OP MARS

Terwijl een bemande reis naar Mars nog steeds ter discussie staat, worden binnenkort wel enkele grote robotverkenners naar Mars gestuurd. Gedeeltelijk dienen deze als kwartiermakers.

Zomer 1989 beloofde president Bush de wereld een nederzetting op de maan en een bemande reis naar Mars. Concrete stappen in die richting zijn nog altijd niet gezet. Wel wordt in september 1992 NASA's Mars Observer gelanceerd, die de rode planeet vrijwel kadastraal in kaart zal brengen. Nog voor het jaar 2000 zullen enkele robotlanders op Mars neerdalen en grondmonsters voor onderzoek naar aarde brengen. Het Jet Propulsion Lab (JPL) coordineert deze onbemande verkenningsvluchten.

De plannen voor een bemande Marsreis kwamen net te laat voor Mars Observer. Aan de opzet van deze vlucht kon niets meer veranderd worden. Wel zullen de onderzoeksgegevens worden gebruikt voor toekomstige vluchten, zo verzekert projectmanager David D. Evans.

De belangrijkste taak van Mars Observer wordt de bestudering van de atmosfeer en de geologische samenstelling van de planeet. Mars mag dan iets kleiner zijn dan onze planeet (de middellijn van Mars bedraagt 6.790 kilometer, die van de aarde 12.756 kilometer), van alle planeten lijkt hij het meest op de aarde.

Marsjaar

De Mars Observer zal vanaf december 1993 een volledig Mars-jaar (687 aardse dagen) van pool tot pool rond de planeet cirkelen. De baan is zon-synchroon: gezien vanuit de satelliet bevindt de zon zich steeds op dezelfde plaats aan de hemel.

'De instrumenten van de Mars Observer zijn voortdurend op de planeet gericht,' zegt projectwetenschapper Frank D. Palluconi. Omdat de sterkte en de richting van op Mars aanwezige magnetische velden aanhoudend gemeten kunnen worden, zal voor het eerst een onderscheid kunnen worden gemaakt tussen magnetische velden die worden veroorzaakt door de 'zonnewind' en het inwendige magnetische veld van Mars. Een dergelijk veld verraadt, net als op aarde, de aanwezigheid van een bewegende kern. Wordt er geen eigen magnetisch veld gemeten, dan is de planeet vermoedelijk al afgekoeld.

Ook gammastralingsmeters, die vanaf grote afstand kunnen vaststellen of Mars rijk is aan uranium, thorium, kalium, ijzer en silicium, zullen voor langdurige observaties kunnen worden ingezet. Als onderdeel van de telecommunicatie-verbinding zal een oscillator een signaal met een zeer nauwkeurige frequentie opwekken. Kleine fluctuaties in de sterkte van dit signaal zeggen iets over de zwaartekracht-afwijkingen op Mars.

Laser hoogtemeters zullen worden gebruikt om het verband te ontdekken tussen het zwaartekrachtveld en de topografie van Mars. Een ongelijke massaverdeling brengt kleine onregelmatigheden teweeg in het zwaartekrachtveld rond de planeet.

Met infraroodmeters wordt kennis vergaard over temperatuur, druk, vochtigheidsgraad, stofgehalte en wolkensamenstelling op Mars, en ook over de thermische uitstraling van rotsen en stenen onder het oppervlak van de planeet.

Bij NASA is men vooral genteresseerd in de sterke seizoensveranderingen op Mars. De ijle Mars-atmosfeer reageert namelijk veel sterker op de verhitting door de zon dan onze eigen atmosfeer, waardoor de dagelijkse temperatuurschommelingen veel groter zijn dan die op aarde. In de herfst ontstaan boven de poolgebieden nevelformaties, terwijl in de zomer opstijgende bewolking wordt waargenomen.

Palluconi: 'De Mars-atmosfeer is voor het grootste deel samengesteld uit kooldioxide, met daarin minieme spoortjes water, koolmonoxide en edelgassen. Door hoge concentraties aan waterdamp in de atmosfeer zijn de condities voor het ontstaan van waterwolken volop aanwezig. Over die atmosferische omstandigheden hopen we meer te weten te komen.'

