Een bachelorproef Fysica van Universiteit Antwerpen heeft Europese vleugels gekregen en vliegt eind dit jaar de lucht in met een weerballon van het REXUS/BEXUS-programma. Dit project is een samenwerkingsverband tussen ESA, DLR, SNSB, ZARM en SSC. Studenten Jeroen Van Houtte, Andy Nieto Martinez, Charlotte Verhoeven en Jesse van Muiden slaagden erin om de High Altitude Cosmic Ray Detector – of kortweg HACORD – als eerste Vlaamse team geselecteerd te krijgen voor het BEXUS gedeelte.
de levensloop van HACORD
In 2012 staken prof. dr. Nick van Remortel van het departement Elementaire-Deeltjesfysica van Universiteit Antwerpen en Werner Poets van het Sint-Niklaasinstituut van Anderlecht de koppen bijeen om met een fysisch experiment op de proppen te komen. Uit hun breinen ontsproot het idee om een eenvoudige detector de lucht in te sturen met een weerballon, om de kosmische straling in onze atmosfeer in kaart te brengen. Zo ontstond een thesisonderwerp voor studenten Fysica, dat met kinderschoenen aan van start ging. In samenwerking met ASGARD vloog de opstelling een eerste keer de lucht in. ASGARD is een project van het KMI, ESERO en Sint-Pieterscollege Jette, dat dankzij de samenwerking met leerlingen van deze middelbare school wil interesseren in wetenschap.
Eind 2013 begon de toenmalige derde bachelorstudent Jeroen Van Houtte mee te werken aan het onderwerp. Hij zorgde dat de opstelling er een derde en vierde Geiger-Müllertube (een instrument om kosmische straling te meten, zie verder) bijkreeg en liet het nog eens opstijgen met ASGARD. Het jaar daarop kreeg Andy Nieto Martinez het experiment op zijn bord. Dankzij professor van Remortel, werd HACORD voorgesteld voor het REXUS/BEXUS-project. Aangezien extra hulp welkom was om het project tot een goed einde te brengen, sprongen Jeroen van Houtte – ondertussen al bekend met het project –, Charlotte Verhoeven en Jesse van Muiden mee op de kar. Zo vormen ze het eerste Vlaamse team dat aan het project mag deelnemen.
HACORD’s anatomie
Het oorspronkelijke doel van het HACORD-project was om de kosmische straling te meten. Een Geiger-Müllertube is hiervoor de ideale apparatuur (figuur 1). Dit is een kathodestraalbuis waardoor een anodedraad loopt, waartussen een hoogspanning wordt aangelegd. Een mengsel van argon- en neongas vult de ruimte tussen de twee op. Wanneer kosmische straling dit gas ioniseert, ontstaat er een cascade van losgeslagen elektronen die naar de centrale anode toe propageren. De ladingen op de anode genereren een spanningspuls, die door de elektronica wordt uitgelezen.
Wanneer HACORD de lucht in mag, wordt het gekoppeld aan een gondel van een weerballon. In het geval van een lancering bij ASGARD wordt deze ballon opgeblazen tot hij een diameter van 1,5 meter heeft. Daarna wordt hij losgelaten. Terwijl de ballon meter per meter klimt, neemt de atmosferische druk geleidelijk af en hierdoor zet de ballon zich steeds verder uit. Komt de ballon op een hoogte van 30 kilometer, dan is de diameter al gegroeid tot ongeveer 10 meter. Door de beperkte elasticiteit van het latexmateriaal, klapt de ballon en stort weer omlaag.
HACORD biedt mogelijkheden
Door het koppelen van de Geiger-Müllertube aan een weerballon, kan het hoogteprofiel van kosmische straling in beeld gebracht worden. Dit blijkt een typische grafiek (figuur 2) te zijn, die redelijk simpel verklaard kan worden (figuur 3) eens je weet hoe kosmische deeltjes zich gedragen.
Voordat kosmische deeltjes doorheen onze atmosfeer geraken, botsen ze aan de bovenkant daarvan (de stratosfeer) met zuurstof- en stikstofmoleculen. Hierdoor ontstaat er een cascade van secundaire deeltjes. Ook zij botsen op hun beurt weer, waardoor er uiteindelijk een hele shower van elementaire deeltjes terug te vinden is tot op het aardoppervlak. De deeltjes geraken tot op zekere hoogte gemakkelijk doorheen de atmosfeer, maar daarna worden ze vaak geabsorbeerd of afgebogen. Dit vinden we terug wanneer de data van het experiment in een curve uitgezet worden. Wanneer we het aantal deeltjes weergeven over de hoogte bepaald door de druksensoren aanwezig op het toestel, kunnen we zien dat het aantal deeltjes in de shower eerst toeneemt ten gevolge van de vele secundaire botsingen. Op lagere hoogte zien we dat de flux afneemt door de absorptie van laagenergetische deeltjes die domineren in het uiteinde van de shower. Een prima voorbeeld dat aantoont hoe de atmosfeer ons beschermt tegen hoogenergetische straling die ons vanuit de ruimte bereikt.
