Je leest:

Smart-1 in de greep van de maan

Smart-1 in de greep van de maan

Auteur: | 1 december 2004

De Europese ruimtesonde Smart-1 bevindt zich nu in de greep van de maan. De maansonde heeft er ruim een jaar over gedaan om onze naaste buur te bereiken, maar daardoor is veel brandstof, dus gewicht en geld uitgespaard. Smart-1 is de eerste maansonde van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. De sonde doet niet alleen metingen, maar test ook nieuwe technologieën voor het ruimteonderzoek.

Smart staat voor ‘Small Mission for Advanced Research in Technology’ en de ‘1’ wijst er op dat het niet bij één ruimtevaartuig zal blijven. Smart-1 is het prototype van een serie kleine en relatief goedkope ruimtevaartuigen voor het testen van nieuwe technologieën die de ESA in haar toekomstige ruimteprojecten denkt te kunnen gaan gebruiken. Het Smart-programma is gericht op het vinden van nieuwe, slimme ( smart) oplossingen die de kosten van zulke projecten omlaag kunnen brengen en méér ruimteonderzoek voor minder geld mogelijk maken. De oplossingen worden vooral gezocht in miniaturisering, lichtgewichttechnologie en het gebruik van ionenaandrijving.

Impressie van de aankomst van Smart-1 op weg naar de maan. Tijdens de reis naar de maan worden technologieën getest, zoals ionenaandrijving en autonome navigatie, die bij toekomstige, interplanetaire ruimtevluchten kunnen worden gebruikt. ( Illustratie: ESA)

Smart-1 werd onder leiding van de Swedish Space Corporation gebouwd door een consortium van meer dan twintig Europese industrieën. De maansonde woog op aarde slechts 365 kilogram en heeft een volume van weinig meer dan één kubieke meter. Bij de bouw heeft miniaturisering dan ook een belangrijke rol gespeeld: de wetenschappelijke instrumenten wegen tezamen slechts negentien kilogram. De sonde werd op 28 september 2003 vanaf Kourou, in Frans-Guyana, gelanceerd met een Ariane 5. Omdat dit gezamenlijk met twee commerciële satellieten gebeurde, de e-Bird (van Eutelsat) en Insat-3E (van India), waren de kosten van de lancering gering. Smart-1 heeft daardoor in totaal ‘slechts’ 110 miljoen euro gekost.

Ionenvoorstuwing

De belangrijkste nieuwe technologie die met Smart-1 wordt getest is een ionenmotor, een nieuwe en efficiënte manier van voorstuwing in de ruimte. In deze motor, gebouwd door het Franse bedrijf Snecma, worden xenonatomen geïoniseerd, in een elektrisch veld versneld en met zeer grote snelheid de ruimte in geschoten. Volgens de derde wet van Newton levert deze versnelling (actie) een stuwkracht (reactie) in tegengestelde richting op. Een ionenmotor werkt in principe dus net zoals een gewone raketmotor, waarin de stuwkracht wordt geleverd door de hete gassen die door de reactie van chemische stuwstoffen ontstaan. Maar er zijn belangrijke verschillen.

Waar de stuwkracht van een gewone raketmotor heel groot kan zijn, bedraagt die van de Stationary Plasma Thruster (SPT) van Smart-1 slechts zeven gram: het gewicht van een euromunt! Het voordeel is echter dat zo’n ionenmotor zéér lang kan werken, waardoor de snelheid van het vrij lichte ruimtevaartuig uiteindelijk toch flink kan worden opgevoerd. Smart-1 had tijdens de start 82 kilogram xenongas aan boord, waarop zijn motor minstens anderhalf jaar lang kan werken. Hiermee kan in totaal een snelheidsverandering van vier kilometer per seconde tot stand worden gebracht. Met eenzelfde hoeveelheid (kortwerkende) chemische stuwstof zou die verandering 0,4 km/s bedragen.

