Je leest:

Bodemmonsters van Mars; hoe krijgen we ze op aarde

Bodemmonsters van Mars; hoe krijgen we ze op aarde

Auteur: | 1 juni 1998

Mars staat in de volle aandacht van interplanetair ruimteonderzoek en er worden steeds ambitieuzere missies voorgesteld. De heilige graal is wel het terugbrengen van marsmonsters naar de aarde. Zo hopen wetenschappers een antwoord te kunnen geven op een van de meest intrigerende vragen van deze tijd: “Was er ooit primitief leven op Mars?”

Doel van de missie

Het doel van de MSR missie is niet alleen monsters naar de aarde te brengen; het gaat om specifieke monsters die door eerdere missie zijn verzameld, geselecteerd en opgeslagen. De MSR missie moet deze opgeslagen monsters lokaliseren en terugbrengen naar de aarde. Tijdens de Amerikaanse Marsmissies van 2001 en 2003 zullen automatische Marswagentjes op de rode planeet worden gezet die tot taak krijgen monsters te verzamelen. Deze missies zullen op twee verschillende wetenschappelijk interessante plaatsen landen. Elk Marswagentje zal tijdens zijn omzwervingen over het Marsoppervlak een verzamelcontainer vullen met maximaal een halve kilogram bodemmonsters. De container zelf zal ook ongeveer een halve kilogram wegen. Een autonoom langlevend radiobaken zal ervoor zorgen dat de MSR missie de Marswagentjes kan terugvinden ook al zouden de wagentjes zelf al de geest hebben gegeven. Echter, de monsters van slechts een van de twee Marswagentjes kan worden opgehaald door de MSR missie, er zal dus gekozen moeten worden. De keuze zal gemaakt worden op basis van de wetenschappelijke waarde van de bodemmonsters in elk van de wagentjes en de geschiktheid van het terrein waar het wagentje zich bevindt als landingsterrein voor het landingsvaartuig.

De heenvlucht en terugvlucht van de Mars Sample Return missie. [NASA JPL]

Beschrijving van de MSR missie

De MSR missie zal in november 2004 gelanceerd worden en bestaat uit een landingsvaartuig en een moederschip. Beiden worden tegelijk gelanceerd. Na een vlucht van meer dan twee jaar komt de sonde bij Mars aan. De vlucht duurt veel langer dan de 270 dagen die een marsvlucht normaal duurt. Echter door het grote gewicht van de MSR sonde heeft men voor een langzamere baan gekozen die minder lanceerenergie kost en daarmee het gebruik van een kleinere raket toelaat. In figuur 1 is de baan te zien, terwijl in tabel 1 de belangrijkste gebeurtenissen tijdens de vlucht opgesomd zijn. Er is op dit moment nog geen draagraket gekozen, maar de missie zou kunnen worden uitgevoerd met een aantal raketten, de DELTA III, de Atlas IIIA, de Delta IV Medium (een EELV variant), de Atlas IIIB (ook een EELV variant) en de Ariane 5. Geen van deze draagraketten is op dit moment operationeel en alleen de Ariane 5 heeft al gevlogen. De Atlas IIIA en de Delta IV worden ontwikkeld in het kader van het EELV (Evolved Expendable Launch Vehicle, een millitair programma om een nieuwe familie van draagraketten te creëren ) programma, terwijl de Delta III een opgevoerde versie van de bestaande Delta is met een tweede trap die gebruik maakt van vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof. Alle Amerikaanse raketten zullen starten vanaf Cape Canaveral, de Ariane 5 vanaf Kourou. Om kosten te besparen is niet voor een directe landing gekozen, maar voor het principe van de Mars Orbit Rendez-vous (koppelen in een Marsbaan). Dit scenario is in wezen hetzelfde als het scenario dat tijdens de Apollo maanvluchten werd gebruikt. Een combinatie van landingsvaartuig en moederschip wordt gelanceerd waarna het landingsvaartuig alleen afdaalt naar het oppervlak. Daarna keert het landingsvaartuig weer terug naar het moederschip dat daarna alleen terug naar de aarde vliegt. Al in het begin van de jaren zestig bleek dat dit scenario het kleinste (en dus lichtste) voertuig opleverde omdat de brandstof en systemen die nodig zijn om terug te keren naar de aarde niet hoeven te landen en weer op te stijgen.