De studenten hopen aan te tonen dat het beschreven hoogteprofiel de zonnecyclus volgt. De laatste jaren bleef de curve vrij stabiel in tijd, wegens het huidige zonnemaximum. Toch kijken ze hoopvol naar de toekomst; de activiteit van de zon neemt stilaan af, waarvan ze de volgende jaren de gevolgen hopen te zien. Maar denk nu niet dat HACORD de laatste jaren heeft stilgezeten. Een laatste upgrade breidde het aantal Geiger-Müllertubes uit naar vier. Door deze in een uitzonderlijke configuratie (figuur 4) te plaatsen, kunnen de vier studenten nu niet alleen ioniserende straling, maar ook de hoekafhankelijkheid ervan meten. Door gelijktijdige hits in de vier tubes te vergelijken, kunnen ze vier ruimtehoeken vaststellen. Hierin onderscheidt HACORD zich van de experimenten van het Lebedev Instituut in Rusland, dat al 70 jaar lang elke dag een gelijkaardig experiment de lucht in stuurt. Hoewel de Russen dus geweldige statistieken bezitten van het hoogteprofiel, heeft het HACORD-team een enorme voorsprong wat de hoekafhankelijkheid betreft. Het idee groeit om de data van beide onderzoeksgroepen te vergelijken; de Russen meten het hoogteprofiel immers op een andere breedtegraad dan het HACORD-team en ook dit heeft een invloed op het hoogteprofiel.
de uitdagingen van REXUS/BEXUS
In december 2014 gingen de studenten naar het European Space Research and Technology Centre (ESTEC) in Noordwijk (Nederland), om hun HACORD-project voor te stellen tijdens een selectieworkshop. Enkele weken later kregen ze te horen dat ze geselecteerd waren voor het REXUS/BEXUS-project, waarvoor ze in februari 2015 naar DLR in Oberpfaffenhofen (Duitsland) mochten trekken om deel te nemen aan de Student Training Week. Een workshop die van harte welkom was, want hoewel de fysica redelijk simpel is, viel er nog heel wat te verbeteren aan de elektronica en software. En aangezien het HACORD-team de enige groep was die uitsluitend uit fysici bestond, konden ze best een helpende hand gebruiken. Maar ook terug in Antwerpen kan het team rekenen op hulp; het departement Elementaire Deeltjesfysica en de mechanische werkplaats van Universiteit Antwerpen staan steeds paraat.
Een week later keerden ze namelijk weer huiswaarts met een heuse to do-list. Het REXUS/BEXUS-project stelde immers nog een paar voorwaarden waaraan voldaan moet worden vooraleer HACORD mee mag met hun weerballon in Zweden. Het voornaamste is het toevoegen van een E-link aan de apparatuur die toelaat om het project op een afstand aan en uit te schakelen en de data rechtstreeks binnen te krijgen. Wanneer hun experiment voordien de lucht in ging, was het steeds een hele zoektocht naar de ballon. Geen ballon betekende geen data, want die werden enkel opgeslagen binnenin het experiment. Vaak was het vol spanning wachten op een telefoontje van een boer, die zo vriendelijk was om het nummer op de gevonden box op te bellen. De detector is ook eens een keer verzeild geraakt bij een boer die geïnteresseerd was in elektronica en het toestel een leuke aanvulling vond op zijn verzameling oude radio’s in de schuur. Een E-link is dus zeker geen overbodige luxe en verzekert de onderzoekers van hun data. Eind mei mogen de studenten voor een critical design review terug naar ESTEC om daar hun vooruitgang te tonen. Wanneer het experiment dan goedgekeurd wordt, mag HACORD begin oktober 2015 mee de lucht in vanuit SCC, Esrange Space Center in Kiruna (Zweden).
Het REXUS/BEXUS-programma maakt het zo voor de studenten mogelijk om andere data binnen te halen. Zo verwachten ze dat het hoogteprofiel zal afwijken van hun huidige curve, aangezien in Zweden het magnetisch veld zwakker is en er dus meer deeltjes tot aan het aardoppervlak weten te komen. Verder is de weerballon in Zweden geschikt om langere tijd op een hoogte van 30 kilometer te blijven, waardoor het mogelijk is betere statistieken te verkijgen op die hoogte. De ballon van het KMI viel immers direct naar beneden nadat de maximale hoogte bereikt was. Hierdoor kunnen de studenten onderzoeken of de literatuur, die beweert dat op 30 kilometer hoogte een isotrope flux te vinden is, klopt. Het is dus nog even vol spanning afwachten of ze daadwerkelijk op die hoogte in alle richtingen evenveel deeltjes kunnen vaststellen. Hier komt hun uitgebreide apparatuur voor het meten van hoekafhankelijkheid zeker van pas. Begin januari 2016 mogen de studenten hun bevindingen hieromtrent presenteren.
het leerproces stopt niet
Het is nog niet zeker of HACORD nog een keer gebruikt kan worden voor een bachelorthesis. Toch stopt de educatieve waarde van het programma niet na dit jaar. De studenten willen HACORD nog zo vaak mogelijk laten meevliegen met het KMI, om de tijdsafhankelijkheid verder in kaart te kunnen brengen. Verder willen ze HACORD nog gebruiken om leerlingen van de middelbare school te interesseren voor fysica en ingenieursstudies. Nu al zijn er klassen proeven komen doen met HACORD, waarna ze ook verslagen moeten afgeven, zoals het bij wetenschappelijk onderzoek hoort.
Het bijleren stopt ook niet voor het HACORD-team zelf. Ze worden door het REXUS/BEXUS-project uitgedaagd om voorbij de fysica te kijken en ook te proeven van alle techniek die er aan te pas komt. Ook hun vindingrijkheid en verbeelding worden op de proef gesteld. Want wie had nu gedacht dat die detector (hoofdfoto) ook wel als een bom gezien kon worden op het vliegveld?
Wil je meer weten over HACORD? Neem eens een kijkje op hun website of Facebookpagina.