Het heelal onderzocht

Het heelal onderzocht H.H.F. Smid ribs Space Consultancy & Insurance

Vandaag de dag heeft de mensheid grote successen geboekt in zowel bemande aardseomloop-missies als in het bemande onderzoek van de maan. Bij het onderzoek van het heelal is het echter de robotica die ons in staat stelt ons zonnestelsel systematisch, stap voor stap, te analyseren. Om de tijd en afstand die gemoeid is met interplanetair reizen te begrijpen, moeten we aardse maatstaven loslaten. De afstanden naar de planeten doen het stukje dat we aflegden om de maan te bezoeken, 350.000 km, verbleken. De reis van Voyager 2 is een goed voorbeeld van interplanetair reizen. Toen dit ruimtevaartuig langs Neptunus scheerde, was het twaalf jaren onderweg en had het 4,8 miljard km afgelegd. Het zond nog steeds zwart-wit beelden naar de aarde. Voyager 2 reist nu met een snelheid van ongeveer 1,4 miljoen km per dag ons zonnestelsel uit en zal er ongeveer 40.000 aardse jaren over doen om de dichtstbijzijnde ster te bereiken.

Vanaf het moment dat ruimtevaart zijn intrede deed en we in staat waren de ruimte te bereiken, hebben we vanuit die nabije ruimte gekeken naar planeten en sterren en hebben we ruimtevaartuigen voor onderzoek naar de planeten gezonden. Het is onmogelijk de hele geschiedenis van het onderzoek van het heelal in een paar pagina’s uit de doeken te doen. Noodgedwongen beperken we ons daarom, alfabetisch, tot grote en/of bijzondere programma’s.

wikkeling van ruimtevaarttechnologie waarvan andere ruimtevaartprogramma’s konden profiteren. Ook heeft het programma veel bijgedragen aan de wetenschap zoals het vaststellen van de samenstelling van het oppervlak van de maan, dat er geen organisch leven voorkwam en dat er geen atmosfeer was. Tot het Apollo programma moeten ook de Ranger, Surveyor en Lunar Orbiter programma’s worden gerekend. Het Ranger programma was de eerste van drie stappen die tot het Apollo programma

Apollo

De eerste foto van de aarde, genomen vanuit de omgeving van de maan, werd op 23 augustus 1966 gemaakt door de Lunar Orbiter 1. [NASA LaRC]

Het Apollo programma was ontwikkeld om een serie Amerikaanse bemande expedities naar de maan te kunnen zenden, daar onderzoek te plegen en de bemanningen en onderzoeksresultaten veilig naar de aarde terug te brengen. Althans zo luidde de wetenschappelijke doelstelling. De eerste Apollo lanceringen (vanaf 1964) waren testlanceringen. Vanaf Apollo-7 (1968) waren de ruimtevaartuigen bemand en de Apollo-11 missie (20 juli 1969) voerde de eerste bemande landing op de maan uit. De Apollo-17 (zesde en laatste landing) missie vond plaats in december 1972. Ofschoon het Apollo programma een zeer sterke politieke/ideologische drijfveer kende (de Russen verslaan bij het als eerste een mens op de maan te brengen), heeft het programma zeer veel bijgedragen aan de ont-

RUIMTEVAART JUNI 1998

3

moesten leiden. De Ranger ruimtevaartuigen werden ontwikkeld om naar de maan te vliegen en visuele topografische gegevens terug naar de aarde te sturen gedurende de reis naar de maan tot en met het punt van inslag op de maan. Ranger-1 werd al in 1961 gelanceerd maar het programma gaf pas resultaat bij Ranger-7 in 1964. In totaal werden er negen Rangers gelanceerd. De tweede stap op weg naar de maan was het Surveyor programma dat moest aantonen dat er op de maan een zachte landing kon worden uitgevoerd. Niet elke landing van de zeven Surveyors werd perfect uitgevoerd maar ze vergrootten wel het inzicht in de naderings- en landingsproblematiek. Surveyor-3 bijvoorbeeld stuiterde als een skippybal, maar was toch nog in staat om oppervlaktemonsters te nemen; Surveyors 2 en 4 sloegen te pletter, terwijl nummers 1, 3, 5, 6 en 7 een geslaagde landing maakten.

Dr. James Pickering (NASA JPL), Dr. James van Allen (Universiteit van Iowa) en Dr. Wernher von Braun (Army Ballistic Missile Agency ) laten triomfantelijk een model van de Explorer 1 zien kort na de lancering op 31 januari 1958. [NASA MSFC ]

De vijf Lunar Orbiters die werden gelanceerd hadden tot doel geschikte landingsplaatsen voor Apollo ruimtevaartuigen te ontdekken. Ze waren ontworpen om topografische gegevens vast te leggen in het evenaargebied van de maan. Uiteindelijk werd nagenoeg de hele voorkant van de maan in kaart gebracht en bijna 80% van de achterkant.

Explorer Het Explorer ruimtevaartprogramma is het meest uitgebreide programma in de geschiedenis van Amerikaans onderzoek van het heelal. In aantallen wordt het alleen overtroffen door het Russische Kosmos programma. Het Explorer programma startte in 1958 met Explorer-1 dat tevens Amerika’s eerste ruimtevaartuig in de ruimte werd. De laatste Explorer, nummer 55 maar het 62ste ruimtevaartuig in de serie, werd gelanceerd in 1975. Alle Explorer ruimtevaartuigen werden voor wetenschappelijk onderzoek door de NASA of andere onderzoeksorganisaties ontwikkeld en gebouwd. Behalve de eerste vijf werden ze allemaal door NASA beheerd. De eerste vijf ruimtevaartuigen waren een produkt van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en deden voornamelijk onderzoek in de nabije ruimte. Explorer ruimtevaartuigen deden onderzoek op het gebied van kosmische straling (röntgen, gamma, ultraviolet, deeltjes), micrometeorieten, magnetische velden en zonnewind en -uitbarstingen. Ook werd met behulp van Explorers radio astronomie bedreven. Met Explorers werd zowel onderzoek vanuit aardse omlopen als in het kader van het Interplanetary Monitoring Platform vanuit de interplanetaire ruimte (vanaf Explorer-18) uitgevoerd.

Interkosmos In 1967 stichtte de Sovjetunie het Interkosmos programma dat tot doel had onderzoek in de ruimte en het onderzoek van het heelal gezamenlijk met leden van het Oostblok uit te voeren. De oorspronkelijke leden waren Bulgarije, Cuba, Hongarije, Mongolië, OostDuitsland, Polen, Roemenië, de Sovjetunie en Tsjechoslowakije. Behalve onderzoek van de ruimte in de nabijheid van de aarde, werd ook veel onderzoek verricht naar de effecten van zonne-ultraviolet, zonne-uitbarstingen, röntgenstraling, kosmische straling en geladen deeltjes. Speciale lanceringen uit het programma waren Kopernicus 500 in 1973 (onderzoek naar de ionosfeer en zonnestraling), en Bulgarije 1300 in 1981 (geofysisch onderzoek dat was gerelateerd aan ionosferisch en magnetosferisch onderzoek). In totaal werden 24 Interkosmos missies uitgevoerd.

4


Luna In het begin van de ruimte-eeuw stond de maan bij de Sovjets hoog in het vaandel. De maan was dichtbij en zou snel succes kunnen opleveren. De voorsprong die de Sovjets hadden op de Amerikanen v.w.b. zware draagraketten gaf hen bovendien de kans op een aantal gebieden als eersten uit de bus te komen. Snel achterelkaar slaagden Sovjet ruimtevaartuigen er in langs de maan te vliegen, er op te pletter te slaan en de eerste foto’s te nemen van de achterzijde van de maan. Luna1 die op 2 januari 1959 werd gelanceerd, woog 361 kg en miste de maan op ongeveer 6000 km. Door de aantrekkingskracht van de maan werd het bolvormige ruimtevaartuig het zonnestelsel ingeslingerd en werd het eerste door mensen gemaakte apparaat dat in een baan om de zon terecht kwam. Midden zestiger jaren slaagden de Sovjets er al in een zachte landing op de maan uit te voeren en een ruimtevaartuig in een baan om de maan te brengen. Tot een bemande maanvlucht kwam het niet voor de Sovjets wegens problemen met de draagraket en niet gelukte voorbereidingsvluchten met o.m. het Zond ruimtevaartuig. De Sovjets concentreerden zich daarom in de zeventiger jaren op automatische vluchten die maanstof naar de aarde terug moesten brengen en op maanwagens voor uitgebreid onderzoek. Na 24 Luna vluchten en, zeker in het begin, vele mislukte pogingen werd het programma in 1976 beëindigd.

Mariner De Amerikaanse Mariner ruimtevaartuigen werden ontworpen om andere planeten in het zonnestelsel te onderzoeken. Ze onderzochten Mars, Venus en Mercurius van dichtbij en zonden foto’s en gegevens terug naar de aarde zonder daadwerkelijk op die planeten te landen. Met uitzondering van Mariner-5 en -10, die voor solo missies werden ontworpen, bestonden Mariner missies in principe uit twee identieke ruimtevaartuigen die ongeveer twee maanden na elkaar naar dezelfde planeet werden gestuurd. Van de combinaties Mariner-1/2 (Venus), -3/4 (Mars) en -8/9 (Mars) ging echter steeds een exemplaar bij de lancering verloren zodat dit ook solo mis-


De Luna-16 die op 20 september 1970 een zachte maanlanding in de Mare Foecunditatis maakte. [RSSI]

sies werden. Mariner-5 (Venus) was een back-up satelliet voor Mariner-4 en Mariner10 werd ontworpen als een solo missie die twee planeten moest langsvliegen. Alle Mariners, behalve 8/9 en 10 waren langsvliegmissies waarbij het ruimtevaartuig simpelweg langs de planeet moest vliegen die onderzocht moest worden. Mariner-6/7 voldeden aan de verwachtingen en stuurden 200 foto’s van Mars en andere gegevens terug naar de aarde. Mariner-8/9 moesten in een baan rond Mars geraken, hetgeen Mariner-9 ook gelukte, en Mariner-10 vloog een keer langs Venus en drie keer langs Mercurius. Het Mariner programma duurde van 1962 t/m 1973.