Een ander verschijnsel dat zal worden bestudeerd, zijn de enorme zandstormen die meestal in het voorjaar worden waargenomen, als Mars dichter bij de zon komt. Sommige stormen kunnen zich in korte tijd over de hele planeet uitbreiden. Palluconi: 'In de dunne Mars-atmosfeer vormen die stormen een bron van energie, ze zorgen ervoor dat het warmer wordt. Daardoor wordt de hele luchtcirculatie benvloed. Hetzelfde zie je hier op aarde met tropische stormen gebeuren, maar dan is vochtigheid de katalysator.' Palluconi verwacht niet dat deze stormen een gevaar vormen voor toekomstige Mars-astronauten. De windsnelheden kunnen wel erg hoog worden, maar de zanddeeltjes zijn bijzonder klein.

De Mars Observer zal ook opheldering moeten verschaffen over de aanwezigheid van water op Mars. Dat er water op Mars moet zijn geweest, blijkt uit de uitstromingspatronen rond inslagkraters. Daarnaast is rond de planeet een ijle wolk van waterstofgas waargenomen, die alleen maar kan zijn ontstaan door het uiteenvallen van watermoleculen in de dampkring onder invloed van ultraviolet zonlicht. De Viking-vluchten in de jaren zeventig hebben aangetoond dat een deel van de noordelijke poolkap uit waterijs bestaat, maar onduidelijk is of dit water bij het stijgen van de temperatuur meteen tot damp vervluchtigt.

Water in de vorm van permafrost moet zeker aanwezig zijn. Met behulp van gammastralings-spectrometers kan water tot een meter onder het oppervlak worden opgespoord. De aanwezigheid van water is belangrijk. Wetenschappers houden er nog altijd rekening mee dat zich in de buurt van water primitief leven op Mars heeft ontwikkeld, mogelijk in de vorm van micro-organismen. Het vorige onderzoek van de Vikings naar het bestaan van leven bleef onbeslist.

Penetratoren

Tenslotte is het nog steeds de bedoeling dat Mars Observer gezelschap krijgt van Russische Mars-sondes. Wat de Russen precies gaan doen is op dit moment nog niet helemaal duidelijk. In het kader van de missie Mars '94 men een Marswagen twee penetratoren (kleine schelpachtige instrumenten die in het oppervlak dringen om de chemische samenstelling van het vaste gesteente te kunnen analyseren) en een aantal ballonnen met meetinstrumenten naar het Mars-oppervlak willen laten afdalen. De 75 kilogram wegende wagen, die herinnert aan de Loenochods die de Russen in de jaren zeventig over de Maan lieten rijden, zou grote delen van het oppervlak moeten verkennen.

De door de Fransen ontwikkelde ballonnen met een gewicht van 13 a 15 kilogram zullen 's nachts op het Mars-oppervlak neerdalen en overdag, wanneer ze door het zonlicht worden verwarmd, weer opstijgen om gedetailleerde panoramische beelden van Mars te maken of om metingen te verrichten. De ballonnen kunnen maximaal twee weken in de dunne koolzuuratmosfeer functioneren. Mars Observer zou voor deze instrumenten als radiografisch relaisstation kunnen fungeren, maar naar het zich nu laat aanzien zal het niet eerder dan 1996 worden dat Russische sondes wagens en ballonnen meenemen.

Aan ambitieuze plannen is echter geen gebrek. NASA overweegt een viertal onbemande missies naar Mars, waaronder diverse monsterretourvluchten. Om het moederschip zo licht mogelijk te maken zullen geen remraketten worden meegenomen. Het NASA-moederschip dat Mars met een snelheid van 7 kilometer per seconde (17.000 mijl per uur) nadert, zal door de dunne Martiaanse dampkring worden afgeremd (aerobraking).

