ESA’s plannen met Mars
Aantonen of er ooit leven heeft bestaan op Mars is één van de meest uitgesproken onuitgemaakte kwesties op vandaag. Met het doel om hierop uitsluitsel te vinden heeft ESA (European Space Agency) een programma opgestart. Het betreft ExoMars 2016-2022 en is een meerjarenplan met als belangrijkste missie het opsporen van aanwijzingen of er ooit enige vorm van leven op de planeet heeft bestaan. Of nog bestaat, wie weet?
Uitgebreid bodemonderzoek en -analyse middels robots en met inzet van de meest recente spitstechnologie is onder andere de opdracht. Het is tevens de bedoeling om in de nabije toekomst verzamelde monsters terug te sturen naar de Aarde voor verder uitgebreider onderzoek (“Mars Sample Return mission” in ontwikkeling).
De tijdlijn van het ganse project ziet er schematisch zo uit:
Het ExoMars 2016-2022-programma bestaat in feite uit twee missies, waarvan de tweede lancering is gepland in 2022. ESA werkt hierbij samen met hun Russische evenknie Roscosmos. Bij de lancering zal ook nu een Russische Proton-draagraket van dienst zijn.
ExoMars 2016
In dit artikel focussen we op wat ESA met Mars voorheeft in de nabije toekomst en dus komt ExoMars 2022 in extenso aan bod. Als je echter meer informatie wenst over ExoMars 2016, moet je zeker volgende websites aandoen:
https://exploration.esa.int/web/mars/-/46124-mission-overview
Het vermelden waard in deze context zijn de metingen van NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), één van de instrumenten geïnstalleerd op de Trace Gas Orbiter. Die gegevens worden opgevolgd en bestudeerd door het team van Ann Carine Vandaele van het BIRA (Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie).
Over dit BIRA-project verscheen eerder een artikel op onze website: Een rendez-voustje met Mars.
Het onderzoek betreft vooral de samenstelling van de atmosfeer van de planeet, met name de fluctuaties in concentratie van methaangas en de aanwezigheid en analyse van andere gassen.
België levert hier dus een belangrijke bijdrage. We moeten dus niet al te bescheiden zijn…
ExoMars 2022
De ExoMars 2022-missie zal een Europese rover, de Rosalind Franklin, en een Russisch oppervlakteplatform, de Kazachok, naar het oppervlak van Mars brengen.
De Rosalind Franklin zal zich over het terrein van de planeet verplaatsen op zoek naar aanwijzingen van leven. De rover verzamelt monsters met een boormachine tot op een diepte van 2 meter en analyseert deze autonoom middels een up-to-date instrumentarium van de nieuwste generatie. Dit zal ook de eerste missie zijn die de mogelijkheid combineert om zowel over het oppervlak te rijden als om de bodem diepgaand (dit zowel letterlijk als figuurlijk) te bestuderen.
Lancering en ruimtereis
Op heden is de lancering gepland vanaf 20 september 2022 met een vluchtvenster tot 1 oktober 2022. Daarbij wordt opnieuw een Russische Proton-draagraket ingezet. De lancering zal ook deze keer plaats vinden vanop de kosmodroom van Bajkonoer in Kazakhstan. De reis zal ongeveer 9 maanden duren, wat maakt dat de landing zal mogen verwacht worden in juni 2023.
Hierbij een voorstelling van hoe de reis van op Aarde naar Mars verloopt tussen de bewegende planeten:
Landingsplaats
Er werden in eerste instantie vier potentiële landingsplaatsen weerhouden: Aram Dorsum, Hypanis Vallis, Mawrth Vallis en Oxia Planum. Deze vier locaties vertonen aanwijzingen dat er in een ver verleden water zou zijn voorgekomen. Er wordt van uitgegaan dat water een conditioneel milieu betekent voor leven, tenminste voor zover we dat kennen.
Volgens recente berichten, die dateren van oktober 2020, gaat de voorkeur naar Oxia Planum als geschikte landingsplaats. De Marscoördinaten zijn: 18° 16′ 30″ N, 335° 22′ 4.8″ E (18.275°, 335.368°).
Je kan virtueel over deze landingsplaats vliegen via deze animatie op YouTube.
Waarom deze keuze?
Het is een redelijk vlak terrein, wat een extra garantie biedt op een veilige landing. Daarenboven heeft eerder onderzoek uitgewezen dat er zich ijzer-magnesiumklei bevindt in de rotsbodem. De ouderdom ervan wordt geschat op 3,9 miljard jaar. De bodem is oud genoeg om verschillende geologische era’s te hebben meegemaakt. De klei en het reliëf in de omgeving wijzen er ook op dat water een rol moet hebben gespeeld. Men hoopt hier een goede kans te maken om met het bodemonderzoek sporen te vinden van een levensvorm. Duimen maar!