Mars Er bestaat een heel groot contrast tussen de Mars en Venus programma’s van de Sovjets. Terwijl ze grote successen boekten in het plaatsen van sondes in een baan rond, en op het opperplak van Venus, kunnen die pogingen v.w.b. Mars nagenoeg alleen maar als mislukt worden beschouwd. Slechts een van de zeven Marsvluchten kan als een volledig succes worden beoordeeld. Ofschoon er zeven Marsvluchten de naam Mars hebben ge-

5

effecten en van de aardse atmosfeer konden worden uitgevoerd vanaf stabiele ruimtevaartuigen die waren ontworpen om zulke wetenschappelijke experimenten met grote nauwkeurigheid uit te voeren. Het OSO programma zorgde vooral voor een doorlopende studie van de elf jaar cyclus van de zon. Het OSO programma startte op 7 maart 1962 met de lancering van OSO-A. Deze missie duurde tot 6 augustus 1963 (het ruimtevaartuig verging pas op 8 oktober 1981). In totaal werden van 1962 t/m 1975 acht OSO ruimtevaartuigen gelanceerd die veel hebben bijgedragen aan de kennis van de zon. Model van de OSO-1 in het National Air and Space Muesum in Washington. [NASM]

kregen, zijn er ook (mislukte) vluchten die onder een Kosmosvolgnummer of Zond-missie te boek staan. Aangenomen wordt dat van 1960 t/m 1973 de Sovjets gedurende elke lanceeropening hebben getracht missies naar Mars te lanceren. Nikita Khruschev zou zijn aankomst in New York voor de bijeenkomst van de Verenigde Naties in 1960 zo gepland hebben dat dit samen zou vallen met de lancering van twee Marssondes op 10 en 14 oktober. Hij zou twee modellen van de ruimtevaartuigen bij zich hebben gehad om ze aan de westerse media te tonen. Beide lanceringen mislukten echter en de modellen bleven in Khruschevs bagage. Na de mislukte Mars1 poging in 1962 duurde het officieel tot 1971 voor de Sovjets weer een (mislukte) poging waagden. In 1973 werden zelfs vier Mars sondes gelanceerd; twee die in een baan rond Mars moesten komen en twee die een landing op Mars zouden uitvoeren. Ook deze serie was geen onverdeeld succes. Het zou tot 1988 duren voordat de Sovjets officieel een nieuwe poging zouden wagen die de echecs van de Mars serie moesten doen vergeten en de ruimtevaartuigen kregen de naam Phobos. Ook deze missies mislukten echter.

Orbiting Solar Observatory De OSO ruimtevaartuigen werden ontwikkeld om waarnemingen van de zon mogelijk te maken en om natuurkundige experimenten te kunnen uitvoeren om een breed spectraal gebied van zonnestraling te kunnen onderzoeken. Onderzoeken die eerder werden gehinderd door de oplossende en verstorende

6

Pioneer Zoals het Explorer programma, werd het Pioneer programma opgezet om een aantal verschillende missies op het gebied van interplanetair onderzoek uit te voeren. De eerste serie werd ontwikkeld voor de langsvliegmisies en omloopmissies van de maan. De tweede serie werd ontwikkeld voor zonneonderzoek en de laatste groep als interplanetaire ruimtevaartuigen gericht op Jupiter, Saturnus en Venus. In totaal werden er tussen 1958 en 1978 veertien lanceerpogingen ondernomen. Pioneer-1 t/m -3 werden op de maan gericht maar mislukten. Pioneer-4 passeerde maan binnen een straal van zo’n 60.000 km. Pioneer-5 t/m -9 gingen in zonne-omloop zodat zonne-uitbarstingen bestudeerd konden worden en konden waarschuwen voor zonne-activiteit die een negatief effect konden hebben op satellieten en grondsystemen. Ofschoon nummer 5 al na drie maanden de geest gaf, zorgden de rest van de ruimtevaartuigen in deze serie voor opmerkelijke successen. Zo bewees nummer 8 dat de aarde een magnetische staart (zoals bij een komeet) heeft en dat het mogelijk was een electrisch-veld-detector van 1971 tot 1984 uit te zetten en dan gewoon weer aan te zetten. Na 13 jaren winterslaap kwam de satelliet gewoon weer tot leven. De laatste groep Pioneers was de serie 10 t/m 13. Pioneer-10 was de elfde lancering (3 maart 1972) in het Pioneer programma (op 27 augustus 1969 mislukte de originele Pioneer10 lancering). Het kleine, ongeveer 350 kg wegende ruimtevaartuig was slechts bedoeld om van dichtbij de Asteroïdegordel te bekij-


ken (waarbij het waarschijnlijk zou vergaan) en eventueel een blik op Jupiter te werpen. Het ruimtevaartuig deed belangrijk meer dan dat. Pioneer-10 vloog ongedeerd door de Asteroïdegordel en passeerde in december 1973 Jupiter op een afstand van slechts 130.000 km (na een afstand van ongeveer een miljard km te hebben afgelegd). Het ruimtevaartuig zond spectaculaire foto’s en gegevens over de atmosfeer, magnetische velden, interne structuren en manen van die gigantische planeet naar de aarde. Voor de eerste keer werden de sterke stralingsgordels van Jupiter in kaart gebracht en werd aangetoond dat die planeet voornamelijk vloeibaar is. Ook werd van de vier manen van Jupiter, Io, Europa, Ganymede en Callisto, de massa bepaald. Na deze ontmoeting vloog Pioneer-10 het zonnestelsel uit. De volgende Pioneers werden naar hun bestemming genoemd: Pioneer-Saturnus (1974) en Pioneer-Venus (1978).

instrumenten werden geplaatst. (Deze Prognozvluchten moeten echter niet worden verward met de Prognozvluchten sinds het begin van de negentiger jaren, want dat zijn geostationaire ruimtevaartuigen met als taak het waarschuwen voor lanceringen van (Amerikaanse) ballistische raketten.) Het ruimtevaartuig weegt ongeveer 1000 kg en bestaat uit een cilinder die onder druk staat met vier driehoekige zonnepanelen die loodrecht op de cilinder staan. De ruimtevaartuigen zijn spingestabiliseerd en voeren antennes en verschillende wetenschappelijke instrumenten die aan het halve-bol-einde van de cilinder zijn bevestigd. Tussen 1972 en 1985 werden tien Prognozvluchten uitgevoerd. Op een aantal van deze vluchten werden ook buitenlandse (waaronder Franse en Zweedse) instrumenten meegevoerd.

Vega/Venera Prognoz Sinds het begin van de jaren zeventig hebben de Sovjets ruimtevaartuigen met de naam Prognoz in sterk elliptische ruimtebanen gebracht om de zonnestraling te bestuderen (voornamelijk de zonnewind en zonne-uitbarstingen), en de plasma-omgeving van de aarde en de magnetosfeer te onderzoeken. Behalve dat deze vluchten zorgden voor wetenschappelijke gegevens over de zon, aarde en het ontstaan van het heelal, droegen Prognoz vluchten bij aan de Sovjet bemande ruimtevaart door informatie te verschaffen met betrekking tot zonne-activiteit (deze informatie werd gebruikt om perioden te voorspellen waarin bemande missies het minste risico liepen) en aan het genereren van gegevens waarmee de gevoeligheid van ruimtevaartuigen voor het binnendringen van zonnedeeltjes kon worden bepaald. Alle Prognozvluchten werden uitgevoerd met hetzelfde basisruimtevoertuig waarop steeds verschillende

Relatief snel na de lancering van de eerste satelliet in 1957 deed de Sovjetunie pogingen om met een ruimtevaartuig de omloopbaan van de aarde te verlaten. De eerste poging, op 4 februari 1961, om een ruimtevaartuig naar Venus te zenden, mislukte. De Tyazheily Sputnik-4 kwam niet verder dan de aardse omloopbaan. Een paar dagen later, op 12 februari, lukte het echter wel en Venera-1 werd daarmee het eerste interplanetaire ruimtevaartuig en passeerde Venus op zo’n 100.000 km. De ruimtevaartuigen die in de Venera serie werden gelanceerd waren niet allemaal geslaagde pogingen, maar een aantal Venera’s behaalden uitzonderlijke successen waaronder de eerste foto’s van het oppervlak van Venus. In 1983 (in totaal hadden er 25 lanceerpogingen plaatsgevonden) hadden de Sovjets in het Veneraprogramma zeven zachte landingen uitgevoerd, twee wetenschappelijke ladingen in een Venus-omloop geplaatst en de planeet met twee radarsatellieten in kaart gebracht.