Tabel 1: Belangrijke gebeurtenissen tijdens de MSR missie

De MSR ruimtesonde

Het moederschip bestaat uit twee delen, een terugkeercapsule en een platform met raket- motoren, tanks, navigatieapparatuur etc. (ook wel Orbiter-Bus of kruisvlucht component genoemd). Het platformdeel zorgt voor de voortstuwing naar Mars en geeft de mogelijkheid om van Mars weer te ontsnappen en terug naar de aarde te vliegen. De terugkeercapsule biedt een hermetisch afgesloten ruimte die de terugkeer door de aardse dampkring kan overleven om daarna zacht te landen. Het landingsvaartuig (ook wel oppervlakte component genoemd) bestaat uit drie delen, de Lander-Bus, de Fetch Rover en het Ascent Vehicle. De Lander-Bus zorgt voor het veilig landen op Mars. Hiervoor worden parachutes en kleine raketmotoren gebruikt. De landing moet erg precies plaatsvinden om zo dicht mogelijk bij de Marswagentjes te komen. De Fetch Rover (Ophaal Wagentje) is een klein marswagentje dat de bodemmonsters ophaalt en ze naar de het landingsvaartuig terug brengt. Het Ascent vehicle (opstijgvaartuig) stijgt daarna met de monsters op en brengt ze naar het moederschip dat nog steeds om Mars cirkelt. Het opstijgvoertuig bestaat uit twee trappen die monomethyl hydrazine en MON-25 (75% stikstof tetroxide met 25% stikstofmonoxide) als stuwstoffen gebruiken. Deze stuwstoffen zijn bij kamertemperatuur vloeibaar en hebben een laag kookpunt en helpen daarmee met de warmtehuishouding. Het opstijgvoertuig is in staat een baan om Mars te bereiken op een hoogte van 240 km.

De componenten van de MSR sonde. [NASA JPL]

De vlucht naar Mars

Na de lancering zet de sonde koers naar Mars. Het moederschip zorgt voor de koerscorrecties en de navigatie onderweg. Voordat ze bij Mars aankomen brengt het moederschip het landingvaartuig op een dusdanige koers dat het landingsvaartuig zo dicht mogelijk in de buurt van de verzamelde bodemmonsters zal landen. Nadat het landingsvaartuig is losgekoppeld verandert het moederschip zijn koers weer om dan na het ontbranden van de hoofdmotor in een elliptische baan om de evenaar van Mars te belanden met een omlooptijd van 12,8 uur. Ondertussen voert het landingsvaartuig een automatisch bestuurde afdaling uit in de Marsatmosfeer. Nadat een hitteschild de snelheid heeft teruggebracht en is afgeworpen stuurt het landingsvaartuig een radiocommando naar het autonome radiobaken op het uitverkoren Marswagentje om het baken te activeren. Door middel van een radar hoogtemeter en het baken wordt de plaats van het Marswagentje bepaald en voert het landingsvaartuig berekeningen uit om een afdaling zodanig uit te voeren hij zo dicht mogelijk in de buurt van de verzamelde monsters zal landen. Door het optimale tijdstip van de ontplooiing van de parachutes te kiezen en gebruik te maken van de remraketten wordt de afstand tot de bakens geminimaliseerd. Door deze raketten te sturen hoopt men de horizontale en verticale snelheid vrijwel nul te laten zijn op het moment dat het landingsvaartuig de grond raakt. Het doel is om het landingsvaartuig minder dan 100 m van een van de Marswagentjes te laten landen.

Missie fasen tot aan de landing op Mars. [NASA JPL]

Operaties op het Marsoppervlak

Aan boord van het landingsvaartuig bevindt zich naast het eerder genoemde opstijgvaartuig en ophaalwagentje ook nog een reserve bodemmonster verzamelingsysteem. Omdat de marswagentjes die in 2001 of 2003 zijn gelanceerd op het moment dat het landingsvaartuig aankomt vrijwel zeker niet meer werken zal het ophaalwagentje de container met monsters gaan ophalen. Het ophaalwagentje zal apparatuur aan boord hebben om naar de oude Marswagentjes toe te manoeuvreren, de container met monsters op te pakken en hem terug naar het landingsvaartuig te brengen. Het reserve bodemmonster verzamelingsysteem kan bodemmonsters verzamelen die direct naast het landingsvaartuig liggen, mocht het onmogelijk blijken de al eerder verzamelde monsters op te halen. In een dergelijk geval zou ook het ophaalwagentje, mits uitgerust met een grijparm, mee kunnen helpen bodemmonsters te verzamelen. De container met bodemmonsters wordt daarna in een afgesloten ruimte opgeslagen aan boord van de opstijgvaartuig. Voordat het geheel luchtdicht wordt afgesloten wordt er ook nog een monster van de Marsatmosfeer genomen. Gedurende de activiteiten op het Marsoppervlak zal het moederschip door middel van “aerobraking” (het afremmen in de atmosfeer) zijn eerst elliptische baan verlagen tot een circulaire baan op een lage hoogte om het koppelen met het opstijgvaartuig te vergemakkelijken.

Missie fasen na de landing op Mars. [NASA JPL]

Terug naar de aarde!

