Europese robotarm na 16 jaar eindelijk de ruimte in | Technisch Weekblad
Achtergrond
Impressie van de Europese robotarm ERA, bevestigd aan de Russische Nauka

Europese robotarm na 16 jaar eindelijk de ruimte in

Govert Schilling | donderdag 15 juli 2021
Astronomie & Ruimtevaart

In 2005 was hij al klaar, maar pas deze maand gaat de Europese robotarm ERA eindelijk op weg naar het International Space Station (ISS). Daar wordt hij op het Russische deel van het ISS gebruikt voor inspectie, manipulatie van grote objecten, en het verplaatsen van astronauten tijdens ruimtewandelingen. 

Philippe Schoonejans van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA ‘baalde als een stekker’ toen hij op 1 juli hoorde dat de Russische lancering van de European Robotic Arm (ERA) opnieuw moest worden uitgesteld. Bij ESA’s technologiecentrum ESTEC in Noordwijk was al een persbijeenkomst gepland waarbij Mona Keijzer (staatssecretaris Economische Zaken en Klimaat) en astronaut André Kuipers van de partij zouden zijn, maar nu leek alles opeens weer op losse schroeven te staan. En dat vanwege een slordige blunder bij de Russen, waardoor een paar sensoren niet voorzien waren van de benodigde thermische isolatie. Gelukkig bleek al snel dat er sprake was van slechts zes dagen uitstel; ERA wordt nu op 21 juli gelanceerd.

Projectmanager Schoonejans werkt al 35 jaar aan de robotarm – sinds 1986, toen het apparaat ontworpen werd voor gebruik aan boord van de Europese spaceshuttle Hermes. Het Hermes-project werd geschrapt, maar voor ERA werd uiteindelijk een definitieve nieuwe bestemming gevonden: de Nauka-module (Russisch voor ‘wetenschap’) die in 2007 vastgekoppeld zou worden aan het internationale ruimtestation ISS. (Verwarrend genoeg wordt de module door ESA aangeduid als de MLM – de Multipurpose Laboratory Module.) Door een schier eindeloze reeks technische tegenslagen werd de lancering van Nauka – en dus van ERA – echter keer op keer uitgesteld. ‘Steeds voor hooguit een jaar of zo,’ zegt Schoonejans, ‘waardoor er nooit gelegenheid was om eventueel nog iets aan het ontwerp te veranderen.’

Dat ontwerp doet een beetje denken aan een ellebooggewricht waaraan twee onderarmen zijn bevestigd die allebei eindigen in een soort ‘grijphand’. Met behulp van die twee ‘handen’ (de end effectors in ESA-jargon) kan het apparaat zich verplaatsen over de buitenzijde van de module, door zich van het ene aangrijppunt te verplaatsen naar het volgende. Hoewel Nauka slechts drie van die base points heeft, is de actieradius van ERA daardoor veel groter dan het geval is bij een vaste arm. Volgens roboticatechnicus Lodewijk Aris kan hij ook de Russische opslagmodule Rassvet (‘eerste licht’) en de allereerste ISS-module Zarya (‘dageraad’) bereiken.

ERA wordt bij ESTEC getest in de Large Space Simulator. (ESA)

Het is voor het eerst dat er een geavanceerde robotarm beschikbaar komt op het Russische deel van het ruimtestation, aldus André Kuipers, die vanaf eind 2011 ruim een half jaar aan boord was. Het Amerikaanse deel van het ISS werd al in 2001 uitgerust met de grote, zware Canadarm2. Daar kwam zeven jaar later de kleinere maar zeer flexibele Dextre-manipulator bij (eveneens van Canadese makelij). Ook de Japanse module JEM heeft sinds 2008 zijn eigen Remote Manipulator System, maar aan Russische zijde kon tot nu toe alleen gebruik worden gemaakt van twee uitschuifbare en handbediende kraanarmen. Volgens Kuipers is ERA ‘echt een prachtig apparaat dat astronauten veel werk uit handen gaat nemen.’

Precisiepositionering

Met zijn totale lengte van 11,3 m is ERA kleiner dan de 17 m lange Canadarm2, maar hij is een stuk nauwkeuriger: ondanks zijn massa van 630 kg en zijn bewegingssnelheid van 10 cm/s kan het uiteinde van de arm tot op 5 mm nauwkeurig gepositioneerd worden. Met behulp van camera’s, lasers en sensoren kan die precisie nog aanzienlijk worden verhoogd, wat bijvoorbeeld nodig is voor een perfecte grip op een van de base points. ERA heeft een gemiddeld energieverbruik van 475 W en kan overweg met objecten tot 8 ton – in de ruimte is alles weliswaar gewichtloos, maar traagheidskrachten leveren toch een enorme belasting op, aldus Aris. De armen zijn gemaakt van koolstofvezel en aluminium; de gewrichten bestaan uit allerlei verschillende materialen.