De (enige) opname die de Venera-9 Lander maakte van het oppervlak van Venus op 22 oktober 1975. [NASA GSFC]


7

De Viking-2 Lander op Mars met uitzicht op Utopia Planitia. [NASA GSFC]

8

Vega is het Russische acroniem voor Venus Halley en staat voor het meest ambitieuze interplanetaire ruimtevaartprogramma (1984-1986) dat de Sovjets ooit hebben uitgevoerd. De drievoudige missiedoelstelling bestond uit het plaatsen van landingsmodules op het oppervlak van Venus, het loslaten van door Frankrijk ontworpen ballonnen in de atmosfeer van Venus en, met gebruikmaking van de zwaartekracht van Venus, sondes in een ontmoetingsbaan met de komeet van Halley te brengen. Behalve de inbreng van de Sovjetunie en Frankrijk in dit programma, hadden niet alleen een aantal Oostbloklanden, maar ook de VS, Oostenrijk en West-Duitsland deel aan deze missies. De landingsmodule van Vega-1 landde op 11 juni 1985 (het ruimtevaartuig was op 15 december 1984 gelanceerd) op de planeet Venus. Wegens een defect aan de tijdschakelaars gedurende de daling, werd het boormechanisme te vroeg in werking gesteld. De landingsmodule verzond echter nog 21 minuten lang wetenschappelijke gegevens. De ballon werd op 54 km losgelaten en gaf 46 uur lang wetenschappelijke informatie door. In maart 1986 vloog de eerste ruimtesonde op 10.000 km van de kern van de komeet van Halley. De Vega-2 landingsmodule deed het veel beter dan zijn voorganger en was in staat om een monster van de Venusbodem te nemen en dat te analyseren. Het monster bleek van dezelfde samenstelling te zijn als die werd geanalyseerd op de maan gedurende het Luna programma. De ballon deed nagenoeg hetzelfde als de ballon van Vega-1 en zond ook voor ongeveer 46 uur wetenschappelijke gegevens naar de aarde. De Vega-2 sonde

kwam drie dagen na de Vega-1 sonde tot op 7.000 km van de kern van de komeet van Halley.

Viking De doelstelling van het Vikingprogramma was twee ruimtevaartuigen in een omloop rond de planeet Mars te brengen en dan van elk ruimtevaartuig een landingsvaartuig los te laten die dan op het oppervlakte van de Rode Planeet een zachte landing moesten maken. Het programma begon al in 1968 en bereikte het hoogtepunt in juli en september 1976 toen de twee Viking landingsvaartuigen een zachte landing maakten. Er werden twee satellieten en twee landingsvaartuigen gebruikt om de kans op succes bij dit uiterst moeilijke programma zo groot mogelijk te maken. Mars had altijd al de interesse van wetenschappers gehad en stond in grote belangstelling bij andere geïnteresseerden vanwege de overeenkomsten met de aarde en omdat daarom de kans op leven op Mars groter was dan welke andere planeet dan ook. Het onderzoek of er leven op Mars voorkwam, in welke vorm dan ook, was dan ook een belangrijk gedeelte van het Vikingprogramma. Om te voorkomen dat het oppervlakte van Mars bevuild zou worden met aardse organismen, werden de landingsvaartuigen gesteriliseerd en in een “bioschild” ingekapseld. Dit schild werd in de ruimte verwijderd. Het onderzoek in het kader van het Vikingprogramma bracht geen artefacten van een Martiaanse beschaving aan het licht en vond geen spoor van de kanalen waarvan sommigen dachten dat die er zouden moeten zijn. Het ontdekte wel dat de atmosfeer eens dikker geweest moest zijn, het oppervlakte warmer en dat er ooit grote rivieren met water op de planeet waren geweest. Er werden geen aanwijzingen gevonden van leven, niet in het verleden en niet in het heden, maar chemische analyses sloten (eerder) leven niet uit. De atmosfeer van Mars, ondanks dat die slechts 1% zo dik als die van de aarde is, bevat elementen als stikstof, koolstof, zuurstof en waterdamp, die op aarde noodzakelijk zijn om leven mogelijk te maken. Veel waterdamp werd ontdekt in het noordelijke halfrond en veel water dat in bevroren toe-


stand voorkomt in de noordelijke poolkap. In de ochtenden kon grondmist nabij de landingsvaartuigen worden geconstateerd en er werd ook permafrost ontdekt.

Voyager Een ander uitermate succesrijk programma met slechts twee ruimtevaartuigen was het Voyagerprogramma dat door het Jet Propulsion Laboratory van NASA werd uitgevoerd. Twee identieke ruimtevaartuigen moesten de planeten Jupiter en Saturnus wetenschappelijk onderzoeken en de kennis die met Pioneer-10 en -11 van die twee planeten was verkregen, aanvullen. Bovendien moesten ze de planeten Uranus en mogelijk Neptunus langsvliegen – planeten die zo ver van de aarde staan dat er nog nooit een duidelijk plaatje van gemaakt was. De foto’s die de twee Voyagers van Jupiter, Saturnus en hun manen maakten waren verbazingwekkend. Onze kennis van deze twee complexe hemellichamen werd zeer vergroot door de nabije langsvliegmissies van de ruimtevaartuigen die zelfs door de ringen van Saturnus vlogen. Het onderzoek zorgde voor nieuwe ontdekkingen en voor antwoorden op vragen die eeuwenlang astronomen niet hadden kunnen beantwoorden. Foto’s van de grote rode vlek op Jupiter werden terug naar de aarde geseind. Foto’s van Jupiters manen toonden aan dat Io geen water had, de vulkanisch zeer actieve maan Europa bleek voornamelijk vlak te zijn en had veel water, en dat Callisto en Ganymede uit ongeveer evenveel water in de vorm van ijs als rotsen bestonden. De ringen van Saturnus en de meeste van zijn manen, bleken voor het grootste gedeelte te bestaan uit water in de vorm van ijs, behalve Febe, de buitenste maan, die voornamelijk uit rotsen bestaat en de grootste maan Titan die voor ongeveer de helft uit rotsen bestaat. Voyager-1 passeerde Titan op 11 november 1980 op zo’n 3500 km. Jupiter en Saturnus hebben woeste atmosferen met stormen die al eeuwenlang razen en groot genoeg zijn om de aarde in te laten verdwijnen. De twee planeten bestaan eigenlijk alleen maar uit atmosfeer met geen aanwijsbaar, althans tot nu toe, oppervlak. Binnen die atmosferen wordt chemisch hitte ontwikkeld waarbij de uitge-


straalde hitte 21/2 keer zo groot is als de hitte die ze van de verre zon ontvangen. Omdat de Voyagers zo ver van de zon moesten vliegen, zijn ze uitgerust met kleine nucleaire vermogensgeneratoren. Tot hun instrumentenpakket behoorden ondermeer een infrarood spectrometer en radiometer, een ultraviolet spectrometer, een fotopolarimeter, plasma detectors, een lage-energie-geladen-deeltjes meter, een magnetometer en een radio-astronomische- en plasma golfdetector. Voor de beelden werden twee TV-cameras meegevoerd; een met een 1500 mm f8,5 telelens en een met een 200 mm f3 breedhoeklens.

Zond Het Russische Zond programma had niet ‘n eenduidige doelstelling. Zond ruimtevaartuigen werden gelanceerd in maanomlopen, in interplanetaire banen en in aardse omlopen. Tussen 1964 en 1970 kunnen drie fasen in de lanceringen van Zond ruimtevaartuigen worden onderscheiden: een Venus missie, twee Mars missies en vijf voorbereidingsmissies voor bemande ruimtevaart naar de maan. Zond-1 was een gedeeltelijk geslaagde missie naar Venus en kwam tussen Venera-1 en Venera-2 (zie aldaar). Zond-2 en -3 werden tussen Mars-1 en -2 ingepast. Bij Zond-2 werd de communicatie verbroken (een klacht die veel vroege Russische interplanetaire ruimtevaartuigen vertoonden). Op weg naar Mars passeerde Zond-3 de maan en nam van de achterkant 25 foto’s die naar de aarde werden teruggezonden. Zond-4 was een test ruimtevaartuig. Zond-5 werd rond de maan gezonden en passeerde het hemellichaam op 1950 km. Een paar dagen later werd hij ‘s nachts in de Indische Oceaan geborgen. De Sowjets behaalden met deze eerste berging van een interplanetair ruimtevaartuig diverse doelstellingen. Zond5 was de eerste landing van een Sowjet ruimtevaartuig op het water. Het voertuig bracht ook uitstekende foto’s van de achterzijde van de maan mee terug, veel beter dan de facsimile foto’s die tot nu toe gemaakt waren. Zond-5 was tevens een biologische satelliet die allerlei kleine diertjes, planten en zaden aan boord had. Zond-6 t/m -8 waren vergelijkbare missies die echter steeds een ander landingsprofiel uittestten.

9

Ruimteonderzoek aan de zon: Verleden, Heden en Toekomst Ir. K.G. Skaug

De zon is voor de wetenschap een groot raadsel. Wij weten dat in deze kernfusie-reactor waterstof wordt omgezet in helium, en dat de energie van deze reactie door het zonnestelsel wordt verspreid door middel van straling en deeltjesstromen met hoge snelheden. De manier waarop dit alles precies verloopt is voor een belangrijk deel nog onbekend. Hoe kan het bijvoorbeeld dat de buitenste “dampkring” van de zon, de corona, verhit wordt tot miljoenen Kelvin, terwijl de oppervlaktetemperatuur van de zon “slechts” 6000 Kelvin is? Waarom zouden we sowieso onderzoek doen aan de zon en waarom zou dit vanuit de ruimte moeten plaatsvinden?

