’n 4 procent van die bij de Aarde. Binas tab 31 laat zien dat Jupiter ongeveer 5 keer zo ver van de zon staat als de Aarde.
f) Laat met een berekening zien dat de gegevens uit de laatste twee zinnen met elkaar overeenkomen.
Voor de stralingsintensiteit geldt I = Pbron /4πr². Jupiter staat 5 maal zo ver weg als de Aarde, dus is de stralingsintensiteit daar 5² = 25 keer zo klein (of netter geformuleerd (1/5)² = 1/25 maal zo groot als die op de aarde). Dit is gelijk aan 4%.
Het rendement van zonnepanelen die in de ruimte gebruikt worden is 30 %.
g) Bepaal het vermogen dat de zonnepanelen maximaal kunnen leveren.
De zonneconstante van de aarde bedraagt 1,4 . 103 W m-2. (Zie Binas tabel 32C.)
De stralingsintensiteit van de zon bedraagt bij Jupiter dus 0,04 * 1,4 . 103 W m-2 = 56 W m-2.
De totale oppervlakte van de zonnepanelen is 2 * 14,2 *4,1 = 116 m2
Bij loodrechte inval ontvangen de panelen dus 56 * 116 =6,5 kW. Met een rendement van 30% leveren ze dus maximaal 6,5 * 0,3 = 2 kW.
De sonde heeft meer dan tien wetenschappelijke instrumenten aan boord, van een radarsysteem om de ijslaag van Europa in kaart te brengen tot een zogeheten massaspectrometer die aan de atmosfeer van Europa kan ‘snuffelen’ om de chemische samenstelling ervan in kaart te brengen.
Hier gaan we niet verder op in. Als je meer wil weten, kun je kijken op Wikipedia en zijn er twee video’s te vinden:
(Korte introductie van1.14 minuut)
(Langere film van 5 minuten)
