Sample return van Mars

NRC 18 februari 2021

Zeven spannende minuten voor monstermissie naar Mars

Een nieuw voertuig op Mars is onderdeel van een missie om gesteentemonsters naar de aarde te brengen.

Bruno van Wayenburg

Perseverance wordt deze donderdagavond met de skycrane-techniek op het Marsoppervlak gezet. De Marskar wordt aan kabels neergelaten onder een platform dat dankzij stuwraketten in de lucht hangt.
Perseverance wordt deze donderdagavond met de skycrane-techniek op het Marsoppervlak gezet. De Marskar wordt aan kabels neergelaten onder een platform dat dankzij stuwraketten in de lucht hangt.
Foto NASA/JPL-Caltech
Maar liefst drie onbemande ruimteschepen kwamen deze maand aan bij Mars: een van de Arabische Emiraten, een Chinese en een Amerikaanse. De laatste neemt de eerste stap in de moeilijkste van alle interplanetaire missies: het ophalen van Marsgesteente naar de aarde. Het is een lange weg: de geplande aankomst van dat Marsgesteente op aarde is op zijn vroegst 2031.

Met de aankomst van de drie robotverkenners is het Marsreisseizoen voorlopig weer afgesloten. Op 9 februari kwam Al Amal (‘Hoop’) daar aan, de eerste Marsmissie van de Arabische Emiraten. De dag daarna arriveerde de ambitieuze Chinese Marsmissie Tianwen-1, en deze donderdag is het de bedoeling dat de Amerikaanse Marskar Perseverance in een spannende landingssequentie direct zijn wielen op de bodem van de rode planeet zet.

Eerst moet de sonde met een beginsnelheid van 20.000 kilometer per uur afremmen met een hitteschild in de ijle Marsatmosfeer, daarna volgt een afdaling per parachute, en het laatste stuk zal Perseverance worden afgetakeld met de beproefde skycrane-techniek: de 1.025 kg wegende Marskar wordt aan kabels neergelaten onder een platform dat met stuwraketten omhooggehouden wordt. Als tenminste alles goed gaat in deze seven minutes of terror, zoals de NASA het noemt. Want als iets mis gaat, is ingrijpen vanaf de aarde uitgesloten, door de vertraging van zo’n tien minuten in het radiocontact tussen Mars en aarde.

IJle atmosfeer en klimaat
De drie missies tonen een oplopende ambitie en technisch kunnen. Al Amal, gelanceerd door de Verenigde Arabische Emiraten, is een orbiter, die vanuit een baan om Mars de ijle atmosfeer en het klimaat van Mars onderzoekt.

Tianwen-1 betekent letterlijk ‘vragen aan de hemel’, en is genoemd naar een klassiek Chinees gedicht uit de derde eeuw voor de jaartelling. Het is de eerste Marsmissie van de steeds krachtiger ruimtemacht China. Tianwen-1 is een combinatie van een orbiter, een lander en een marskar, die op zijn vroegst in mei dit jaar een landingspoging gaan doen. Intussen stuurde de orbiter al wel een selfie vanuit een baan om de planeet.

Het is een lang gekoesterde droom om gesteente op te halen
Thomas Kruijer hoogleraar aan het Leibniz-Institut in Berlijn
De Marskar Perseverance is alweer de vijfde NASA-marskar, sinds de kleine Sojourner in 1997 op Mars landde. De laatste, Curiosity, die in 2012 landde, is nog altijd actief op de planeet. Perseverance maakt nu een begin met wat beschouwd wordt als de moeilijkste, maar ook wetenschappelijk belangrijkste soort interplanetaire missie: een sample return, waarbij uiteindelijk gesteente van Mars teruggebracht wordt naar de aarde.

„Het is een lang gekoesterde droom om een missie naar Mars te hebben, en dan gesteente op te halen”, zegt Thomas Kruijer, hoogleraar aan het Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung in Berlijn. Kruijer is specialist in het onderzoek van buitenaardse gesteenten, waaronder bijvoorbeeld ook meteorieten.

Ruimtesondes zoals Perseverance bevatten steeds krachtiger chemische en natuurkundige analyse-apparatuur, zegt Kruijer, maar sommige typen analyse zijn toch eigenlijk alleen goed te doen met de apparatuur die beschikbaar is op aarde. Zulke metingen zijn bijvoorbeeld de analyse van isotopen: de verschillende varianten van chemische elementen. Kruijer: „De verhouding tussen verschillende isotopen kan iets zeggen over de herkomst van gesteenten, en over het moment dat ze gevormd zijn. Dan gaat het om verschillen van zeven cijfers achter de komma.” Dat is alleen haalbaar met een massaspectrometer, een instrument dat niet goed in een Mars-sonde te proppen valt.