De oorzaak van dit grote verschil ligt in het feit dat de gasdeeltjes de ionenmotor met een snelheid van zestien kilometer per seconde verlaten, terwijl dat bij een motor die op chemische stuwstoffen werkt hooguit drie kilometer per seconde is. De hoeveelheid impuls per massa-eenheid stuwstof, de specifieke impuls, is daardoor vele malen groter dan bij chemische stuwstoffen. Zo’n ionenmotor heeft echter veel elektriciteit nodig. Die wordt bij Smart-1 geleverd door twee zes meter lange panelen met zonnecellen van galliumarsenide die tezamen een vermogen van 1900 watt leveren. Ze zijn gebouwd door Dutch Space (voorheen Fokker Space). Ongeveer 1350 watt is bestemd voor de ionenmotor. Om te voorkomen dat deze door het uitstoten van positieve ionen zelf een negatieve lading krijgt, worden de elektronen die tijdens de ionisatie van het xenongas vrijkomen in de uitstromende ionenbundel geïnjecteerd.

Hoewel in ESA-verband al lange tijd aan de ontwikkeling van ionenmotoren wordt gewerkt, is het voor het eerst dat zo’n motor nu als hoofdaandrijving in een ruimtesonde wordt beproefd. NASA deed dat enkele jaren geleden al met Deep Space 1, een experimentele sonde die (in 1999) langs planetoïde Braille en (in 2001) komeet Borrelly vloog. ESA had – ongewild – echter ook al ervaring met deze techniek opgedaan. Haar experimentele communicatiesatelliet Artemis heeft een ionenmotor die bedoeld is voor het aanbrengen van kleine correcties in haar baan rond de aarde. Nadat deze satelliet in juli 2001 door het falen van een Ariane 5 in een veel te lage baan was gekomen, werd deze motor gebruikt om de satelliet stap voor stap naar de gewenste baan ‘op te tillen’: een klus die anderhalf jaar duurde en volledig slaagde.

Smart-1, met ingeklapte zonnepanelen. Dankzij de toepassing van miniaturisering neemt de maansonde een volume van slechts weinig meer dan één kubieke meter in beslag. ( Foto: ESA)

In een spiraal naar de maan Smart-1 kwam na de lancering in een zeer langgerekte baan om de aarde. Zijn ionenmotor heeft er sindsdien voor gezorgd dat de baansnelheid heel geleidelijk werd opgevoerd, waardoor het verste punt van de baan (het apogeum) steeds wat verder van de aarde af kwam te liggen. Door de motor periodiek in het meest nabije punt van de baan (het perigeum) enkele uren tot enkele dagen aan te zetten, kroop Smart-1 in een steeds groter wordende spiraal naar de maan. Op 19 augustus had de maansonde zich zo ver van de aarde verwijderd, tot op 230.000 kilometer, dat hij de aantrekkingskracht van de maan begon te ‘voelen’. De maan begon toen de baan van Smart-1 te veranderen. Op 15 september en 12 oktober, telkens één maanomloop later, vond opnieuw zo’n baanverandering plaats.

Op 16 november, na meer dan 330 omlopen rond de aarde, werd Smart-1 ten slotte definitief in het gravitatieveld van de maan ingevangen, zij het in een nog wat onstabiele baan. In de komende maanden moet die baan – via een ingewikkeld samenspel van de aantrekking door de maan en de stuwkracht van zowel de ionenmotor als de stuwraketjes – worden veranderd in een stabiele, langgerekte baan die vrijwel over de polen van de maan loopt. Tevens moet de ionenmotor er dan voor zorgen dat de baansnelheid geleidelijk afneemt en de sonde naar de maan toe spiraalt. Het is de bedoeling dat het laagste punt van de baan, het ‘perilune’, omstreeks medio januari op een hoogte van driehonderd kilometer komt te liggen en het hoogste punt, het ‘apolune’, op een hoogte van ongeveer drieduizend kilometer.

