Op een brommer naar de maan

De Europese ruimtesonde Smart-1 zal van begin 2005 af baantjes om de maan gaan draaien. Het vaartuig gaat op de maan onder meer op zoek naar ijs. Zijn trage maar efficiënte ionenmotor is een primeur.

DE EUROPESE ruimtevaartorganisatie ESA stuurt in een van de komende weken een ruimtevaartuig naar de maan. Smart-1 is de eerste maansonde van de ESA en hij vertrekt ruim veertig jaar nadat tussen de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten de wedloop om de maan werd gehouden. De ESA vindt het bezoek niet te laat. De maan wordt nog door voldoende vragen en raadsels omgeven om een onbemande maansonde te rechtvaardigen. Bovendien ligt de maan publicitair `goed in de markt' en nog belangrijker is een maanvlucht een uitstekende gelegenheid om nieuwe technologieën voor het ruimteonderzoek te beproeven. De naam van de maansonde verwijst dan ook niet toevallig naar het nieuwe credo van de ESA: `faster, cheaper, smarter'.

Smart is het acroniem van `small mission for advanced research in technology' en de '1' wijst er op dat het niet bij één ruimtevaartuig zal blijven. Smart-1 is het prototype van een serie kleine en relatief goedkope ruimtevaartuigen voor het testen van nieuwe technologieën die de ESA in haar toekomstige ruimteprojecten denkt te kunnen gaan gebruiken. Het Smart-programma moet méér ruimteonderzoek voor minder geld mogelijk maken. De oplossingen worden vooral gezocht in miniaturisering, lichtgewicht-technologie en het gebruik van ionenaandrijving.

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

Ondanks het ruimteonderzoek is over verscheidene maankwesties het laatste woord nog niet gezegd. Zo staat weliswaar vast dat er meer dan 3 miljard jaar geleden een grote vulkanische activiteit op de maan heerste, maar is het nog niet duidelijk wanneer die activiteit geheel was uitgedoofd. Er zijn zelfs astronomen die van mening zijn dat de laatste stuiptrekkingen van deze processen ook nu nog merkbaar zijn. In de jaren zeventig werden diepe haarden van bevingen op de maan ontdekt, waarvan de activiteit min of meer periodiek onder invloed van de getijdenkrachten van de aarde fluctueerde – misschien een teken van (zwakke) vulkanische of tektonische activiteit. Verder zijn er regelmatig berichten over lichtschijnselen op de maan die aan het ontsnappen van vulkanische gassen worden toegeschreven.

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

Een andere onopgeloste kwestie is het water op de maan. Al meer dan een kwart eeuw geleden suggereerden enkele astronomen dat er ijs (van water) in de koudste gebieden op de maan zou kunnen voorkomen. In 1994 werden uit kraters bij de polen van de maan radarreflecties ontvangen die op bodemijs leken te wijzen en in 1998 mat de maansonde Lunar Prospector verhoogde concentraties waterstof die hetzelfde deden. Het echte bewijs moet echter nog worden geleverd.

Dat de ESA nu naar de maan gaat is niet vanzelfsprekend. Want in Europa heeft het maanonderzoek lange tijd een lage prioriteit gekend. Projecten als POLO (Polar Orbiting Lunar Observatory) en MORO (Moon Orbiting Observatory), LEDA (Lunar European Demonstration Approach) en Euromoon, kwamen niet verder dan de tekentafels. De wetenschappers in de ESA-landen besteedden hun geld liever aan `grensverleggende projecten', zoals astronomische satellieten voor waarnemingen in golflengtegebieden die, vanwege de dampkring, niet vanaf de aarde toegankelijk zijn, zoals het röntgengebied, het ultraviolet en het infrarood.

De Russen en de Amerikanen hadden toen al lange tijd maanonderzoek verricht. Dat onderzoek begon nog geen twee jaar nadat de Russen er in oktober 1957 als eersten in waren geslaagd een kunstmaan (Spoetnik 1) in een baan om de aarde te brengen. En in februari 1966 maakte Loena 9 als eerste onbemande ruimtevaartuig een zachte landing op de stoffige maanbodem.

landingen De Amerikanen bestudeerden de maan eerst met behulp van onbemande sondes die op de maan neerploften (de Rangers: 1964-1965), er in een baan omheen kwamen (de Lunar Orbiters: 1966-1967) en er zachte landingen op uitvoerden (de Surveyors: 1966-1968). Vervolgens werden in de periode 1969 tot 1972 in het kader van het Apolloproject zes paar astronauten op de maan neergezet, die er dagenlang onderzoek verrichtten en met maanstenen en stof naar de aarde terugkeerden. Dat laatste deden overigens ook de drie onbemande Russische Loena's die in 1970, 1972 en 1976 op de maan waren geland.

Daarna bleef het lange tijd stil op de maan. In februari 1992 bracht het Japanse Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) weliswaar zijn satelliet Hiten in een baan om onze buurwereld, maar dat bezoek was slechts een oefening voor latere interplanetaire ruimtevluchten. Pas in 1994 werd de maan nog een keer uit een omloopbaan bestudeerd door de Amerikaanse sonde Clementine en in 1998 nogmaals door de Lunar Prospector. Toen deze laatste op 31 juli 1999 op de maan was gevallen (met wat as van de beroemde maanonderzoeker Eugene Shoemaker), zette de NASA een punt achter haar maanonderzoek. Nog geen twee maanden later keurde in Europa het Science Programme Committee van de ESA het project Smart-1 goed.