Een opname van de zon, gemaakt met de Extreme Ultraviolet Imaging Telescope aan boord van SOHO. [NASA]

Naast de intellectuele uitdaging zijn er ook pragmatische motieven voor het bestuderen van de zon. De zon is een hoeksteen van het menselijk leven op aarde. De mensheid is aangepast aan – en afhankelijk van – de specifieke leefomstandigheden op onze planeet, die in zeer hoge mate worden bepaald door de aanwezigheid en de eigenschappen van de zon. Het is ook bekend dat deze eigenschappen variëren met de tijd, zowel in regelmatige als in (vooralsnog) onvoorspelbare patronen. Belangrijke elementen van onze econo-

mie (landbouw) en technologie (bijvoorbeeld electriciteitsvoorziening en telecommunicatie) zijn kwetsbaar tegenover deze buien. Medische problemen zoals huidkanker, vaataandoeningen en geestelijke gesteldheid zijn mogelijk te correleren met de variaties van de zon. Er zijn zelfs aanwijzingen die erop lijken te duiden dat oorlog en andere sociale rampen (frequentie van verkeersongelukken) een samenhang hebben met de 11-jarige cyclus van de zon. De werking van onze ster en zijn interacties met de aarde hebben dus een brede maatschappelijke relevantie. Onderzoek aan de zon is dan ook niets nieuws; men was echter lange tijd beperkt tot observaties vanaf de grond. Telescopen op de grond worden gehinderd door de dampkring, die een groot bereik van frequenties uit de zonnestraling absorbeert (UV-, röntgen- en gammastralen); bovendien verstoort of verspert het aardmagnetisch veld de deeltjesstromen van de zon. In de jaren vijftig, toen de Sovjet Unie en de Verenigde Staten hun eerste satellieten de ruimte in stuurden, ontdekte men pas het bestaan van de zonnewind en de stralingsgordels om de aarde. Het werd snel duidelijk dat de directe en indirecte invloeden van de zon een niet te verwaarlozen risico vormden voor satellieten en astronauten in de ruimte. Dit alles zorgt ervoor dat het vanuit de ruimte observeren van de zon, de zonnewind en de interacties tussen zon en aarde, nog altijd één van de hoogste prioriteiten in de wetenschappelijke programma’s van NASA en ESA hebben.

10


Verleden In de jaren zestig en zeventig lanceerden de Sovjet Unie en de Verenigde Staten een groot aantal satellieten met onder andere als doel het bestuderen van de zon en gerelateerde verschijnselen. De Russen namen op dit gebied het voortouw. Dit resulteerde in 1959 in de ontdekking van de zonnewind door Luna-1. Opvolgers in de reeksen Cosmos, Elektron, Prognos en Intercosmos-satellieten zorgden in de daaropvolgende decennia voor een bijna doorlopende Russische observatie van de zon. Van de Amerikanen kwam in die jaren de Orbiting Solar Observatory-reeks (OSO-1 t/ m 8) en ook SOLRAD, een satelliet van de Amerikaanse marine. Verder verzamelden de Pioneer- en Voyager-sondes belangrijke gegevens over de zonnewind en de electro-magnetische velden in de lege ruimte tussen de planeten. Vanuit het ruimtestation Skylab werden ook belangrijke waarnemingen van de zon gemaakt. De satellieten Helios-1 en 2 (VS/Duitsland) en de International Sun-


Earth Explorers (NASA/ESA) droegen verder aan onze kennis van de zon bij.

De opbouw van de zon. [ESA/NASA]

Heden Na een stille periode in de jaren tachtig volgde er begin jaren negentig een ware golf van satellieten voor onderzoek aan de zon, waarvan een aantal vandaag nog actief zijn. NASA heeft binnen het kader van het SMEX (Small Explorers) programma drie satellieten voor zonne-observaties gelanceerd: Sampex (1992), Fast (1996) en Trace (April 1998). Een aantal missies kwam voort uit het International Solar-Terrestrial Physics (ISTP) programma: Geotail (1992), Wind (1994) en Polar (1996). Deze satellieten bewegen zich doorgaans in een langgerekte baan om de aarde, om zo de interacties van de zonnewind met het aardmagnetisch veld te verkennen. Drie grote samenwerkingsprojecten tussen NASA en ESA in de jaren ‘90 zijn Ulysses,

11

Cluster en SOHO. Ulysses (gelanceerd in 1990) bevindt zich dankzij een scheervlucht langs Jupiter in een baan die over de polen van de zon loopt, zodat het mogelijk is om de poolgebieden van de zon waar te nemen. Ulysses heeft onlangs zijn eerste omloop van 6 jaar om de zon voltooid. Het Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) is in december 1995 gelanceerd naar het zogenaamde L1-libratiepunt op de as tussen de zon en de aarde. Deze satelliet blijft daar ten opzichte van de zon en de aarde bijna stil hangen en heeft in ruim twee jaar veel spectaculaire observaties gemaakt. Zo heeft SOHO pas nog een belangrijk mechanisme voor de verhitting van de corona ontdekt. De Advanced Composition Explorer (ACE) van NASA (gelanceerd augustus 1997) zit nu ook in het L1-punt tussen de zon en de aarde, waar het deeltjes van de zonnewind verzamelt en analyseert (de meetgegevens zijn in real-time te bekijken op het internet!). ACE observeert ook de corona.

Artistieke impressie van hoe de Solar Probe sonde in 2003 het (zon) licht zou moeten zien. [NASA]

Er zijn ook tegenslagen geweest: Cluster, een constellatie van 4 satellieten die met behulp van nieuwe technieken driedimensionale metingen van processen in het aardmagnetisch veld zouden gaan maken, zijn tijdens de rampzalige proefvlucht van de Ariane 5 in juni 1996 verloren gegaan. Nog een tegenvaller voor de zonnewetenschap vormde de mislukte lancering in november 1996 van de

Argentijns-Amerikaanse SAC-B (Satelites de Aplicaciones Cientificas-B).

Toekomst In de afgelopen jaren zien we op het gebied van wetenschappelijke satellieten een sterke trend van toenemende internationale samenwerking. De plannen voor de toekomst bevestigen deze trend; zelfs de Amerikanen kunnen zich het niet meer veroorloven om grote en peperdure missies helemaal voor eigen rekening te nemen. Samenwerking tussen de landen is noodzakelijk geworden, en brengt als bijkomend voordeel met zich mee dat er weinig “dubbel werk” meer wordt uitgevoerd in de ruimtewetenschap. In Europa is men aan de slag gegaan met de realisatie van Cluster II (met Amerikaanse deelneming), die in de meeste opzichten identiek is aan de verloren gegane eerste Cluster constellatie. Cluster II bestaat uit een hoofdsatelliet (symbolisch de “Phoenix” genoemd) die gebouwd wordt uit reserveonderdelen van de originele Cluster-satellieten. De drie volgelingen hebben een ietwat beperkte functionaliteit in vergelijking met hun voorgangers. Volgens de plannen zal Cluster II in het jaar 2000 gelanceerd worden, verdeeld over twee vluchten met Russische raketten. Even ambitieus is de sinds kort officieel geplande Genesis missie van NASA. In 2001 zal deze satelliet SOHO en ACE opvolgen in een baan rond het zon-aarde L1-punt. De Genesis missie heeft als opzienbarend doel het opvangen van plasmadeeltjes uit de zonnewind, om vervolgens deze proeven na twee jaar terug te brengen naar de aarde. Verder staan drie kleinere missies op de korte termijn bij NASA in de planning: TIMED (eind dit jaar), HESI (2000) en IMAGE (2000). Voor de periode 2000-2010 zijn de plannen onzeker. Er wordt al jaren op papier gewerkt aan een Russisch-Amerikaanse duo-missie onder de naam “Fire and Ice”. Een Russische sonde (Plamya, hetgeen “ijs” betekent) zou volgens de plannen in een lage baan om de zon waarnemingen doen van de zone net buiten de corona, terwijl een Amerikaans voertuig zich in een suïcidale scheervlucht bin-

12


nen de corona begeeft. Aan Amerikaanse kant houdt men echter rekening met een solomissie onder de meer neutrale naam “Solar Probe”, die in 2003 van de grond zou moeten komen. De belangrijkste spelers op het gebied van ruimtevaart en zonneonderzoek erkennen nu het belang van een gezamenlijke strategie voor de toekomst, die ervoor zorgt dat wetenschappelijke doelstellingen en overige maatschappelijke belangen optimaal worden gecombineerd. Er bestaan al verschillende “Working Groups” en internationale commissies, maar hun taken zijn voornamelijk van adviserende aard. De kloof tussen mooie woorden en daadkracht is vooralsnog breed.

Een langetermijnstrategie In 1996 kwamen jonge managers, ingenieurs en wetenschappers uit heel de wereld in Wenen bijeen voor het “Summer Session” programma (SSP) van de International Space University (ISU). In tien weken is door intensief werken een omvangrijk verslag tot stand gekomen onder de poëtische titel “Ra: The Sun for Science and Humanity”. In deze publicatie wordt een strategisch raamwerk opgezet dat de belangrijkste wetenschappelijke vraagstukken met betrekking tot de zon omzet in concrete doelen en voorstellen. Er worden ook aanbevelingen in gedaan over maatschappelijke toepassing van de te verwerven kennis, alsmede aanbevelingen op politiek en organisatorisch gebied die de zonnewetenschap en haar toepassingen moeten bevorderen. (Zie ook “Ruimtevaart”, oktober 1996) Deze aanbevelingen ontlenen hun sterkte aan de veelzijdigheid van de bestudeerde onderwerpen. Ten eerste worden de wetenschappelijke aspecten uitvoerig behandeld, waarbij een analyse is gemaakt van de (on)volledigheid van de zonnewetenschap tot nu toe, zowel op aarde als in de ruimte. Op basis hiervan worden prioriteiten opgesteld voor onderzoek aan de zon en haar invloed in de komende jaren. Daarna wordt de techniek onder de loep genomen: Over welke technologie beschikken we vandaag, wat voor relevante ontwikkelingen zijn al onderweg, en waar


moeten we ons extra inspannen om de missies van de toekomst te kunnen realiseren? Hierbij wordt veel aandacht besteed aan de extreme uitdagingen die de wens om de zon van heel dichtbij te observeren oproept: hitteschilden, elektrische voortstuwing, stralingsbestendige electronica, optische communicatie, autonome navigatie en geavanceerde sensoren.