Steeds gevoeliger technieken
Een bijkomend voordeel van het naar aarde brengen van Marsgesteente is dat je steeds nieuw onderzoek kunt blijven doen, en ook is het gemakkelijker om bestaand onderzoek te reproduceren. Kruijer: „De Maanstenen van het Apolloproject worden nog altijd onderzocht, met nieuwe en steeds gevoeliger technieken.”

Kruijer is specialist in de vorming van het zonnestelsel uit een schijf van stof en gas rond de zon. Hij kijkt uit naar de komst van Marsstenen. „Ik zou zelf eerst denken aan precieze dateringen van geologische processen, die inzichten bieden in de vroegste ontstaansgeschiedenis van Mars, meer dan 4,5 miljard jaar geleden.”

Impressie van Perseverance aan het werk.
Foto NASA/JPL-Caltech
Onderzoeksvragen van andere onderzoekers gaan over het water op Mars. Ooit was er stromend water op deze planeet, maar dit is zo’n 3,5 miljard jaar geleden verdwenen.

Daarmee samen hangt de vraag of er op onze buurplaneet ooit leven was of misschien zelfs nog is, bijvoorbeeld in overgebleven ondergrondse waterbellen. Op aarde zijn zelfs in de droogste woestijngrond microscopische sporen van bacteriën gevonden.

Japan pionierde al
Het is te veel eer om Perseverance de eerste sample return-missie van dit zonnestelsel te noemen, want bijvoorbeeld Japan pionierde al in het terugbrengen van stof van planetoïden. Maar de Marskar gaat wel het begin maken van een reeks missies die rond 2031 de eerste Marsstenen op aarde moeten bezorgen.

Grotendeels is Perseverance een upgrade van Curiosity, de succesvolle Marskar die nog altijd rondrijdt. Dezelfde skycrane-landing, hetzelfde zeswielige ontwerp (alleen de wielen zijn wat verstevigd nadat Curiosity wielschade had opgelopen). En er zijn vergelijkbare meetinstrumenten aan boord: krachtige camera’s, spectrometers, een weerstation. Ook is er weer een laser aan boord die gesteenten van een afstand kan smelten, waarna de opstijgende dampen geanalyseerd worden

Zoals wel vaker stelt NASA dat ze nu voor het eerst echt serieus gaan zoeken naar sporen van organische moleculen, dus leven, en voor die claim is ook wel wat te zeggen: de nieuwe Raman-spectrometer is uitermate geschikt voor het opsporen van organische moleculen. Ook is er voor het eerst een grondradar aan boord, die tot tien meter diepte bellen met water in de Marsbodem moet gaan detecteren.

Een opmaat voor een bemand Mars-bezoek is een apparaatje dat zuurstof moet maken uit het koolstofdioxide van de marsatmosfeer. Als dat lukt, betekent dat dat Mars-reizigers hun zuurstof lokaal kunnen produceren. Voor het eerst zijn er ook twee microfoons aan boord om Mars te kunnen horen.

Achterlaten in depots
Maar volkomen nieuw en ronduit de spectaculairste vracht is Ingenuity, een 1,8 kilo zware helikopter met twee rotors van 1,2 meter diameter, die bij wijze van experiment de eerste buitenaardse helikoptervlucht moet gaan maken.

Een subtiel maar belangrijk verschil met zijn voorgangers is dat Perseverance gesteentemonsters niet zelf zal onderzoeken, maar in buisjes zal stoppen en in een paar depots zal achterlaten op het oppervlak van Mars. Die buisjes moeten worden later opgehaald door de Sample Fetch Rover, een relatief eenvoudig Europees Mars-karretje dat in 2026 of 2028 gelanceerd moet worden. Samen met dat karretje vertrekt dan ook een lanceerplatform, compleet met een manshoge raket. Nadat het karretje daar de opgehaalde buisjes heeft afgeleverd, moet dat platform zichzelf naar een baan om Mars lanceren. Daar zal de capsule, ter grootte van een basketbal, dan worden opgepikt door een Earth Return Orbiter, de derde Mars-missie van dit sample return-project, die vervolgens terugkeert naar huis.

Op zijn vroegst in 2031 moet de door de Earth Return Orbiter afgeworpen capsule met Marsgesteenten landen in de woestijn van Utah. Zónder remparachute: capsule en buisjes zijn ontworpen om een inslag onbeschadigd te overleven. Om besmetting van de monsters door aardse bacteriën en ook besmetting van de aarde door eventuele Marsbacteriën te voorkomen, worden de buisjes geopend en onderzocht in een nog te bouwen cleanroom.