Landing
Deze operatie is op een planeet met een ijle atmosfeer steeds een heikele onderneming. De luchtweerstand is immers veel kleiner dan op Aarde, waardoor het afremmingsmanoeuvre ad hoc moet worden berekend en aangepast. Er worden op dit ogenblik volop testen gedaan op grote hoogte met parachutes, die de landing van de module (hierin huist de rover en het oppervlakteplatform) voldoende moet afremmen om zonder schade veilig te landen. Een hele uitdaging gebaseerd op een uitgekiend scenario.
De snelheid van de landingsmodule bij intrede in de atmosfeer van Mars bedraagt een slordige 21.000 km/h. Als door wrijving de snelheid is gedaald tot 1.700 km/h ontplooit zich de eerste parachute. Na 20 seconden gaat het nog 400 km/h snel en dan opent zich het tweede valscherm. Op 1 km boven het oppervlak worden beide valschermen losgekoppeld en nemen een stel remraketten de klus over tot een zachte levering van het precieuze pakketje. De verwachte duurtijd vanaf het invliegen in de atmosfeer tot de landing wordt geraamd op 6 minuten.
Meer over de parachutes vind je via deze link.
Na de landing en na het afvinken van de operationele checklist zal de Rosalind Franklin via een hellend vlak het landingsplatform Kazachok verlaten.
Het oppervlakteplatform Kazachok (Казачок)
De voornaamste opdrachten van het stationaire platform zijn gedetailleerd onderzoek van de landingsplaats, klimaatgegevens verzamelen over een langere termijn en nauwkeurige metingen doen van de atmosfeer. Daartoe zijn een hele reeks instrumenten meegegeven, die voornamelijk aansluiten bij Russische onderzoeksprojecten. Het wetenschappelijk instrumentarium behelst een massa van 45 kg.
De lijst van instrumenten vind je op ESA - Robotic Exploration of Mars - ExoMars 2022 surface platform.
Hierbij staat eveneens een Belgische inbreng met name het LaRa-project (Lander Radio-science experiment) dat op onderzoek zal gaan naar de inwendige structuur van de planeet.
Wat heeft dit te maken met eieren?
Welnu, als je eieren met eenzelfde impulsmoment kan laten draaien (door de eivorm is dit vermoedelijk niet zo eenvoudig), dan zal de rotatie niet identiek zijn, al naargelang het een rauw of een gekookt ei betreft. Zou je kunnen proberen, toch?
Dat bracht de onderzoekers op het idee om de draaiing en de oriëntatie van de rotatieas eens nauwkeurig onder de loep te nemen. En daaruit dan afleiden hoe de inwendige toestand van de planeet in elkaar zit?
Moet kunnen dachten ze bij Antwerp Space.
Dit bedrijf, gespecialiseerd in satellietcommunicatie, ontwikkelde, bouwde en testte een instrument LaRa dat de klus zou kunnen klaren. Het werd door de Russen goed bevonden en de transponder mocht mee in hun Kazachok.
LaRa zal details onthullen van de interne structuur van de planeet, en zal nauwkeurige metingen doen van de rotatie en de oriëntatie van de planeet door tweeweg-Doppler-frequentieverschuivingen tussen het oppervlakteplatform en de Aarde op te volgen. Als er bijvoorbeeld vloeibaar water (leven?) zou zijn ingesloten in de ondergrond, zal dit uit de metingen moeten blijken. Het experiment zal ook variaties in impulsmoment kunnen detecteren als gevolg van herverdeling van massa's, zoals de migratie van ijs van de poolkappen naar de atmosfeer.
De hardware is een doos met transponder en drie separate antennes: een ontvangende en twee zendantennes.
De Marsrover Rosalind Franklin
Het is traditie bij ESA om ruimtemissies te vernoemen naar belangrijke wetenschappers. Zo werden bijvoorbeeld al de namen Newton, Einstein, Herschel en Euclides gegeven aan diverse projecten.
De ESA Marsrover krijgt de naam Rosalind Franklin, omdat deze Britse wetenschapster baanbrekend werk verrichte bij het achterhalen van de dubbele helixstructuur van ons DNA en verder ook gespecialiseerd was in koolstofchemie.