Als alles in orde is zal de eerste trap van het opstijgvaartuig ontstoken worden en begint te terugvlucht. Als de eerste trap is uitgebrand, neemt de tweede het over. Het opstijgvoertuig zal aan het einde van zijn vlucht de tweede trap met daarin de container met monsters in een baan om Mars plaatsen die iets lager is dan die van het moederschip. De tweede trap zal dan drie-assig gestabiliseerd worden en verder passief afwachten. Het moederschip zal daarna de tweede trap achteroplopen en ermee koppelen. Op de tweede trap zijn twee navigatie systemen gemonteerd die het moederschip zullen helpen het opstijgvaartuig te vinden, een radiotransponder om het voertuig te peilen en een actief optisch doel. De transponder zal eerst worden gebruikt en zijn signalen zullen samen met die van het moederschip op aarde worden verwerkt om de twee vanaf de aarde naar elkaar toe te leiden. Daarnaast zullen het opstijgvaartuig en het moederschip via deze transponder met elkaar communiceren. Als het opstijgvaartuig en moederschip minder dan een kilometer van elkaar verwijderd zijn wordt de koppeling een autonome zaak van het moederschip omdat de vertraging voor sturing van de aarde te lang is. Het optische doel, dat bestaat uit een flitslicht dat gesynchroniseerd is met de radiosignalen, zal daarbij het belangrijkste hulpmiddel zijn. Na de koppeling zal de container met monsters van het opstijgvoertuig in een terugkeercapsule aan boord van het moederschip worden overgebracht. Tijdens deze overdracht moet vermeden worden dat er marsmateriaal dat aan de buitenkant van het opstijgvaartuig of vanuit de container met monsters op het moederschip of de terugkeercapsule terechtkomt. Om besmetting te voorkomen wordt er tijdens de overdracht zowel bij het opstijgvaartuig als het moederschip een beschermend zeil ontplooit. Deze zeilen zullen na de overdacht afgeworpen worden. Als de container met monsters aan boord van het moederschip is zal het opstijgvaartuig afgeworpen worden. Na enige tijd zal het in de Marsatmosfeer verbranden.

Het moederschip zal dan met verschillende ontbrandingen van de hoofdmotor zijn baan weer sterk elliptisch maken. Hierdoor kan de inclinatie gemakkelijk worden veranderd om in een zo gunstig mogelijke baan te komen om de terugtocht naar de aarde te aanvaarden. Als de aarde in een goede positie staat om terug te keren zal een laatste ontbranding in het periareum (laagste punt bij Mars) ervoor zorgen dat het moederschip naar de aarde terugvliegt. Op dit moment wil men de terugtocht in juli 2007 beginnen waarna de sonde in april of mei 2008 bij de aarde aankomt. Mocht het niet mogelijk zijn op dat moment op aarde terug te keren dan is de volgende mogelijkheid in 2010.

Het opstijgvoertuig. Bovenaan de terugkeercapsule, onderaan het kruisvlucht component. [NASA JPL]

Tabel 2: Snelheidsveranderingen tijdens de MSR missie.

De landing op aarde

De terugkeerbaan is niet direct op de aarde gericht zodat men eerst de afsluiting van de container met monsters kan onderzoeken. Mocht er iets misgaan, dan zal de capsule nooit uit zichzelf op aarde terechtkomen. Werken alle systemen echter zoals verwacht, dan zal enige tijd voordat het ruimteschip de aarde voorbij vliegt een manoeuvre worden uitgevoerd om ervoor zorgen dat dit niet het geval zal zijn. Deze manoeuvre zal er ook voor zorgen dat de capsule op een van tevoren bepaalde landingsplaats terechtkomt. Als de terugkeercapsule is losgekoppeld zal het moederschip er met een laatste manoeuvre ervoor zorgen dat zij in een baan om de zon blijft. De mogelijke landingsplaatsen zijn: Lake Eyre (Australië), het Kwajalein atol in de Marshall eilanden en de Utah Test and Training Range (Utah, VS).

Door de ongunstige aankomst condities bij de aarde is het wenselijk een landingsplaats te vinden die dichtbij of onder de equator ligt. Landingsplaatsen boven de equator zullen leiden tot hoge snelheidsverandering en daardoor tot meer brandstof, meer gewicht en hogere kosten voor de missie.

De terugkeercapsule zal een directe ballistische afdaling maken en zal dan aan parachutes in het water of op het land landen. Het huidige concept bestaat uit een capsule die door zijn vorm een lage eindsnelheid heeft en die aan de voorkant voorzien is van een kreukelzone om de landingsschok op te vangen. Na de landing worden de monsters in een quarantaine faciliteit gebracht die zo ontworpen is dat de container met monsters geopend kan worden zonder dat het aardse milieu besmet kan raken. Eerst zullen de monsters uitgebreid getest worden op biologische activiteit en blijkt dat dit niet het geval is dan zullen de monsters aan wetenschappers over de gehele wereld worden verspreid.

Ten slotte

Het zal duidelijk zijn dat deze missies zeer vele problemen met zich meebrengt, het opstijgen van Mars, het autonoom manoeuvreren op en rond Mars, de precisielanding en het voorkomen van besmetting van de aarde zijn de belangrijksten. Toch is NASA volop bezig om deze missie te realiseren en misschien liggen over tien jaar de eerste stukjes verse Marsgrond in de aardse laboratoria.

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart.
© Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juni 1998

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.