Terwijl het moederschip in een parkeeromloopbaan wordt gebracht, maken landers zich gereed voor de afdaling. Omdat het zeker twintig minuten duurt voordat instructies van het commandocentrum het moederschip hebben bereikt, zullen deze landers autonoom een geschikte landingsplaats moeten uitkiezen, al dan niet geholpen door het moederschip. Robotverkenners zullen een jaar lang monsters verzamelen en die naar een stijgtrap brengen. Ook deze Marswagens zullen autonome beslissingen nemen.

Mars bal

Brian Wilcox is bij JPL verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de Marswagens (rovers). In een kleine barak aan de rand van het JPL-terrein staat een bijna twee meter hoge en vier meter lange robotjeep broederlijk naast een klein wagentje, dat aanvankelijk zou worden gebruikt voor de verkenning van het Maan-oppervlak. Ook andere onderzoekscentra hebben de afgelopen twintig jaar gewerkt aan rondrijdende voertuigen. Aan de Universiteit van Arizona werd bijvoorbeeld de Mars bal ontwikkeld: een enorm gevaarte dat zich verplaatste via een opvolgende cyclus van opblazen en weer leeg laten lopen van radiale gaszakken. Wilcox: 'De rovertechnologie heeft zich enorm ontwikkeld. Vroeger vonden rovers hun weg door met een dun laserstraaltje het terrein af te tasten. Algoritmisch stelde het ook al niet erg veel voor. De instructie aan de robot luidde: als je iets op je weg tegenkomt, sla dan rechtsaf. De tegenwoordige sensoren kunnen veel meer, waardoor de mobiliteit van de verkenners enorm is vergroot. Dankzij de chiptechnologie kunnen beelden in duizendsten van een seconde worden doorgeseind. De Vikinglanders deden daar nog uren over.'

De Marswagens mogen uiteindelijk niet zwaarder mogen worden dan 1500 kilogram. Er bestaan zelfs plannen voor rondrijdende voertuigen die hooguit 20 tot 30 centimeter lang zijn en twee-en-een-half kilogram wegen. De wielen van de grotere Marswagens zijn zo geconstrueerd dat zij makkelijk over 1,5 meter hoge obstakels heen kunnen klimmen of tegen hellingen van dertig graden kunnen oprijden.

Het voorste gedeelte van deze verkenners zal bestaan uit robotarmen en boormechanismen. Door in hard gesteente te boren, hopen NASA-wetenschappers fossielen te vinden van organismen die wellicht ooit op de planeet hebben geleefd. De robots zullen worden aangedreven door thermo-elektriciteit opgewekt door de hitte van een radio-actieve bron. Wilcox: 'Zonne-energie is niet aan te raden omdat de rovers dan 's nachts of tijdens hevige zandstormen niet gebruikt kunnen worden. Batterijen hebben het nadeel dat ze bij extreem lage temperaturen niet goed werken.'

De verkenners zullen dagelijks maar een paar kilometer afleggen, afhankelijk van het type rover dat voor de toekomstige missies zal worden gebruikt. Aan het MIT wordt onderzoek gedaan naar robotsystemen met een zeer lage computationele verwerkingscapaciteit.

Het uiteindelijke streven van NASA en van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA is de vestiging van een netwerk van onbemande observatoria op Mars (het project van ESA heet Marsnet, dat van NASA heet MESUR). De laboratoriummodules voor wetenschappelijk onderzoek kunnen met behulp van ballonnen of penetratoren op het Mars-oppervlak worden geplaatst. In de toekomst worden deze observatoria tot bemanningsverblijven uitgebouwd.

Wanneer dit allemaal gebeurt, is nog niet helemaal duidelijk. Het in januari verschenen rapport van ESA over Marsnet noemt als lanceringsmogelijkheden 1998, 2001 en 2003, ten minste als men tijdig de beschikking kan krijgen over een Delta II-draagraket. Mogelijk zouden al in 2019 (de vijftigste verjaardag van de landing op de Maan) mensen op Mars kunnen landen, vooropgesteld dat dit technisch, financieel en ook medisch (gevaar voor botontkalking en kosmische straling) haalbaar is. Bij NASA houdt men er rekening mee dat gedurende de eenentwintigste eeuw Mars gekoloniseerd zal worden. Door het smelten of verdampen van de poolkappen en het loslaten van gassen zou de ijle atmosfeer van Mars dichter kunnen worden gemaakt, zodat er uiteindelijk planten kunnen groeien die zuurstof produceren en de dampkring geleidelijk geschikt kunnen maken voor menselijke bewoning.