Omslachtig en riskant
Zo is Perseverance de eerste, bescheiden, stap in een complexe, drie missies omvattende sample return-missie naar Mars, die op het eerste gezicht omslachtig en riskant lijkt. Waarom monsters verzamelen en vervolgens laten liggen? Waarom twee karretjes in plaats van één? De opzet wordt wat logischer als je Perseverance ziet als een verkenner met uitstekende zintuigen maar een mogelijk beperkte levensduur. Nummer twee, de Fetch Rover, hoeft alleen de buisjes op te halen. En mocht dat niet lukken, dan is er een kans dat Perseverance het zelf nog kan. Zo worden de kosten en de risico’s gespreid, en ook de technologie-ontwikkeling. Het precieze ontwerp en de financiering van de Amerikaans-Europese vervolgmissies staan ook nog niet vast.

Ook China heeft een Mars sample return-missie aangekondigd. Het plan is om dit te klaren met één missie, tegen de jaren dertig te lanceren. Tianwen-1 is hierop alleen een voorbereiding in de zin dat de orbiter landingsplaatsen moet verkennen. Verder hebben de Chinese lander en het karretje ook een uitgebreide suite van meetinstrumenten, zoals spectrometers, camera’s om geologie, klimaat, weer en sporen van water te onderzoeken, plus óók een grondradar voor de zoektocht naar water.

Tianwen-1 moet nog landen, het meest riskante gedeelte van de vlucht, maar ook voor Perseverance is succes niet gegarandeerd. Tientallen missies mislukten al op Mars. Vorige maand nog werd bekend dat het een Duitse robot-‘mol’ niet gelukt is om zich in te graven in de Marsbodem. Deze sonde, meegelift op NASA’s Insight Lander die in 2018 landde, had metingen moeten doen in de marsbodem. Maar het ding kwam niet verder dan drie centimeter de Marsgrond in, ondanks 500 robotische hamerslagen.

Zo gemakkelijk als een geslaagde missie kan lijken, zo gemakkelijk kan een mislukking zijn op Mars.

VAN MAAN TOT KOMEET
EERDER OPGEHAALDE MONSTERS

De Maan De Apollo-astronauten waren getraind als geologen en brachten ruim 382 kilogram mee aan steengruis van het maanoppervlak, die nog altijd onderzocht wordt (en inmiddels niet meer uitgedeeld als internationaal relatiegeschenk). De Loena-maanlanders van de Sovjet-Unie haalden ook nog een paar ons op, en in december 2020 bracht de Chinese Chang’e 5 ongeveer twee kilogram maansteen terug.

Zonnewind De Amerikaanse sonde Genesis vloog door de zonnewind, de stroom van deeltjes die de zon uitblaast, en ving een paar deeltjes op in collectoren. Bij het terugkeren naar de aarde in 2004 stortte de capsule neer. De monsters waren vervuild, maar de zonnewinddeeltjes bleken later toch te isoleren.

Asteroïde Itokawa De Japanse ruimtesonde Hayabusa, ‘slechtvalk’, landde in 2005 tot twee keer toe op de asteroïde 25143 Itokawa. Door technische problemen mislukte het nemen van monsters, maar na terugkeer bleken er toch zo’n 1.500 opgestoven stofdeeltjes in de monsterruimte te zitten.

Komeet Wild 2 In 2006 keerde de NASA-sonde Stardust terug met zo’n miljoen gruisdeeltjes uit de staart van de komeet Wild 2. Stardust was daar doorheen gevlogen, en had de deeltjes opgevangen met collectoren van het het ultralichte aerogel.

Asteroïde Ryugu Japan waagde in 2014 een nieuwe poging op de asteroïde 162173 Ryugu met de sonde Hayabusa2. De missie schoot twee kogels af op het oppervlak om ook dieper liggend gesteente te kunnen bemonsteren. In december 2020 arriveerde een capsule met 5 gram asteroïde in Australië.

Asteroïde Bennu De NASA-missie OSIRIS-REx haalde in oktober 2020 400 gram tot 1 kg gruis op van de asteroïde 101955 Bennu. De sonde wacht nog op het goede moment om aan de terugreis te beginnen, en wordt in 2023 op aarde verwacht.

De marsmaan Phobos In 2015 onthulde Japan plannen voor een sample return-missie naar de marsmaan Phobos, gebaseerd op de succesvolle Hayabusa-sondes.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

Related Posts