Een opname van het noorderlicht in Fairbanks, Arkansas, USA. Dit fenomeen onstaat door een interactie tussen de zonnewind en het aard magnetisch veld. [Jan Curtis]

Verder wordt er gebrainstormd over mogelijke toepassingen van de opgedane kennis en nieuwe technologie. Denk hierbij aan systemen die waarschuwen bij het optreden van uitbarstingen op de zon, om zo schade aan satellieten, electriciteitscentrales en andere kwetsbare systemen te beperken. Uiteindelijk zal men wellicht ook de energie van de zonnestraling met behulp van grote zonnepanelen in de ruimte weten om te zetten in energie voor toepassing op aarde. De commerciële mogelijkheden van zulke toepassingen worden in het Ra-verslag ook besproken, compleet met omzetvoorspellingen en marktaandelen. Er wordt ook in detail ingegaan op de relevante politieke factoren die de overheidsuitgaven aan ruimteonderzoek en -techniek bepalen. De conclusies van deze analyse hebben een zekere nuchterheid tot gevolg in de algemene aanbevelingen van het strategisch raamwerk, vooral voor de korte termijn, wat de geloofwaardigheid van het geheel ten goede komt. De belangrijkste aanbevelingen van het Raverslag zijn:

13

Een uitbarsting op de zon vastgelegd door SOHO. [NASA]

Op de korte termijn (1996-2000): • Het doorzetten van Cluster II (in 1996 was dit nog hoogst onzeker). • Onderzoek naar modellen voor het voorspellen van verstoringen door de zon. • Coördinatie van wetenschappelijke gegevens over de zon met andere wetenschapsgebieden, zoals milieukunde en meteorologie. • Oprichting van een werkgroep voor internationaal onderzoek aan de zon, die de grote ruimtevaartagentschappen adviseert over nieuwe initiatieven. • Algemene voorlichting over het maatschappelijk belang van zonne-onderzoek. Op de middellange termijn (2000-2010): • Het doorzetten van de “Fire and Ice” duomissie. • Het opstarten van een nieuwe (door de ISU-SSP deelnemers ontworpen) missie, Solar Adjacency Using a New Approach (SAUNA), die omstreeks 2003 wordt gelanceerd en met behulp van elektrische voortstuwing in een lage cirkelvormige baan (0.2 AU) om de zon zou moeten komen om onder andere van dichtbij de corona te bestuderen. De primaire functie van SAUNA is echter technologie-demonstratie. • Het meesturen van kleine, eenvoudige stralingsmeters bij commerciële satellieten om

14

goedkoop en continu meetgegevens over de straling in de ruimte rond de aarde te verkrijgen. • Het stapsgewijs opbouwen van een interplanetaire constellatie van satellieten die met stereometrische technieken uitbarstingen van de zon richting aarde kunnen ontdekken en op tijd alarm slaan. Op de lange termijn (2010 en verder) • Het tot stand komen van een internationaal, geïntegreerd programma voor zonne-onderzoek en toepassingen in de ruimte en op de grond. • Kamikazemissies in de corona. • Wereldomvattend voorspellings- en alarmeringssysteem voor schadelijke uitbarstingen van de zon. • Energievoorziening op industriële schaal in de ruimte met behulp van concentrators en zonnepanelen. Tot slot moet de conclusie luiden dat onderzoek en toepassingen, wetenschap en techniek, op elkaar moeten steunen en niet los van elkaar moeten worden gezien, om zo in de toekomst naar behoren te kunnen bloeien. Dit is niet alleen vanzelfsprekend, maar getuigt ook van een evenwichtig strategisch raamwerk waartegen weinig maatschappelijke weerstand valt in te brengen.


Robots op ontdekkingsreis Ir. J. Hillebrand Ir. F.J.P. Wokke

De nieuwsgierige aard van de mens heeft ervoor gezorgd dat er op aarde praktisch geen plek meer te vinden is waar de mens zijn voetafdrukken niet heeft achtergelaten. Hoewel er op aarde toch nog wel wát te ontdekken valt, zijn we de laatste decennia ook maar begonnen met die enorme onbevlekte ruimte om ons heen; de zon, de maan en de planeten hebben tenslotte lang genoeg als een lekkere wortel boven onze neus gehangen. Zoveel inspanning als de ontdekkingsreizigers in de vijftiende eeuw moesten leveren om de atlantische oceaan over te steken, zoveel geld en energie moeten wij nu opbrengen om ons terra incognita te bereiken. Dat dit ook nu weer als de moeite waard wordt gezien, blijkt uit het feit dat er al een flink aantal menselijke voetafdrukken op de maan te vinden zijn en dat er zich permanent mensen in een baan rond de aarde bevinden. Maar net zoals de koningen vroeger hun onderdanen uitzonden om nieuwe rijkdommen te ontdekken, zo hoeven wij tegenwoordig niet meer zelf op weg te gaan en kunnen we het zware werk door robots op laten knappen.

Al jaren woedt er een strijd in de ruimtevaartwereld. Aan de ene kant staan de mensen die denken dat in de ruimte de flexibele en intelligente menselijke ruimtevaarder altijd nodig zal blijven. Het andere kamp denkt dat met name vanwege de hoge kosten en de vele gevaren verbonden aan de bemande ruimtevaart, het beter is om de mens maar

gewoon op aarde te houden en het werk in de ruimte over te laten aan robots. Wie er gelijk heeft zal uiteindelijk wel blijken. In ieder geval is het op dit moment zo dat voor veel situaties in de ruimte de mens nog niet als alternatief voor een robot gezien kan worden en in evenzovele andere situaties de robot geen alternatief is voor de mens. Omdat we

Entree en ontplooiing van een aerobot in de atmosfeer van Mars. [NASA JPL]


15

meestal nog te weinig weten van de plaatsen in de ruimte waar we naar toe willen, is het verstandig dat eerst robots worden ingezet om de omgeving te verkennen en in kaart te brengen. Menselijk bezoek kan dan in een later stadium volgen, als dat al nodig of mogelijk is. Voorlopig geldt dat men voor de komende missies naar de maan en naar Mars gebruik zal maken van robots. Voordat er opnieuw een mens op de maan staat, en voordat de mensheid voet op Mars zet, zijn we waarschijnlijk al weer even bezig met het volgende millenium. Kort gezegd is een robot een mechanisme dat volgens logische regels zijn werk doet. Volgens deze definitie zijn dus grofweg alle satellieten robots en is de kolonisatie van ons zonnestelsel door robots dan ook in volle gang. Bijna alle planeten en een aantal manen en kometen zijn de laatste decennia door onze satellieten bezocht, zij het meestal op enige afstand. De eerste robot heeft ons zonnestelsel zelfs al verlaten, terwijl de mens zelf nog niet verder dan de maan is gekomen. Gelukkig zijn deze robots zo ontworpen dat ze ons uitgebreid over hun ontdekkingen in de ruimte vertellen, vaak rijkelijk geïllustreerd met mooie foto’s van bijvoorbeeld de planeten en hun manen, af en toe zelfs vanaf het oppervlak genomen. Dit prikkelt de menselijke nieuwsgierigheid uiteraard nog meer en we sturen dus steeds betere satellieten de

ruimte in om meer van die exotische plekken te weten te komen. De meeste van deze satellieten beperkten zich tot het vanuit een baan om of langs een hemellichaam waarnemen van het oppervlak of de eventueel aanwezige atmosfeer van dat hemellichaam, maar een aantal had het oppervlak zelf tot doel. Als voorbeeld noemen we de Mariner en Viking missies, onbemande missies naar Mars in de jaren zestig en zeventig. Naast satellieten in een baan om deze planeet werden er ook enkele landingsvoertuigen op het oppervlak geplaatst. De teruggezonden foto’s zorgden voor enthousiasme, maar ook voor frustraties. Op de foto’s waren tal van interessante dingen te zien, die de wetenschappers graag verder zouden onderzoeken. Het bereik van de robotarm aan boord van de Viking landingsvoertuigen was echter te klein, en men was aangewezen op objecten in de directe omgeving van de landingsvoertuigen. Eén van de conclusies was dan ook dat in toekomstige missies mobiliteit vereist was. In de rest van dit artikel zal worden ingegaan op de technieken die gebruikt kunnen worden om een dergelijke mobiliteit op het oppervlak en eventueel in de atmosfeer van planeten, manen en kometen te bereiken. Een aantal van deze technieken is al toegepast, terwijl andere zich nog in de experimentele

De Rocky 7 rover tijdens praktijkproeven op een kunstmatig marsoppervlak. [NASA JPL]

16


fase bevinden. Mobiele robots die in een dergelijke buitenaardse omgeving opereren, worden vaak aangeduid met de engelse benaming ‘rovers’. Een aantal van dergelijke rovers waaraan op dit moment gewerkt wordt, zal de revue passeren.