De end effectors zijn met behulp van drie gewrichten bevestigd aan de twee uiteinden van de robotarm. Net zoals je je vlakke hand bij uitgestrekte arm kunt ronddraaien, op en neer kantelen, of van links naar rechts bewegen, zo kunnen de twee ‘handen’ van ERA ook om de x-, y- en z-as roteren. Samen met het scharnier in de elleboog beschikt het apparaat dus over zeven gewrichten – ruim voldoende voor de zes vrijheidsgraden die nodig zijn om elke combinatie van ruimtelijke positie en beweging te realiseren. Om ongelukken te voorkomen is de robotarm uitgerust met een collision avoidance-systeem, dat elke beweging controleert aan de hand van een gedetailleerd 3D-model van het ISS. ‘Een botsing is letterlijk levensgevaarlijk,’ zegt Sytze Kampen, projectmanager bij  Airbus Defence and Space Netherlands (voorheen Dutch Space), waar ERA is gebouwd, in samenwerking met onderaannemers uit acht Europese landen.

De Europese arm is autonomer dan de Canadese, doordat hij volledig programmeerbaar is. Daarnaast kan hij natuurlijk ook met de hand worden bestuurd, zowel vanaf een laptop in het ISS als met behulp van een controlepaneel dat astronauten tijdens ruimtewandelingen kunnen gebruiken. De ontwikkeling van dat robuuste bedieningspaneel (met Engelse en Russische teksten, en met enigszins archaïsch ogende tuimelschakelaars en signaallampjes) had volgens Kampen nog heel wat voeten in aarde: het moest bestand zijn tegen de extreme temperaturen in de ruimte, en foutloos bediend kunnen worden door astronauten in logge ruimtepakken en met dikke handschoenen aan.

Alle techniek aan boord van ERA is inmiddels zo’n twintig jaar oud; volgens Schoonejans is het niet vaak voorgekomen dat ruimtevaarthardware zo lang aan de grond heeft gestaan als in het geval van de Europese robotarm en de Russische Nauka-module. ‘In de toekomst willen we de huidige zwartwitcamera’s zo mogelijk vervangen door modernere full color-exemplaren met een hogere resolutie,’ zegt hij, ‘en ook de laptopbesturing kan wel een upgrade gebruiken, met hypermoderne graphics.’ Zulke verbeteringen waren de afgelopen zestien jaar nooit mogelijk, omdat de lanceerdatum altijd in de nabije toekomst lag. ‘We moesten al die tijd klaar zijn om snel te kunnen vertrekken,’ aldus Schoonejans.

Lancering op 21 juli

Voorjaar 2020 is ERA vanuit Leiden naar Rusland verscheept; op 20 mei dit jaar is hij op de lanceerbasis Baikonoer in opgevouwen toestand bevestigd op de Nauka-module. Nadat nu ook de laatste hindernissen zijn weggenomen, wordt hij op woensdag 21 juli gelanceerd met een Proton-raket. De koppeling aan het ISS zal ongeveer een week later plaatsvinden, en tijdens een reeks ruimtewandelingen gaan astronauten de robotarm uitpakken, installeren en uitvoerig testen. Naar verwachting is hij binnen enkele maanden volledig operationeel. Zijn eerste taken: het plaatsen van grote, zware radiatoren aan de buitenzijde van Nauka (voor de temperatuurregeling van de module) en de installatie van een uitschuifbare tafel in een luchtsluis, voor het transport van wetenschappelijke instrumenten naar de buitenzijde van het ruimtestation.

Behalve voor het manipuleren van zware en omvangrijke objecten wordt ERA ook ingezet voor noodzakelijke inspectiewerkzaamheden, die anders uitgevoerd moeten worden door astronauten. ‘Ruimtewandelingen zijn enorm tijdrovend, duur en ook nog eens gevaarlijk,’ zegt Kuipers. ‘Hoe meer er geautomatiseerd kan worden, hoe beter.’ Daarnaast zullen de ruimtewandelingen die wél nodig blijven volgens Kuipers veel efficiënter verlopen wanneer astronauten zich met behulp van de robotarm snel van het ene punt naar het andere kunnen verplaatsen.

ERA, met een prijskaartje van €360 miljoen, is ontworpen voor een levensduur van minimaal tien jaar. Projectmanager Schoonejans verwacht dat het ISS tegen die tijd nog steeds ‘in bedrijf’ is, mogelijk op basis van commerciële exploitatie. Later dit decennium moet ook de Lunar Gateway gestalte krijgen – een klein ruimtestation in een baan om de maan, als onderdeel van NASA’s Artemis-programma. ESA draagt daar ook aan bij, maar niet met een robotarm, aldus Schoonejans – die opdracht zal opnieuw naar Canada gaan. Een tweede ERA zit er voorlopig dus niet in.

Mona Keijzer (door Jasper Wamsteker van het Netherlands Space Office gekscherend ‘staatssecretaris ruimtevaart’ genoemd) zei het al tijdens de persbijeenkomst op 5 juli: ruimtevaart is mensenwerk, vallen en opstaan, en vooral een kwestie van lange adem. Totdat Schoonejans de Proton-raket komende week echt ziet vertrekken (‘Ja, natuurlijk ben ik bij de lancering, wanneer die ook plaatsvindt’) houdt hij nog even de fingers crossed. ‘Maar het voelt als een waanzinnige opluchting dat de lancering nu eindelijk echt gaat plaatsvinden.’

Het externe bedieningspaneel van ERA. (ESA/SJM Photography)

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW