Wanneer we denken aan astronautentraining, verschijnen al snel beelden van centrifuges, vluchtsimulators en parabolische vluchten in gedachten. Maar één van de meest fascinerende en cruciale trainingsfaciliteiten van NASA is eigenlijk een enorm zwembad: het Neutral Buoyancy Laboratory, kortweg het NBL. Dit is de plek waar astronauten hun ruimtewandelingen oefenen, procedures ontwikkelen en hardware testen, allemaal onderwater, in een omgeving die de gewichtloosheid van de ruimte zo geloofwaardig mogelijk nabootst.
Het NBL maakt deel uit van de Sonny Carter Training Facility, gelegen nabij het Johnson Space Center in Houston, Texas. Het is een van de grootste overdekte zwembaden ter wereld en een onmisbare schakel in de voorbereiding van iedere bemande ruimtemissie waarbij een ruimtewandeling, technisch een Extravehicular Activity of EVA, gepland staat. In dit artikel nemen we een uitgebreide, technische duik in alles wat het NBL te bieden heeft: de fascinerende geschiedenis, de indrukwekkende infrastructuur, de operationele procedures en het belang voor de toekomst van de ruimtevaart.
Van zwembad tot ruimtetrainingscentrum
Het verhaal van het NBL begint niet in Houston, maar eigenlijk al in de vroege jaren zestig van de twintigste eeuw, toen NASA voor een hardnekkig probleem stond. Astronauten moesten leren werken in de vrijwel gewichtloze omgeving van de ruimte, en de enige manier om dat op aarde te simuleren was tot dan toe de parabolische vlucht, een vliegtuig dat een speciale boogvormige baan volgt waardoor de inzittenden gedurende ongeveer dertig seconden gewichtloosheid ervaren. Dit was voor eenvoudige taken bruikbaar, maar voor complexe werkzaamheden aan de buitenkant van een ruimtevaartuig absoluut ontoereikend. De gevolgen van dit gebrek aan adequate training werden pijnlijk zichtbaar tijdens de vroege Gemini-missies. Astronauten ondervonden ernstige problemen bij het uitvoeren van buitenactiviteiten: taken die op papier eenvoudig leken, bleken in de praktijk uitputtend en soms ronduit onmogelijk. Gene Cernan had tijdens Gemini 9A in 1966 zo veel moeite met zijn ruimtewandeling dat zijn vizier besloeg van het zweet en hij de taak moest afbreken. Buzz Aldrin analyseerde de mislukkingen zorgvuldig en drong aan op een nieuwe aanpak. Hij zou de oplossing zelf demonstreren. In 1964 waren ingenieurs bij Environmental Research Associates al begonnen met experimenten waarbij neutrale drijfkracht in water werd gebruikt om gewichtloosheid te simuleren. NASA zette dit idee door en begon in 1966 met gestructureerde onderwatertraining in een zwembad bij de McDonogh School in Owings Mills, Maryland. De resultaten waren spectaculair. Buzz Aldrin trainde hier uitgebreid voor zijn ruimtewandeling tijdens de Gemini 12-missie in november 1966 en voltooide zijn EVA met verbluffend gemak, een direct bewijs van de kracht van onderwatertraining.
Het succes van de eerste onderwatertraining overtuigde NASA om een eigen faciliteit te bouwen. In 1967 opende het Johnson Space Center de Water Immersion Facility (WIF), een relatief bescheiden bad met een diameter van 7,6 meter en een diepte van slechts 4,9 meter en een inhoud van circa 310.000 liter water. Hoewel klein naar latere maatstaven, was dit de eerste speciaal gebouwde neutrale drijfkrachtfaciliteit van NASA. Neil Armstrong, Buzz Aldrin en de bemanningen van de latere Apollo-missies trainden hier voor hun maanlandingen. Het ruimtevaartprogramma groeide en daarmee ook de behoefte aan grotere trainingsfaciliteiten. De ruimteveer, de Space Shuttle, had een laadruimte van bijna negentien meter lengte, en astronauten moesten leren daarin te werken. In 1978 begon de bouw van de Weightless Environment Training Facility (WETF) in gebouw 29 van het Johnson Space Center, op de plek van een voormalige menselijke centrifuge. De WETF werd in november 1980 operationeel. Het bad mat 24 meter lang, 10 meter breed en had een diepte van 7,6 meter, aanzienlijk groter dan de WIF. Astronauten gebruikten de WETF voor vrijwel alle EVA-trainingen gedurende het Space Shuttle-programma. De Hubble Space Telescope-reparatiemissies in de jaren negentig werden hier deels voorbereid, hoewel de grote omvang van de telescoop ook training in de Neutral Buoyancy Simulator bij het Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama vereiste.