Hoe rovers te herkennen In de jaren tachtig heeft de ontwikkeling van de robot een enorme vlucht genomen en er kan gerust gesteld worden dat het einde nog niet in zicht is. De mogelijkheden van mechanismen en besturingssystemen worden nog dagelijks verbeterd, met als gevolg dat de gebieden waarin robots ingezet kunnen worden zich steeds uitbreiden. Dit heeft ertoe geleid dat er een breed scala aan robots voor ruimtevaarttoepassingen in ontwikkeling is. Een groot aantal van deze ruimtevaartrobots kan worden samengevoegd onder de noemer rovers: semi-autonome, mobiele robots die kunnen worden ingezet op of nabij het oppervlak van hemellichamen in ons zonnestelsel. Deze rovers hebben twee belangrijke kenmerken: de manier van voortbewegen en de wijze van besturing. Voortbeweging Juist de mobiliteit van rovers geeft hen hun grote waarde. Het vergroot de nauwkeurigheid waarmee wetenschappelijke instrumenten op hun doel gericht kunnen worden en er kunnen eenvoudig meerdere doelen bezocht worden. Een landingsvoertuig hoeft niet meer precies op een geografisch interessante plek te landen, maar kan een veilige locatie zonder geërodeerde lavabrokken uitkiezen. De rover legt het laatste stuk af. Door deze scheiding van functies (het landen en het positioneren van wetenschappelijke instrumenten) kan een missie meer bereiken (vergelijk de resultaten van Viking en de Mars Pathfinder). Het nadeel is wel dat de complexiteit van de missie toeneemt. De omgeving waarin de rover zijn werk moet doen, is in principe moeilijk begaanbaar. Het voortbewegingsmechanisme moet hiertegen bestand zijn. Er zijn verschillende oplossingen bedacht en zowel in experimentele- als praktijkomstandigheden uitgevoerd. Voorbeelden van voortbewegingsmechanismen


die op het oppervlak van een hemellichaam met voldoende zwaartekracht zijn te gebruiken, zijn het rijden met vier of zes wielen, het rijden op rupsbanden, en het wandelen op vier, zes of meer poten. Bij al deze oplossingen wordt gebruik gemaakt van in meer of mindere mate onafhankelijk bestuurbare en beweegbare onderdelen. Wetenschappers zijn niet alleen geïnteresseerd in het oppervlak van bijvoorbeeld Mars, maar ook in de lagen daaronder en de atmosfeer daar boven. Hiervoor heeft men respectievelijk de graafrobot en de aerobot bedacht, waarover later in dit artikel wat meer wordt verteld.

Een andere rover uit de Rocky serie tijdens testen. [NASA JPL]

Voortbeweging met wielen kenmerkt zich met name door de relatief hoge snelheid die er mee gehaald kan worden, en de relatieve

17

eenvoud van de (autonome) besturing. Het nadeel van wielen is echter dat zij in feite alleen geschikt zijn voor redelijk vlak terrein. Voor dergelijke situaties is het wel zo dat voertuigen met zes wielen stabieler en beter in staat tot het nemen van obstakels zijn dan voertuigen met vier wielen. Wordt het terrein iets ruiger, en bestaat het bijvoorbeeld uit los materiaal, dan is men al snel aangewezen op rupsbanden. Met rupsbanden is een rover beter in staat om ruig terrein te verkennen. Het nadeel is echter de toegenomen massa en de toegenomen energieconsumptie. Als het terrein echt ruig wordt, dan zijn ook rupsbanden niet meer geschikt. Een voortbewegingsprincipe dat goed in staat is om zeer ruig terrein te verkennen vinden we veelvuldig in de natuur: het lopen. Met benen is een robot in staat om over obstakels heen te klimmen. Het grote nadeel is de enorme complexiteit van het coördineren van de beenbewegingen. Op vlak terrein is dat nog relatief eenvoudig, maar op ruig terrein wordt het zeer ingewikkeld, terwijl juist dan een lopende robot in het voordeel is ten opzichte van een rijdende. Gelukkig worden computers steeds kleiner en krachtiger, en wordt het lopen een geschikt voortbewegingsprincipe voor rovers. Maar hoewel er al heel wat prototypen rondhobbelen, heeft er nog nooit een lopende robot een oppervlakte van een planeet bewandeld. De Russen hebben een lopende robot naar Mars gestuurd, maar deze heeft het oppervlak van de planeet helaas nooit gehaald.

De Russische Lunachod 2, één van de eerste maanrovers. [RSA]

18

Besturing De voortbewegingsmechanismen van rovers staan niet op zichzelf. De effectiviteit van deze mechanismen is sterk afhankelijk van de rover’s besturingssystemen. Een rover bevindt zich typisch op zeer grote afstand van zijn menselijke operators, waardoor slechts met vertraging onderling gecommuniceerd kan worden. Al in 1970 plaatste de toenmalige Sovjet Unie als onderdeel van de Luna 16 missie een op afstand bestuurbaar voertuig, de Lunachod 1, op de maan. Hoewel de tijdvertraging tussen het voertuig en zijn aardse bestuurders slechts drie seconden bedroeg, bleek de rover zeer moeilijk te besturen. Desondanks legde de Lunachod 1 ruim tien kilometer af en maakte 20 duizend foto’s. De tijdvertraging tussen de aarde en Mars bedraagt meerdere minuten (afhankelijk van de posities van de beide planeten in hun baan om de zon). Het is dus praktisch onmogelijk om een rover op Mars door middel van rechtstreekse besturing zinnig werk te laten verrichten. De rover heeft een grote mate van autonomie nodig. Autonomie kan worden bereikt wanneer de rover in staat is zijn omgeving waar te nemen en te herkennen, en op basis van deze gegevens en de hem gestelde doelen conclusies te trekken over de acties die hij moet ondernemen. De huidige kennis op het gebied van de patroonherkenning en de kunstmatige intelligentie maken een volledig autonome rover nog niet mogelijk. Maar met verschillende combinaties van (in)directe besturing en gedeeltelijke autonomie zijn al wel successen geboekt. In Nederland is door het TNO Fysisch en Elektronisch Laboratorium gewerkt aan een smart teleoperations workstation (STW) waarmee een rover (of willekeurige andere robot) op grote afstand bestuurd kan worden zonder dat de operator al teveel last heeft van de optredende tijdvertraging. Dit wordt bereikt door het genereren van een virtuele omgeving waarin een gesimuleerde rover zich beweegt. De operator bestuurt in eerste instantie de gesimuleerde rover door de virtuele omgeving. Pas als blijkt dat zich hierbij geen problemen voordoen, worden diezelfde besturingssignalen naar de echte rover gestuurd. Vervolgens interpreteert de echte robot deze signalen en voert ze uit. Het is na-


tuurlijk van groot belang dat zowel de virtuele omgeving als de gesimuleerde rover zo getrouw mogelijk de eigenschappen van de werkelijke omgeving en de echte rover weergegeven (stel dat een kuil in het virtuele landschap ontbreekt!). De virtuele omgeving kan worden opgebouwd met behulp van stereocamera’s aan boord van de rover. Dezelfde camera’s en andere sensoren vertellen ook voortdurend aan het STW waar de rover zich in het echt bevindt, zodat de virtuele wereld steeds aan de werkelijkheid kan worden aangepast (het is zeer moeilijk om de uiteindelijke positie van de rover door simulatie exact te voorspellen). Het STW is al meerdere malen samen met een ook door TNO ontwikkelde zeswielige rover (een vrijwel exacte kopie van een moderne Russische Lunachod) succesvol gedemonstreerd. Hierbij was wel de virtuele wereld van tevoren in overeenstemming gebracht met de werkelijkheid en werd dus nog geen gebruik gemaakt van stereocamera’s. Bij dit tele-operatiesysteem heeft de rover een beperkte autonomie. Een dergelijk systeem is dan ook meer geschikt voor robots in een baan om de aarde of op het maanoppervlak dan voor verder van de aarde opererende robots. Een iets andere aanpak is dan ook gebruikt tijdens de Mars Pathfinder missie voor het besturen van de Sojourner rover. Ten tijde van deze missie deden signalen er ongeveer elf minuten over om van Mars naar de aarde te reizen. De gekozen aanpak kan in het kort worden omschreven als ‘geleide autonomie’; de operator op aarde koos, aan de hand van beelden die door Pathfinder en Sojourner waren gemaakt, een aantal zogenaamde doellocaties. Deze doellocaties werden doorgegeven aan Sojourner die vervolgens zelf zijn weg zocht naar deze locaties (denk aan de gang van een golfer over een golfbaan, van vlaggetje tot vlaggetje). Wanneer Sojourner er op eigen houtje niet meer uitkwam, kon de operator eenvoudig wat extra doellocaties of specifieke commando’s (ga 20 centimeter achteruit) opgeven. Dat deze aanpak werkt, is tijdens de Mars Pathfinder missie wel gebleken. Overige aspecten Naast de bovengenoemde ontwikkelingen in de robotica, wordt aan de ontwikkeling van


aanvullende technologieën gewerkt die zijn gericht op het gedurende een lange tijd laten overleven van de (autonome) robots in een ruwe en onvriendelijke omgeving. Het soort omgeving waar je geen service-station zult vinden voor een onderhoudsbeurt aan je rover. Denk hier bijvoorbeeld aan een robot die zich gedurende een jaar over het Marsoppervlak moet kunnen voortbewegen. De daar optredende temperatuur schommelt grofweg tussen de min 100 en plus 20 graden Celsius. Dergelijke temperatuurwisselingen kunnen grote invloed hebben op de componenten en systemen van de robot; mechanismen kunnen falen door vermoeiingsbreuken of door het verliezen van smeermiddelen, (kunststof) materialen kunnen het begeven door het herhaaldelijk krimpen en uitzetten. Maar ook de lange duur van zo’n missie op zich geeft al de nodige problemen. Te denken valt hierbij aan slijtage van allerlei componenten, maar ook aan het chemische verval in bijvoorbeeld batterijen of brandstoftanks. Naast de ge-

Een Russische Lunachod met een Amerikaanse robotarm wordt getest voor een missie naar de maan. [NASA]

19

De TNO-rover in actie tijdens de Le Bourget vliegshow. [TNO FEL]

noemde problemen met de hardware, kan ook de software van de robot problemen veroorzaken. Hoe langer de missie van de robot, hoe waarschijnlijker het wordt dat softwarefouten boven komen drijven. Naast de noodzaak om de robots te beschermen tegen hun omgeving, moet ook de omgeving beschermt worden tegen de robot. Planetaire rovers werken tenslotte in nog onaangetaste gebieden. Omdat deze en soortgelijke problemen zich niet tot rovers beperken maar in het algemeen een belangrijke rol spelen in zowel de bemande als de onbemande ruimtevaart, zal er hier verder niet op worden ingegaan.