Een nauwkeurig visueel en spectraal onderzoek van het Marsoppervlak is fundamenteel om de geologische context te evalueren op de locaties die de rover zal aandoen. Ondergrondse metingen vergaard door elektromagnetisch en neutronenonderzoek zullen de oppervlaktegegevens aanvullen. Zo hoopt men een beter inzicht te krijgen van geologische afzettingen door bijvoorbeeld sedimentatie, door winderosie of van vulkanische origine. Kennis van de geologische geschiedenis van een oude natte omgeving vormt een noodzakelijke stap in de zoektocht naar sporen van vroegere of huidige tekenen van leven op Mars.
Het scala van instrumenten aan boord van de ExoMars-rover laat toe dat onderzoekers gegevens verzamelen op diverse niveaus. Dat behelst zowel onderzoek op macroschaal (we spreken dan van meters), als op schaal van millimeters en fracties ervan alsook op de dimensie van een molecule. Dit laatste is vooral belangrijk voor de identificatie van organische verbindingen.
Een overzicht van het instrumentarium op de Marsrover kan je naslaan via volgende link: ESA - Robotic Exploration of Mars - The ExoMars Rover Instrument Suite.
Misschien interessant om even stil te staan bij een essentieel en innovatief gereedschap op de Marsrover, namelijk de automatische boormachine, die bodemmonsters kan nemen tot een diepte van 2 meter. Dit is belangrijk want aanwijzingen van leven zouden wel eens ondergronds te vinden kunnen zijn, weg van atmosferische invloeden en kosmische straling.
Deze boormachine maakt onderzoek van het boorgat mogelijk middels een speciaal ontworpen en minuscuul camerasysteem Ma_MISS (Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies).
Het instrument zal de schacht van het boorgat in beeld brengen. De optische kop, voorzien van een spotverlichting van 1 mm diameter, vangt het gereflecteerde licht op en via een optische vezel gaat het beeld naar een spectrometer voor analyse. Dit zal waardevolle informatie opleveren voor de studie van ondergrondse bodem- en gesteentelagen (stratigrafie) en de eventuele aanwezigheid van mineralen die in een waterig milieu zijn gevormd. Men hoopt op deze manier veel op te steken over de geofysische kenmerken van Mars.
Daarenboven bevindt zich op de wand van de boor een transparant saffieren venster om observatie van de schacht mogelijk te maken. Ma_MISS maakt gebruik van de beweging van de boor om gegevens van overal in het boorgat te verzamelen. Door de rotatie van het instrument tijdens het dalen, kunnen beelden zowel horizontaal (een ring) als verticaal (een kolom) worden opgebouwd. Ma_MISS zal de cilindrische wand van het gat verlichten door een transparant venster in het boorgereedschap. Het zal het gereflecteerde licht opvangen, het spectrum ervan analyseren en de gegevens naar de computer aan boord van de rover sturen voor verdere analyse en transmissie naar de Aarde.
Het terugbrengen van monsters van Mars naar de Aarde (Mars Sample Return Mission)
Deze missie beoogt een ruimere inzet dan uitsluitend het project ExoMars 2016-2022 en is in deze context nog niet aan de orde. Het belang en de complexiteit van de Mars Sample Return-missie vereist een wereldwijde inspanning, met bijzondere samenwerking tussen ESA en NASA, evenals de deelname van andere agentschappen.
De operatie, hoewel technologisch uitdagend, is essentieel voor het beantwoorden van kritische wetenschappelijke vragen die niet kunnen worden beantwoord door puur in situ missies. Alleen in laboratoria op Aarde kunnen wetenschappers de monsters voldoende gedetailleerd bestuderen om vragen over bewoonbaarheid en leven te kunnen beantwoorden. Mars Sample Return Mission betekent een mijlpaal in de verkenning van het zonnestelsel en in het bijzonder in het onderzoek van Mars met de vragen over de mogelijke bewoonbaarheid ervan.
Er zijn een aantal nieuwe aangepaste technologieën nodig om deze baanbrekende missie mogelijk te maken, zoals het landingssysteem, het opstijgvoertuig, het rendez-vous in een baan rond Mars, de retourcapsule en de landing op Aarde. Deze operationele luiken zullen worden aangepakt en ontwikkeld in het kader van het Mars Robotic Exploration Program.
Daarenboven zijn zorgvuldige veiligheidsvoorschriften nodig om het monster te beschermen teneinde besmetting van Mars door organismen van de Aarde te voorkomen en vice versa. Een Marsmonster-retourmissie zal moeten voldoen aan de eisen en de regels van planetaire bescherming.
Tja, nog veel werk in het vooruitzicht!
Geraadpleegde bronnen:
https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/
https://exploration.esa.int/web/mars/-/48088-mission-overview
Tekst: Herman Schoups, december 2020