Eind jaren tachtig begon NASA serieus na te denken over het International Space Station, of in zijn eerste incarnatie, Space Station Freedom. Het station zou enorme modules bevatten, met een totale spanwijdte van meer dan honderd meter. Het was onmogelijk om bruikbare replica's van deze componenten in de WETF te plaatsen. Een veel grotere faciliteit was noodzakelijk. NASA identificeerde een kansrijke oplossing: een leegstaand productiepand van McDonnell Douglas nabij Ellington Field, enkele kilometers ten noorden van het Johnson Space Center. Dit gebouw was ooit gebruikt voor de productie van vliegtuigen en grote lucht- en ruimtevaartcomponenten. In het begin van de jaren negentig kocht NASA het pand en begon in 1994 met de verbouwing. In april 1995 startte de eigenlijke bouw van het zwembad: 62 meter lang, 31 meter breed, 12 meter diep, met een totale waterinhoud van maar liefst 23,5 miljoen liter. In april 1995 gaf NASA de faciliteit ook een naam die eeuwig verbonden is met de missie van het laboratorium. De Sonny Carter Training Facility werd vernoemd naar astronaut Manley Lanier 'Sonny' Carter Jr., een voormalig marinepiloot, arts en astronaut die op 5 april 1991 om het leven kwam bij een vliegtuigongeluk nabij Atlanta, terwijl hij op dienstreis was voor NASA. Carter had gevlogen aan boord van de STS-33 en was aangewezen voor een toekomstige missie. Hij had bovendien een cruciale rol gespeeld in de ontwikkeling van onderwatertrainingstechnieken voor EVA, een passend eerbetoon.
De infrastructuur van het trainingscentrum
Het hart van het NBL is uiteraard het zwembad zelf. De afmetingen zijn indrukwekkend: 62 meter lang, 31 meter breed en 12 meter diep. Het bad bevat 23,5 miljoen liter, of 6,2 miljoen US gallon, water. Om een idee te geven van de schaal: het bad is diep genoeg om een vierdelig flatgebouw in te plaatsen. Het volume is vergelijkbaar met dat van negen olympische zwembaden. Het water wordt gefilterd en gechloreerd met systemen die vergelijkbaar zijn met die van grote openbare zwembaden, maar dan op industriële schaal. De temperatuur wordt nauwkeurig geregeld om zowel de duikers als de apparatuur te beschermen. De waterhelderheid is van het grootste belang: technici, duikveiligheidsspecialisten en de astronauten zelf moeten op afstand van tientallen meters goed zichtbaar zijn. Boven het bad hangen meerdere zware overheadkranen. Deze kranen worden gebruikt om de enorme ISS-replica's in het water te laten zakken en te herpositioneren, maar ook om astronauten in hun ruimtepak, die samen met het pak al gauw meer dan 130 kilogram wegen, het bad in en uit te liften. Het is letterlijk onmogelijk voor een astronaut om in een volledig onder druk staand ruimtepak zelfstandig de ladder af te lopen; de kranen zijn dan ook onmisbaar voor elke trainingsrun.