Rovers in ontwikkeling Voor onderzoek aan hemellichamen met robots ter plekke zijn veel verschillende concepten ontwikkeld. Een aantal van deze plannen zullen hieronder worden beschreven aan de hand van concrete voorbeelden van robots zoals die door de verschillende ruimtevaartagenschappen worden voorzien. Het standaardmodel rover Na de enorme aandacht die de zeer succesvolle Mars Pathfinder missie heeft gekregen, denkt eenieder bij het horen van het woord

20

‘rover’ direct aan de Sojourner. Hoewel het ontwerp van Sojourner is gebaseerd op een groot aantal verschillende prototypes en het ontwerp niet direct voor de hand lag, kunnen we hem toch zien als het standaardmodel rover. Hoewel de wetenschappelijke resultaten van Sojourner waardevol zijn, was de belangrijkste functie van de rover het demonstreren dat dergelijke rovers op Mars kunnen werken en een belangrijke bijdrage aan het succes van een missie kunnen leveren. Dit is gelukt en er wordt dan ook hard gewerkt aan Sojourner’s opvolgers. Eén van de beperkingen van Sojourner was de afstand die met de rover kon worden afgelegd. Hoewel er genoeg te ontdekken viel dicht bij het Pathfinder landingsvoertuig, wil men bij volgende missies graag grotere afstanden kunnen afleggen. De Rocky 7 van NASA is een prototype die zulke mogelijkheden biedt. Bij een proef in de woestijn heeft deze rover ongeveer één kilometer gereden en onderweg verschillende plaatsen wetenschappelijk onderzocht. Hiertoe heeft de rover een beweegbare mast met camera’s en andere instrumenten, en een kleine graaf-arm. Aan de ontwikkeling van een lichtere en veelzijdiger Rocky 8 is men ook al begonnen. Voor bijna alles in de ruimtevaart geldt ‘hoe lichter, hoe beter’. Lichtere objecten kunnen goedkoper gelanceerd worden, maar bijvoor-


beeld ook sneller op hun plek van bestemming aankomen (een raket kan een licht voorwerp een grotere snelheid geven dan een zwaar voorwerp) en daar met minder voorzorgsmaatregelen landen (bijvoorbeeld door lichtere stootkussens of kleinere parachutes). Hoewel dit erg algemeen gesteld is, gelden dergelijke afwegingen ook voor rovers en andere robots, en wordt er dus gewerkt aan zeer kleine maar wetenschappelijk waardevolle robotische voertuigjes. Afhankelijk van het uiteindelijke formaat van dergelijke robots heeft men het wel over micro- (100 gram tot enkele kilo’s) en nanorovers (10 tot 100 gram). Bij de miniaturisatie van de verschillende componenten van dergelijke robots probeert men te bereiken dat de systemen met zo min mogelijk beschermende maatregelen toch hun (beperkte) wetenschappelijke taak kunnen uitvoeren. Het geringe formaat en gewicht van de robot hebben dan tot voordeel dat het apparaatje veel gemakkelijker meegenomen kan worden met missies naar de planeten of naar kometen, omdat dergelijke missies zich vaak kenmerken door zeer beperkte volume- en massabudgetten. NASA is al begonnen met de ontwikkeling van een kleinere rover dan de Sojourner (NASA spreekt van een nanorover, maar met een gewicht van twee kilogram en een lengte van 28 centimeter is dat wat ruimhartig). Een recent prototype bestaat uit een eenvoudig chassis met vier onafhankelijk aangedreven en op beweegbare poten geplaatste wielen. De beweegbare poten zorgen ervoor dat het chassis zich in allerlei standen kan zetten om zo een wetenschappelijk instrument te richten. Men heeft de beschikking over een tweetal instrumenten: een kleine multibandcamera en een spectrometer voor mineralogisch onderzoek. Daarnaast maken de beweegbare poten het mogelijk om het zwaartepunt van de rover ten opzichte van de wielen te verleggen, waardoor de rover in verschillende typen terrein zich toch goed kan voortbewegen, in principe zelfs op zijn kop. Doordat de rover zijn chassis in verschillende standen kan houden tijdens het voortbewegen, is het ook mogelijk om de zonnecellen op de rover zo veel mogelijk op de zon gericht te houden. Met de zo opgevangen energie worden de 500 gram aan batterijen opgeladen die het door de rover benodigde vermogen van één Watt


leveren. De rover communiceert met de aarde door middel van een radioverbinding via een landingsvoertuig of een satelliet in een lage baan om de planeet. De wandelaar Naast rijdende rovers, wordt er ook gewerkt aan lopende robots, bijvoorbeeld bij ESTEC in Noordwijk. Eén van de studies richt zich daar op de besturing van de Hermes, een zesbenige robot van ongeveer 30 centimeter grootte, met drie vrijheidsgraden per been. De robot zelf is niet ontwikkeld door ESA, maar in de Verenigde Staten. Met deze robot worden verschillende manieren van lopen en verschillende niveaus van autonomie onderzocht. Ook wordt er geëxperimenteerd met verschillende soorten voeten. Naast deze robot is er nog een andere lopende robot op ESTEC, die als afstudeerproject van de TU Delft voor ESA ontwikkeld is. Deze robot, de Prototype Legged Robot (PROLERO), heeft ook zes benen, maar elk been heeft slechts één graad van vrijheid. Voor de ontwikkeling van deze robot is eerst naar de natuur gekeken, met name naar de manieren waarop verschillende dieren zich stabiel kunnen voortbewegen. De hogere diersoorten, inclusief de mens, maken gebruik van dynamische stabiliteit. Dit betekent dat het lichaam in principe niet in evenwicht is en dat het gehele loopproces actief gestuurd wordt door middel van gecompliceerde sensoren, zoals het evenwichtsorgaan. De lagere diersoorten maken typisch gebruik van statische stabiliteit: op ieder moment is het lichaam in evenwicht. Het moge duidelijk zijn dat deze laatste manier van lopen veel eenvoudiger na te bootsen is, omdat het besturingssysteem minder complex hoeft te zijn. Een ander onderscheid in de natuur wordt gevonden in de manier waarop de benen aan het lichaam verbonden zijn. Bij een zoogdier zitten de benen onder het lichaam, bij een reptiel aan de zijkant van het lichaam en loopt het eerste stuk horizontaal, en bij een insect zitten de benen ook aan de zijkant, maar loopt het eerste stuk schuin omhoog. Hierdoor ligt het lichaam dichter bij de grond. Voor de eerste uitvoering van de PROLERO is gekozen voor de reptielconfiguratie. Dit prototype bestond uit zes motoren en zes benen, maar was zo geconstrueerd dat de

21

robot zowel met zes als met vier poten zou kunnen lopen. Tijdens praktijkproeven is gebleken dat de robot zeer goed in staat is om een gesimuleerd maanlandschap te doorkruisen. Verschillende kraters, waar andere robots op bleven steken, bleken geen groot probleem voor de PROLERO. Bovendien liep de robot met een zeer acceptabele snelheid. Bij het gebruik van slechts vier poten, komt het lichaam van de rover telkens in contact met de ondergrond. Het geheel doet dan enigszins denken aan een schildpad. Hoewel dit geen elegante manier van lopen is, bleek het wel uiterst effectief. Er is sprake van geweest om een kleinere versie van de PROLERO in te zetten om water te zoeken op de maan als onderdeel van de EUROMOON 2000 missie. Deze missie is echter afgelast.

Dergelijke vliegende robots kunnen worden gebruikt voor het onderzoeken van de chemische samenstelling en de meteorologie van de atmosfeer waarin de aerobot zicht voortbeweegt, voor het gedetailleerd in kaart brengen van (gedeelten van) het planeetoppervlak, en voor het vervoeren van kleine rovers naar geografisch gescheiden locaties (bijvoorbeeld door kloven of bergen). Voordat het zover is moeten er nog wel wat problemen worden opgelost. De belangrijkste hiervan zijn het aan boord bepalen van de positie en de stand van de aerobot in een voortdurend veranderende omgeving, het controleren en besturen (met name in verticale richting) van de aerobot, en het op planetaire schaal voorspellen van het pad dat de aerobot zal afleggen.

De aerobot Naast alle aandacht die wordt geschonken aan robots die zich over het oppervlak van hemellichamen verplaatsen, wordt er ook gewerkt aan robots die zich vliegend door de atmosfeer van bijvoorbeeld Mars, Venus, Jupiter of Titan kunnen bewegen: de ‘aerobots’.