De ‘uitlaat’ van de ionenmotor van Smart-1. De stuwkracht ontstaat doordat xenonionen in een elektrisch veld worden versneld en met grote snelheid de ruimte in vliegen. Dat gebeurt hier via de donkere, ringvormige opening, die een diameter van ongeveer 8 centimeter heeft. De stuwkracht bedraagt slechts 7 gram, maar de motor kan op zijn xenonvoorraad minstens 16 maanden werken. Naast de uitlaat zitten twee ‘kanonnetjes’ die elektronen in het uitgestoten plasma schieten. Zo wordt voorkomen dat de maansonde zelf een negatieve lading krijgt. ( Illustratie: ESA)

Hoewel de maan onze meest nabije buur is, weten astronomen nog lang niet alles van haar af. Dat ligt onder andere aan het feit dat de maan altijd (vrijwel) hetzelfde deel van haar oppervlak naar ons toe keert, waardoor de andere helft vanaf de aarde nooit is te zien. Dat is een gevolg van de zogeheten gebonden rotatie: de maan draait even snel (in ruim 27 dagen) om haar as als om de aarde. De landingen op de maan en het onderzoek door de Apollo-astronauten vonden steeds plaats in het gebied rond de evenaar van dit ene halfrond en ook de maanstenen die voor onderzoek naar de aarde werden genomen, kwamen hier vandaan. Verder zijn ook de poolgebieden veel minder goed bekend dan het deel dat de nachtgodin naar ons toewendt.

Ondanks het ruimteonderzoek is over verscheidene maankwesties het laatste woord nog niet gezegd. Zo staat weliswaar vast dat er meer dan drie miljard jaar geleden grote vulkanische activiteit op de maan heerste, maar is het nog niet duidelijk wanneer die activiteit geheel was uitgedoofd. Er zijn zelfs astronomen die menen dat de laatste stuiptrekkingen van deze processen ook nu nog merkbaar zijn. In de jaren zeventig werden diepe haarden van bevingen op de maan ontdekt, waarvan de activiteit min of meer periodiek onder invloed van de getijdenkrachten van de aarde fluctueerde: misschien een teken van (zwakke) vulkanische of tektonische activiteit. Verder zijn er regelmatig berichten over lichtverschijnselen op de maan die aan het ontsnappen van vulkanische gassen worden toegeschreven, zogeheten transient lunar phenomena of TLP’s.

Ook over het ontstaan van de maan is het laatste woord zeker nog niet gezegd. Volgens de theorie die momenteel het meest wordt aanvaard zou 4,5 miljard jaar geleden een ‘planetesimaal’ (een groot object in de schijf van oermaterie rond de zon) tegen de proto-aarde zijn gebotst. Dit object, dat de grootte van Mars moet hebben gehad, zou een mengsel van zowel de aardmantel als zichzelf de ruimte in hebben geslingerd. Een deel van dit materiaal kwam in een baan om de aarde, waar zich door samentrekking en stolling de maan vormde. Astronomen willen graag weten wanneer deze botsing precies plaatsvond, hoeveel materie van de binnendringer in de maan eindigde, waarom alles eigenlijk niet terugviel naar de aarde en waarom er niet meerdere manen zijn ontstaan.

Het meest recente raadsel rond de maan is dat van de mogelijke aanwezigheid van ijs. Meer dan een kwart eeuw geleden suggereerden enkele astronomen dat er ijs (van water) in de koudste gebieden op de maan zou kunnen voorkomen. Het zou zich kunnen bevinden op plaatsen die nooit in het zonlicht komen, zoals de bodem van kleine kraters bij de maanpolen waar de temperatuur beneden de –170 oC blijft. In 1994 werden uit kraters bij de polen van de maan radarreflecties ontvangen die op bodemijs leken te wijzen en in 1998 mat de maansonde Lunar Prospector verhoogde concentraties waterstof die hetzelfde deden. In 2003 lieten radarwaarnemingen vanaf de aarde echter géén ongewone reflecties zien. Het zou dus ook kunnen zijn dat de relatief hoge waterstofconcentraties die Lunar Prospector heeft gemeten niet afkomstig zijn van ijs, maar van atomen uit de zonnewind die in het maanoppervlak gevangen zaten.