Naast het zwembad beschikt het NBL over een ISO-niveau-8 cleanroom. In deze ruimte worden de ruimtepakken onderhouden, gerepareerd en voor elke trainingsrun gecontroleerd. De Extravehicular Mobility Unit (EMU), het Amerikaanse ruimtepak, is een precisiemachine met tientallen subsystemen. Een cleanroom is noodzakelijk om besmetting te voorkomen en de luchtzuiverheid te garanderen: bij ISO niveau 8 zijn maximaal 3.520.000 deeltjes van 0,5 micrometer of groter per kubieke meter lucht toegestaan. Een ander essentieel onderdeel van het NBL is de hyperbare kamer. Astronauten en duikers die lange tijd onder water werken, lopen risico op decompressieziekte, een aandoening waarbij stikstofbellen zich in het weefsel vormen als de druk te snel vermindert. De hyperbare kamer kan worden gebruikt om mensen opnieuw onder druk te zetten en zo decompressieziekte te behandelen. Het aanwezig zijn van deze voorziening is een absolute vereiste voor elke faciliteit waar mensen diep en langdurig duiken.
Het NBL maakt gebruik van zowel SCUBA-duikuitrusting als oppervlaktegevoed duiken, een systeem waarbij de duiker via een slang aan de oppervlakte verbonden blijft en gas aangeleverd krijgt. Hierdoor kunnen duikers ook langere sessies uitvoeren zonder beperkingen van tankinhoud. Voor de astronauten in hun EMU-ruimtepak wordt een speciaal gasmengsel gebruikt: nitrox met 46% zuurstof en 54% stikstof. Dit mengsel heeft een lager stikstofgehalte dan normale lucht en reduceert daardoor het risico op decompressieziekte tijdens de lange trainingssessies van zes uur of meer. De EMU zelf opereert op een druk van 0,29 atmosfeer (29,6 kPa) zuivere zuurstof, maar tijdens de training in het NBL staat het pak onder een hogere druk omdat de waterkolom extra druk toevoegt. Een astronaut in een volledig opgepompt trainingspak staat bloot aan drukken van 0,9 tot 1,1 atmosfeer absoluut. Aan de rand van het zwembad, op een verhoogde tribune, bevindt zich de uitgebreide simulatiecontrolekamer. Hier zitten de Flight Directors, EVA-instructeurs en technische specialisten. Via een reeks camera's, zowel op de bodem van het bad als bevestigd aan duikers en op de ruimtepakken, volgen zij elke beweging van de astronaut. Ze communiceren in real-time via radio met de astronaut en met de duikers in het water. Deze opzet is bewust zo gekozen dat ze de communicatiestructuur tijdens een echte EVA weerspiegelt: ook in de ruimte communiceert een astronaut voortdurend met de Mission Control Room.
De onderwaterreplica's
Verreweg het meest indrukwekkende aspect van het NBL zijn de levensgrote replica's van de International Space Station die zich op de bodem van het bad bevinden. In het NBL zijn modellen aanwezig van onder andere het Amerikaanse Destiny-laboratorium, het Japanse Kibo-experiment-module, de Node-segmenten, het Quest Joint Airlock en uitgebreide secties van de trussstructuur, de 109 meter lange ruggengraat van het ISS waaraan de vier enorme zonnepaneelmasten zijn bevestigd. Deze replica's zijn zogenoemde high-fidelity mockups: ze zijn niet slechts qua vorm nagemaakt, maar bevatten ook de daadwerkelijke EVA-interfaces. Handgrepen, stappunten, gereedschapsopslaghouders, kabelgeleiders, elektrische connectoren, alles zit erop en is functioneel. Een astronaut die in het NBL een Orbital Replacement Unit (ORU) verwisselt, doet dit op precies dezelfde handgrepen en bouten als die op het echte station zitten. Naast de ISS-componenten bevatte het NBL vroeger ook replica's van de SpaceX Dragon-capsule en het Cygnus-vrachtschip van Orbital Sciences Corporation, evenals het Japanse HTV-voertuig en het Europese ATV. Dit maakte training mogelijk voor EVA's waarbij astronauten werkzaamheden zouden moeten uitvoeren aan of rondom aangemeerde vrachtschepen.