Over de noodzaak van bemande Mars-vluchten wordt bij JPL vooralsnog verschillend gedacht. Mars Observer-manager David D. Evans spreekt over een 'bepaalde traditie die in ere moet worden gehouden'. Wetenschapper Frank Palluconi vindt niet dat er haast met het bemande Mars-programma hoeft te worden gemaakt, 'zolang we nog zo weinig weten over onze eigen planeet. Het zonnestelsel blijft nog wel miljoenen jaren bestaan. Er is geen enkele reden om nu al met de kolonisatie van Mars te beginnen.'

Zijn collega Matthew Golombek vermoedt dat 'mensen uit prestig-overwegingen naar Mars worden gestuurd, net zoals dat in het verleden is gebeurd met de bemande Maanvluchten. Wetenschap kan daar evengoed worden bedreven zonder de aanwezigheid van mensen.'

Jet propulsion lab

Het planetair verkenningscentrum Jet Propulsion Lab (Laboratorium voor Straalaandrijving) dateert al van 1926, toen de technische universiteit Caltech in Paradena - in 1891 als kunstacademie (!) opgericht door de zakenman Amos G. Throop - de Guggenheim Gradutate School of Aeronautics in het leven riep. Theodore von Karman deed daar in de jaren dertig belangwekkend onderzoek ten behoeve van de luchtvaartindustrie. De annalen maken melding van 'merkwaardige experimenten op het gebied van raketaandrijving op een braakliggend terrein in Arroyo Seco.'

Op 31 oktober 1936 werd in La Canada-Flintridge, niet ver van de huidige terreinen van JPL, de eerste proefraket gelanceerd. In de jaren veertig en vijftig stond het laboratorium grotendeels onder toezicht van de militairen.

Aan die situatie kwam in december 1958 een einde, toen het Amerikaanse Congres instemde met de oprichting van de ruimtevaartorganisatie NASA en JPL - tot op de dag van vandaag een dependance van Caltech - werd benoemd tot 'planetair verkenningscentrum'. Nog datzelfde jaar bouwde JPL de 14 kilogram wegende ruimtesatelliet Explorer 1, die de Van Allen-gordels ontdekte (magnetische gordels die de aarde beschermen tegen deeltjesstraling uit de kosmos).

Met uitzondering van Pluto zijn inmiddels alle planeten van ons zonnestelsel door JPL-sondes verkend. In de jaren zestig was het laboratorium, waar liefst 8000 mensen werken, verantwoordelijk voor de onbemande Maan-missies Ranger en Surveyor ter voorbereiding van de Apollo-vluchten. Halverwege de jaren zestig volgden de eerste onbemande verkenningsvluchten naar Mars (Mariners) en in de jaren zeventig landden twee Vikings op de rode planeet. Miniatuurlaboratoria voerden chemische en biologische anayses van grondmonsters uit.

De succesvolste JPL-sonde is tot nu toe de Voyager geweest, die langs Jupiter, Saturnus, Neptunus en Uranus scheerde en een schat aan gegevens terug naar aarde seinde.

Andere missies zijn nog in volle gang. In maart van dit jaar maakte de planeetverkenner Magellan, die op 4 mei 1989 werd gelanceerd vanuit het ruimteveer Atlantis, indrukwekkende radarfoto's van Venus. In 1995 zal een capsule van de in 1989 gelanceerde ruimtesonde Galileo de zeer dichte dampkring van Jupiter binnendringen en gedurende circa 75 minuten metingen verrichten. In oktober 1990 werd de ruimtesonde Ulysses gelanceerd, die eerst naar Jupiter zal vliegen en daarna de polen van de zon zal verkennen.

In de naaste toekomst zal de ruimtesonde CRAF de komeet Kopff en de planetoden Hamburga en Maja zeer dicht benaderen. In 1995 is er een missie naar Saturnus.