Meerdere aerobot-prototypes hebben al in de aardse atmosfeer gevlogen. Eén van deze prototypes bestond uit een ballon waarvan het drijfvermogen continu kon worden aangepast door middel van een warmtewisselaar. Deze warmtewisselaar haalde energie uit de dampkring om het gas in de ballon op te

Concept voor een Russische rover. [RKA]

22


Schematisch overzicht van de Mars Surveyor 1998 micro-probes. [NASA JPL]

warmen en zo te kunnen stijgen, en gaf dit weer terug aan de omgeving om te kunnen dalen. Een dergelijke techniek zou ook goed in de atmosfeer van Mars toegepast kunnen worden. De oppervlaktetemperatuur van Venus is ongeveer 460 graden Celsius, bij een druk van 92 atmosfeer. Het construeren van een sonde die dergelijke extreme omstandigheden gedurende een korte tijd kan overleven is moeilijk maar niet onmogelijk (denk aan de Russische Vega missie). Hoger in de atmosfeer zijn de temperatuur en de druk laag genoeg om moderne hardware langere tijd te kunnen laten overleven. Een aerobot biedt de mogelijkheid om vanuit de hogere lagen van de atmosfeer herhaaldelijk af te dalen naar het planeetoppervlak om daar korte tijd metingen te verrichten alvorens weer genoeg op te stijgen om af te kunnen koelen. De graafrobot Het doel van de graafrobot is het onderzoeken van de bodem van de maan, van planeten als Mars en van kleine hemellichamen zoals kometen. Met bodem wordt hierbij niet gedacht aan het oppervlak van het lichaam maar aan de lagen die zich daaronder bevinden, dus bijvoorbeeld grond, permafrost of ijs.


Van een graver wordt verwacht dat hij op zichzelf de ondergrond binnendringt en ter plekke metingen doet aan de chemische (en biologische?) samenstelling en fysische eigenschappen van diezelfde ondergrond. Doordat de graver langzaam dieper de bodem binnendringt, wordt vanzelf een profiel van de bodemsamenstelling doorgemeten. Voor de korte termijn wordt gedacht aan gravers die door kunnen dringen tot dieptes van een paar tot honderden meters, afhankelijk van de samenstelling van de bodem. Op de langere termijn hoopt men dieptes van enige kilometers te kunnen bereiken en dat met name in ijslagen. Voor graafwerkzaamheden op heel geringe dieptes (minder dan tien meter) kan waarschijnlijk rechtstreeks vanaf een landingsvoertuig geboord worden met standaardmethoden die al veelvuldig op aarde zijn toegepast. Deze methoden zijn buiten de aarde voor grotere diepten echter te beperkend vanwege de grote hoeveelheden benodigd materiaal (zoals buizen). In deze gevallen wordt het inzetten van graafrobots interessant. Het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA is begonnen met de ontwikkeling van een prototype graafrobot (de subsurface explorer, SSX) die eruit ziet als een koploze

23

teem voor een kabel. Door deze kabel communiceert de graafrobot met het landingsvoertuig en kan er energie worden aangevoerd. Mogelijkerwijs zal de SSX graafrobot gebruikt worden voor de Mars 2007 missie om vloeibaar water te lokaliseren, en voor komeetmissies om de nog ongerepte kern te onderzoeken.

Hoe verder

Een voorbeeld van een graafrobot is de microprobe die de bodem indringt. [NASA]

24

In de komende jaren zal een aantal nieuwe missies gebruik gaan maken van mobiele robots. In januari 1999 zal door NASA de Mars Surveyor 1998 (bestaande uit een landingsvoertuig en satelliet) gelanceerd worden. Aan boord van de Polar Lander bevinden zich twee micro-probes ter grootte van een basketbal die een harde landing nabij de zuidpool van Mars zullen maken. Na deze landing zal een kleine graafrobot trachten water te vinden in de eerste paar meter van de Marsbodem. Deze missie is onderdeel van een serie en Mars zal dus de komende jaren vaker door mobiele robots bezocht gaan worden. De plannen voor rovermissies naar de maan zijn nog niet zo concreet, maar de Russen en Amerikanen werken wel samen aan de ontwikkeling van een maanrover. Deze rover is gebaseerd op de Russische Lunachod en is uitgerust met een Amerikaanse robot-arm. spijker van ongeveer een meter lengte en met een diameter van vijf centimeter. De graafkracht van dit prototype is gebaseerd op een pneumatisch aangedreven hamermechanisme. Vooraan in het voertuig wordt een hamer door expanderend gas versneld en tegen een aambeeld (de neus van de robot) geschoten. Het gas wordt vervolgens weer gecomprimeerd en de hamer teruggezet in de oorspronkelijke positie zodat de cyclus zich kan herhalen. De spijker hamert zichzelf dus eigenlijk de bodem in. In het midden van het voertuig bevinden zich de wetenschappelijke instrumenten. Er wordt gedacht aan een microscoop en een laserspectroscoop die door een saffieren venster in de zijkant van het voertuig de bodem kunnen onderzoeken. Achterin het voertuig bevinden zich de controle- en communicatie-systemen en een afwikkelsys-

Het ziet er niet naar uit dat de mens op korte termijn erg ver van de aarde zal reizen. De aandacht van de bemande ruimtevaart richt zich de komende tijd vooral op het internationale ruimtestation, dat dicht bij de aarde zijn banen zal gaan draaien. Gelukkig worden er ook veel robots naar de andere hemellichamen van ons zonnestelsel gestuurd en geven de moderne ontwikkelingen in de communicatietechniek, de robotica en de automatisering ons een aardig gevoel van aanwezigheid op afstand. We zijn dan misschien iets voorzichtiger geworden dan de ontdekkingsreizigers in voorgaande eeuwen, maar we leggen op deze manier wel nieuwe wegen open voor een volgende generatie menselijke pioniers.


Bodemmonsters van Mars; hoe krijgen we ze op aarde S. Weinstein, Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, USA

Nu Mars weer in de volle aandacht van het interplanetaire ruimteonderzoek staat worden er steeds ambitieuzere missies voorgesteld. De technische meest gewaagde, maar ook wetenschappelijk meest gewenste missie is het terugbrengen van marsmonsters naar de aarde. Met marsgrond in handen hopen wetenschappers een antwoord te kunnen geven op een van de meest intrigerende vragen van deze tijd: “Was er ooit primitief leven op Mars?” Inmiddels is NASA begonnen met het definiëren van de Mars Sample Return (MSR) missie die, volgens de huidige planning, tegen het einde van 2004 gelanceerd zal worden. Naast het terugbrengen van monsters van het oppervlak naar de aarde staat ook het nemen van monsters van de atmosfeer op het programma. In dit artikel wordt een overzicht gegeven hoe men op dit moment (april 1998) denkt deze onderneming te moeten aanpakken.

Doel van de missie

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

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 Mars-

wagentjes 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.

Tabel 1: Belangrijke gebeurtenissen tijdens de MSR missie Lancering Aankomst bij Mars Lancering vanaf Mars Aankomst bij de aarde

26

november 2004 februari 2007 juli 2007 april/ mei 2008


De componenten van de MSR sonde. [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. De MSR ruimtesonde Het moederschip bestaat uit twee delen, een terugkeercapsule en een platform met raket-

27

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 daar-

mee met de warmtehuishouding. Het opstijgvoertuig is in staat een baan om Mars te bereiken op een hoogte van 240 km. 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

Schematisch overzicht van de missie Kruisvlucht naar Mars

Richten van de lander

Moederschip komt in een baan om Mars Zeer elliptische baan om Mars

(2 feb. 2007) Marsatmosfeer

Loskoppelen van de lander Afdaling in de Marsatmosfeer Lancering (3 Nov 2004)

Lander orienteert zich op het langlevende radiobaken

Florida

Marsoppervlak

Langzaam afremmen in de Marsatmosfeer

Lage baan om Mars

Landing

Opstijgvaartuig en moederschip komen in een baan om Mars samen

Marsatmosfeer

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

28

Marswagentje wordt uitgezet

Ophalen bodemmonsters

Bodemmonsters worden in het opstijg- Opstijgen van voertuig Mars opgeslagen

Afwerpen van de eerste trap van het opstijgvaartuig

Marsoppervlak


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.

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.

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

Schematisch overzicht van de missie Nadering met behulp van een radiobaken

Koppeling en overdracht van de bodemmonsters

Afwerpen van het opstijgvaartuig

Tweede manoeuvre Afwerpen van de om terug te keren eerste trap van het naar de aarde moederschip (21 juli 2007)

Richten van de capsule voor de landing

Wachten op de beste mogelijkheid om naar de aarde terug te keren

Marsatmosfeer

Op Mars achtergebleven onderdelen (inactief) Marsoppervlak

Lage baan om Mars

Eerste manoeuvre om terug te keren naar de aarde

Zeer elliptische baan om Mars

Kruisvlucht naar de aarde

Het moederschip verandert haar baan om de aarde te missen

Loskoppelen van de capsule

Marsatmosfeer

Radiobaken helpt grondteams de capsule te vinden

Marsoppervlak


Aarde

26-04-2008

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

29

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

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

30


Missie onderdeel

Snelheidsverandering (m/s)

Moederschip totaal

3800

Koerscorrecties tijdens de vlucht naar Mars

100 (afhankelijk van de massa van de lander)

Injectie in een baan om Mars

1100

Baanveranderingen rond Mars

100 (inclusief afremmen in de atmosfeer en

Tabel 2: Snelheidsveranderingen tijdens de MSR missie.

koppelen met de opstijgtrap) Terugkeer naar de aarde

2450 (verdeeld over verschillende manoeuvres)

Koerscorrecties tijdens de vlucht naar de aarde

50

Landingsvaartuig totaal

5000

Precisielanding

400

Opstijgen vanaf Mars

4600 m/s (afhankelijk van de stuwkracht)

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.

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. Vertaald en bewerkt door Berry Sanders

31

Het heelal onderzocht

Recommend Documents