In het verleden bevatte het NBL ook levensgrote replica's van de laadruimte van de Space Shuttle en van de Hubble Space Telescope. De Hubble-replica was bijzonder complex: astronauten die de telescoop moesten onderhouden en repareren, zoals bij de legendarische STS-61-missie in 1993 en de vijf daaropvolgende onderhoudsmissies, oefeinden in het NBL iedere schroef, ieder paneel en iedere procedure tot in de kleinste details. Na het einde van het Space Shuttle-programma in 2011 en het beëindigen van de Hubble-serviceplannen werden deze replica's verwijderd. Ondanks de immense omvang van het NBL past het complete ISS er niet in. Het voltooide station heeft een omvang van circa 109 bij 73 meter, veel groter dan het bad van 62 bij 31 meter. Daarom zijn alleen die secties als replica aanwezig waarop EVA's worden uitgevoerd. De modules en segmenten kunnen worden herpositioneerd om verschillende configuraties te simuleren. Dit vereist gedetailleerde planning voor elke trainingscampagne.
Wat doet men in het NBL allemaal?
- EVA-astronautentraining
De primaire activiteit van het NBL is de voorbereiding van astronauten op ruimtewandelingen. Een astronaut die geselecteerd is voor een missie met EVA's, voert doorgaans tien tot vijftien sessies van zes uur uit in het NBL. Iedere sessie simuleert zo nauwkeurig mogelijk de werkzaamheden die tijdens een echte EVA moeten worden uitgevoerd. Voor een Space Shuttle-missie met drie geplande EVA's betekende dit dat iedere bemanningslid minstens dertig NBL-sessies afwerkte in de achttien maanden voorafgaand aan de lancering, in totaal meer dan 180 uur onderwater. Tijdens een trainingsrun worden alle geplande EVA-taken één voor één doorlopen. De astronaut werkt met de echte EVA-gereedschappen en op de echte hardware-interfaces. Ondersteuningsduikers zwemmen naast de astronaut en bewaken diens veiligheid, helpen bij het stabiliseren van grote componenten en noteren observaties. Tegelijkertijd volgt het team in de controlekamer elke stap op de voet. - Procedures- en hardwareverificatie
Buiten het trainen van individuele astronauten wordt het NBL ook intensief gebruikt door de EVA Development and Verification Test (EDVT) teams. Voordat een nieuwe procedure of nieuw stuk hardware naar het ISS wordt gestuurd, moet het eerst in het NBL worden geverifieerd. Stel dat ingenieurs een nieuwe methode hebben ontwikkeld om een defecte pompmodule te vervangen: eerst wordt de procedure op papier uitgewerkt, daarna wordt ze in het NBL getest door een astronaut in een ruimtepak, en pas als alle stappen haalbaar en efficiënt zijn gebleken, wordt de procedure gecertificeerd voor gebruik op het echte ISS. Dit geldt ook voor nieuwe hardware. Iedere ORU, Orbital Replacement Unit, de modulaire componenten van het ISS die vervangen kunnen worden, ondergaat een uitgebreide NBL-verificatiecampagne voordat het in de ruimte gaat. Zijn de handgrepen goed geplaatst? Zijn de bouten bereikbaar met een ruimtepakhandschoen? Past de hardware in de gereedschapstassen van het ruimtepak? Het NBL geeft antwoord op al deze vragen voordat het te laat is. - Missieplanningsondersteuning
Bij complexe reparaties of assemblageoperaties wordt het NBL ook ingezet voor missieplanningsdoeleinden. Engineers en EVA-specialisten kunnen in real-time de haalbaarheid van operaties inschatten. Hoeveel tijd kost taak A? Is het realistisch om taken B en C in dezelfde EVA te combineren? Welke volgorde van handelingen is het meest efficiënt? Al deze vragen worden beantwoord door de activiteiten in het NBL nauwkeurig bij te houden en te analyseren. - Toekomstige exploratietraining
Het NBL wordt ook steeds vaker ingezet voor de voorbereiding van toekomstige exploratiemissies. NASA's Artemis-programma, gericht op terugkeer naar de Maan en uiteindelijk reizen naar Mars, vereist EVA's in heel andere omstandigheden dan die op het ISS. Op de Maan is er een zwaartekracht van 1/6e van de aardse, op Mars 1/3. Door de ballasten van de ruimtepakken en componenten aan te passen, kan het NBL ook gedeeltelijke zwaartekracht simuleren. Zo wordt het een veelzijdige testomgeving voor de volgende generatie ruimteonderzoek.
