Mens vi venter på danskers rummission: 5 store videnskabelige opdagelser, der gør det muligt at sende danske Andreas Mogensen på rummission

Lørdag kl. 9:27 dansk tid drager fire internationale astronauter på en seks måneder lang rummission. Den danske astronaut Andreas Mogensen er besætningsmedlem og piloten, der skal styre SpaceX-fartøjet fra Kennedy Space Center i Florida til den internationale rumstation, ISS, der kredser rundt om jorden i ca. 400 kilometers højde.

Her skal de frem til februar udføre eksperimenter og dataindsamling i forbindelse med en lang række danske og internationale forskningsprojekter fra universiteter og virksomheder.

Dette er dog kun muligt i dag, fordi fysikere og andre forskere igennem mange hundrede år har begået en lang række videnskabelige opdagelser – hernede på Jorden.

Her får du et indblik i 5 af de mest betydningsfulde opdagelser, der gør rumrejser mulige.

#1 - Newtons Tyngdelov

Vi starter med en gammel kending helt tilbage fra 1687, hvor den britiske fysiker og matematiker Isaac Newton udgiver sine tre love om de kræfter, der påvirker et objekts bevægelser.

- For den internationale rumstation er det tyngdekraften, der betyder, at den kan blive i en cirkelbane rundt om Jorden ligesom månen bliver i sin bane rundt om jorden. Og der er fart på! Faktisk når rumstationen 16 gange rundt om jorden i løbet af et døgn.

Det fortæller professor Mads Toudal Frandsen, der underviser de fysikstuderende på Syddansk Universitet i Odense og forsker i mørkt stof.

- Selvom vi er flere hundrede år tilbage med Newton, så er det stadig hans forståelse af tyngdekraften, der er udgangspunktet for de beregninger, der ligger til grund for at sende en rumstation i kredsløb om Jorden og for at sende astronauterne til rumstationen og hjem igen, forklarer han.

#2 – Tsiolkovslijs raketligning

Når man taler om rumrejser, så taler man også om store afstande. Derfor kan selv bittesmå afvigelser fra ruten hen til destinationen føre til, at man misser målet med enorme marginer.

- Her er russiske Konstantin Tsiolkovslijs raketligning fra 1903 også helt afgørende for, at Andreas Mogensen kan styre sig selv og sine tre astronautkolleger frem til ISS. Ligningen tager nemlig højde for den forandring, der er i fartøjets samlede masse – eller vægt – under rejsen. I takt med at mere og mere raketbrændstof bliver brændt af for at skabe fremdrift, så falder fartøjets samlede masse. Derfor skal der også bruges gradvist mindre og mindre kræfter til at påvirke retningen og farten på SpaceX-fartøjet, forklarer Mads Toudal Frandsen.

- Uden denne ligning ville det simpelthen ikke være muligt at beregne den optimale bane, man skal følge for at nå sikkert frem til rumstationen, siger han.

#3 - Kvantemekanik og solceller

En rumstation bruger en masse energi, som man ikke bare lige kan transportere fra Jorden og 400 km ud i rummet. Det ville være alt for tungt, besværligt og dyrt.

Derfor er det nødvendigt at kunne generere sin egen strøm på den internationale rumstation. Men når der ikke er nogen atmosfære, så er vindenergi ikke en mulighed. Til gengæld er der masser af sollys, der kan omdannes til elektricitet ved hjælp af solpaneler.

- Her skal vi takke for den viden, vi har om kvantemekanik og den fotoelektriske effekt, siger Mads Toudal Frandsen.

- Faktisk skal vi helt tilbage til 1839, hvor den franske fysiker Alexandre-Edmond Becquerel første gang opdagede, at visse materialer genererer en lille elektrisk strøm, når de udsættes for sollys, forklarer han.

Meget er sket siden da og med kvantemekanik har det været muligt at optimere solceller, så de i dag er meget mere effektive og derfor kan anvendes på rumstationen.

- Men opdagelsen i 1839 er altså grundlaget for udviklingen af solceller, siger Mads Toudal Frandsen.

#4 - Forståelsen af kosmisk stråling

Kosmisk stråling består hovedsageligt af elektrisk ladede partikler fra verdensrummet. Hernede på Jorden har atmosfæren absorberet meget af energien fra den kosmiske stråling, men desto længere ud man bevæger sig i atmosfæren desto mere intens – og farlig – bliver den kosmiske stråling.

- Når vi kommer ud til den internationale rumstation, så er den kosmiske stråling meget kraftig, fordi der ikke er nogen atmosfære til at svække den. Derfor kræver det, at astronauterne er godt beskyttede mod strålingen, siger Mads Toudal Frandsen.

Udover den konstante kosmiske stråling kan der komme solstorme, som er en udledning af partikler fra solen.

- Det er dem vi ser som polarlys, når de rammer Jordens magnetfelt ved polerne, forklarer han.

Selvom atmosfæren beskytter os mod solstormene, så kan de til tider være kraftige nok til at forårsage forstyrrelser i elektronik på Jorden. Eksempelvis førte en særligt kraftig solstorm i 1989 til et ni timer langt strømsvigt i Canada.

- På et rumfartøj som SpaceX Dragon eller den internationale rumstation ville sådanne forstyrrelser i de elektroniske systemer være fatale, men fordi vi i dag forstår kosmisk stråling og solstorme, så kan vi indrette fartøjer og rumstationer, så de beskyttet mod denne trussel, siger Mads Toudal Frandsen.

#5 – Einsteins generelle relativitetsteori

Einstein's relativitetsteori er vigtig for kommunikationen mellem rumfartøjer og Jorden. Med denne teori kan man nemlig tage højde for, at både tyngdekraftens styrke og farten mellem to objekter påvirker, hvordan tiden går. Den svagere tyngdekraft i rummet påvirker tiden anderledes, end den stærkere tyngdekræft på Jorden gør. Jo stærkere tyngdekraft desto langsommere går tiden.

- Og det påvirker nøjagtigheden i de signaler, vi sender frem og tilbage mellem Jorden, SpaceX-fartøjet og ISS, når vi skal kommunikere med hinanden, siger Mads Toudal Frandsen.

Kommunikationen i mellem Jorden og rumstationen er nemlig båret af elektromagnetiske bølger. Men længden på bølgerne påvirkes af farten på afsenderen. Derfor har et signal heller ikke den samme frekvens, når det modtages på Jorden, som det havde, da det blev sendt af sted fra rumstationen.

- Det bliver man nød til at korrigere for, så Andreas Mogensen og de andre astronauter kan kommunikere med deres kolleger – og familier – nede på Jorden, siger Mads Toudal Frandsen.

Fra grundforskning til rumrejser

Da Newton opdagede tyngdekraften, havde han ingen anelse om, hvad hans arbejde med fysikkens love ville kunne føre med sig. Det samme gælder for Tsiolkovslij, Becquerel, Einstein og nutidens fysikere, som i dag forsker på universiteterne i en søgen efter en bedre forståelse af universet og de naturlove, der får det hele til at hænge sammen.

- Det er et vilkår, når man arbejder med grundforskning, at man ikke med sikkerhed kan sige, hvad den nye viden kan bruges til, siger Mads Toudal Frandsen, der selv forsker i mørkt stof.

- Men når vi ser på historien, så får vi bekræftet gang på gang, at den helt grundlæggende viden, der kommer ud af fysikforskningen, kan føre til fantastiske og utrolige teknologier og være med til at forandre vores verden, siger han.