Driedimensionale computeranimatie van de manier waarop Smart-1 in een polaire baan om de maan komt. Via steeds groter wordende banen rond de aarde bereikte hij het punt waar hij in de greep van de aantrekkingskracht van de maan kwam (links). In de komende weken wordt de beweging van Smart-1 zodanig veranderd, dat hij in een bijna polaire baan rond de maan komt, en vervolgens wordt het laagste punt van die baan geleidelijk verlaagd (rechts). ( Illustratie: ESA)

De maan onder de loep

Als Smart-1 eenmaal in een baan om de maan draait, zal hij deze buur minstens zes en misschien wel twaalf maanden lang met zijn instrumenten gaan waarnemen. Terwijl AMIE (Asteroid-Moon Micro-Imager Experiment) de maan fotografeert, meten de infraroodspectrometer SIR (Spectrometer for the Infra-Red) en de röntgenspectrometer CIXS (Compact Imaging Xray Spectrometer) de hoeveelheden mineralen en chemische elementen in het maanoppervlak. Dat is van belang voor het onderzoek naar de ontwikkeling en ‘verwering’ van de maanbodem en het ontstaan van de maan.

Met een vierde instrument, RSIS (Radio Science Investigation with Smart-1), zal de zogeheten fysische libratie van de maan worden bestudeerd. Dat is de geringe slingerbeweging van de rotatie-as van de maan die ontstaat doordat de maanbol een ietwat onregelmatige vorm heeft en tijdens zijn aswenteling een beetje om zijn gemiddelde stand heen en weer slingert. Door de omloopbaan van Smart-1 met behulp van zijn stersensoren en radiosignalen tot heel nauwkeurig referentievlak te promoveren, hoopt men deze slingering via opnamen van het maanoppervlak te kunnen meten. Het is voor het eerst dat dit effect bij een hemellichaam vanuit een omloopbaan wordt bestudeerd.

Twee instrumenten van Smart-1, EPDP (Electric Propulsion Diagnostic Package) en SPEDE (Spacecraft Potential, Electronic and Dust Experiment), zijn bedoeld voor het bestuderen van de neveneffecten van de ionenmotor, zoals het ontstaan van ongewenste elektrische ladingen en stromen en de ‘vervuiling’ van de ruimte rond Smart-1 door het uitgestoten plasma. Met nog twee andere instrumenten, KaTE en Laser- Link, zijn al tijdens de tocht naar de maan nieuwe mogelijkheden voor telecommunicatie getest: met microgolven (in de Ka-band, rond 9 mm) en met laserlicht. Dit gebeurde via een grondstation van de ESA op Tenerife.

Naar de maan en verder

Smart-1 is ontworpen om zo zelfstandig mogelijk, met minimale in- terventie vanuit het vluchtleidingscentrum ESOC in Darmstadt, zijn weg in de ruimte te kunnen vinden. Daarvoor dient het computersysteem OBAN (On-board Autonomous Navigation), dat de ruimtelijke positie van Smart-1 afleidt uit de data van twee stersensoren en opnamen die met de AMIE-camera van de aarde, de maan en enkele bekende planetoïden worden gemaakt. Op grond van de gemeten posities kan de baan worden berekend en worden beslist welke koerscorrectie nodig is. Zo’n autonoom navigatiesysteem bevond zich ook aan boord van de Amerikaanse ruimtesonde Deep Space 1 (die in september 2001 langs komeet Borrelly vloog) en Stardust (die in januari 2004 stof van komeet Wild 2 opveegde en dit in januari 2006 op aarde moet afleveren).

Hoewel Smart-1 niet verder komt dan de maan, worden er technieken mee getest die later gebruikt kunnen worden voor langere, interplanetaire reizen. Rond 2012 wil de ESA, in samenwerking met het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA, twee sondes naar de planeet Mercurius sturen, het zogeheten project Bepi- Colombo. Dit duo zal ook via een ionenmotor en autonome navigatie de weg naar Mercurius moeten vinden. Hetzelfde geldt voor de Solar Orbiter, die mogelijk ook in 2012 naar onze buurster wordt gestuurd. Daarnaast zullen ionenmotoren waarschijnlijk in toenemende mate worden gebruikt voor het corrigeren van de baan van geostationaire satellieten: satellieten voor telecommunicatie en aardbewaking die op een vast punt boven het aardoppervlak moeten blijven staan.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Zenit.
© Zenit, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 december 2004

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.