Waarom is het NBL zo belangrijk?
In de ruimtevaart hanteert men de vuistregel dat astronauten vijf tot zeven uur in het NBL trainen voor elk uur dat ze daadwerkelijk in de ruimte aan het werk zijn. Een standaard EVA duurt zes tot acht uur. Dit betekent dat astronauten dertig tot vijftig uur onderwatertraining doorlopen voor één enkele ruimtewandeling. Dit getal is niet toevallig gekozen, maar is het resultaat van decennia aan ervaringen: met minder training neemt het risico op fouten, ongelukken en misslukkingen dramatisch toe. Het belang van grondige NBL-training werd wellicht het meest dramatisch bewezen door de eerste Hubble-reparatiemissie, STS-61, in december 1993. De Hubble Space Telescope was in 1990 gelanceerd met een serieuze fout in zijn primaire spiegel, waardoor de beelden vervaagd waren. NASA had vijf ruimtewandelingen gepland om complexe optische correctie-instrumenten te installeren, de meest technisch ambitieuze EVA-reeks ooit ondernomen op dat moment. Het team trainde maandenlang in het NBL, iedere stap en ieder gereedschap, elke handgreep en elke procedure tot in de puntjes. De missie werd een eclatant succes: alle vijf EVA's werden voltooid, de telescoop werkte daarna perfect en de missie wordt tot op de dag van vandaag beschouwd als een van de grootste triomfen in de geschiedenis van de bemande ruimtevaart.
Tussen 1998 en 2011 werd het ISS in meer dan veertig EVA's in elkaar gezet. Elke module die werd aangesloten, iedere kabel die werd gelegd, elk zonnepaneel dat werd uitgevouwen, het was allemaal uitgebreid geoefend in het NBL. De complexiteit van dit soort ruimtewandelingen is nauwelijks te overschatten: astronauten moeten gelijktijdig tools bedienen, communiceren, hun positie bewaken, procedures volgen en onverwachte problemen oplossen, alles in een zwaar en onhandig ruimtepak. Het NBL maakt dit mogelijk door de astronaut voor te bereiden tot op het niveau van spiergeheugen. Met het Artemis-programma van NASA, gericht op de terugkeer van mensen naar de Maan en de eventuele bemande verkenning van Mars, staat het NBL voor nieuwe uitdagingen en kansen. Maanoppervlak-EVA's zullen fundamenteel anders zijn dan die op het ISS: andere zwaartekracht, ander terrein, andere ruimtepakken (de xEMU). Het NBL past zich aan: door de ballasten te variëren kan een zesde of een derde van de aardse zwaartekracht worden gesimuleerd. Nieuwe mockups van het lunaire terrein en van het geplande Lunar Gateway-ruimtestation worden ontwikkeld. Het NBL zal ook in de komende decennia de cruciale brug blijven tussen aardse voorbereiding en interplanetaire werkelijkheid.
Ook de opkomst van commerciële ruimtevaartbedrijven zoals SpaceX, Blue Origin en Axiom Space brengt het NBL nieuwe relevantie. Commerciële ruimtestations zullen andere externe interfaces hebben dan het ISS; toekomstige commerciële EVA-pakken kunnen afwijken van de EMU. Het NBL kan en zal worden gebruikt om astronauten te trainen voor deze nieuwe omgevingen, en commerciële partijen kunnen de faciliteit in principe ook huren voor hun eigen hardwareverificaties.