Smart-1 is onder leiding van de Swedish Space Corporation gebouwd door een consortium van meer dan twintig Europese industrieën. De maansonde weegt slechts 367 kilogram en neemt (als zijn twee zonnepanelen nog niet zijn uitgeklapt) een ruimte van weinig meer dan één kubieke meter in beslag. Bij de bouw heeft miniaturisering dan ook een belangrijke rol gespeeld: alle instrumenten tezamen wegen slechts 19 kilogram. De maansonde wordt met een Ariane 5 gelanceerd vanaf de Europese basis Kourou in Frans-Guyana. Omdat hij wordt vergezeld door twee commerciële satellieten, e-Bird (van Eutelsat, voor breedband-internetverkeer) en Insat-3E (een Indiase communicatiesatelliet), zijn de lanceerkosten gering. Het Smart-1 project heeft daardoor in totaal slechts 110 miljoen euro gekost.

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

Waar de stuwkracht van een gewone raketmotor heel groot kan zijn, bedraagt die van de ionenmotor van Smart-1 slechts 7 gram. Het voordeel is echter dat zo'n ionenmotor zeer lang kan werken, waardoor de snelheid van het vrij lichte ruimtevaartuig uiteindelijk toch flink kan worden opgevoerd. Smart-1 heeft 82 kilogram xenongas aan boord, waarop zijn motor minstens anderhalf jaar lang kan werken. Hiermee kan in totaal een snelheidsverandering van 4 km per seconde tot stand worden gebracht. Met eenzelfde hoeveelheid (kortwerkende) chemische stuwstof zou die verandering 0,4 km/s bedragen.

De oorzaak van dit grote verschil ligt in het feit dat de gasdeeltjes de ionenmotor met een snelheid van ongeveer 30 km/s verlaten: bijna tienmaal zo snel als bij een motor die op chemische stuwstoffen werkt. De hoeveelheid impuls per massa-eenheid stuwstof, de specifieke impuls, is daardoor veel groter dan bij chemische stuwstoffen. Zo'n ionenmotor heeft echter veel elektriciteit nodig. Die wordt bij Smart-1 geleverd door twee lange panelen met zonnecellen van galliumarsenide die een vermogen van 1350 watt leveren. Ze zijn gebouwd door Dutch Space (voorheen Fokker Space). Om te voorkomen dat de maansonde door het uitstoten van positieve ionen zelf een negatieve lading krijgt, worden de elektronen die tijdens de ionisatie van het xenongas vrijkomen in de uitstromende ionenbundel geïnjecteerd.

lagrangepunt

Met zijn twee metgezellen wordt Smart-1 in een zeer langgerekte baan om de aarde gebracht. De ionenmotor moet er dan voor zorgen dat zijn baansnelheid heel geleidelijk groter wordt, waardoor het verste punt van de baan steeds wat verder van de aarde komt te liggen. Over ongeveer een jaar, en vele omlopen rond de aarde, bereikt het ruimtevaartuig het punt waar de aantrekkingskracht van de maan even sterk is als die van de aarde. Dit punt,het `eerste Lagrangepunt' (L1) geheten, ligt op 50.000 à 60.000 kilometer van de maan in de richting van de aarde.

In het L1-punt gaat Smart-1 als het ware door een onzichtbare poort die het gravitatieveld van de aarde scheidt van dat van de maan. Hij komt daarna in een zeer langgerekte baan rond de polen van de maan en dan moet de ionenmotor er voor zorgen dat de baansnelheid weer geleidelijk kleiner wordt en de sonde naar de maan toe spiraliseert. Het is de bedoeling dat Smart-1 begin 2005 in een baan draait die hem tot op enkele honderden kilometers van de maan brengt. De ruimtesonde heeft er dan 16 maanden over gedaan om de bijna 400.000 kilometer naar de maan af te leggen. Dat is een gemiddelde van 34 kilometer per uur: de snelheid van een brommer die zich aan de verkeersregels houdt.

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

In totaal heeft Smart-1 tien instrumenten aan boord. Twee ervan, EPDP (Electric Propulsion Diagnostic Package) en SPEDE (Spacecraft Potential, Electronic and Dust Experiment), zijn bedoeld voor het bestuderen van de neveneffecten van de ionenmotor, zoals het ontstaan van ongewenste elektrische ladingen en stromen en de `vervuiling' van de ruimte rond Smart-1 door het uitgestoten plasma. Met twee andere instrumenten, KaTE en Laser-Link, worden nieuwe mogelijkheden voor telecommunicatie getest: met microgolven (de Ka-band, rond 9 millimeter) en met laserlicht. ESA heeft op Tenerife al een grondstation met een optische telescoop voor laserverbindingen met communicatiesatellieten en hoopt hiermee straks ook het licht van de verre Smart-1 te kunnen opvangen.

Als Smart-1 straks in een baan om de maan draait, zal hij deze buur minstens zes en misschien wel twaalf maanden lang met behulp van vier instrumenten waarnemen. Terwijl AMIE de maan fotografeert, meten de infraroodspectrometer SIR (Spectrometer for the Infra-Red) en de röntgenspectrometer CIXS (Compact Imaging X-ray Spectrometer) de hoeveelheden mineralen en chemische elementen in het maanoppervlak. Dat is van belang voor het onderzoek naar de ontwikkeling en `verwering' van de maanbodem en het ontstaan van de maan 4,5 miljard jaar geleden.

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

bepi-colombo Hoewel Smart-1 niet verder dan de maan komt, zal men er technieken mee kunnen testen die later gebruikt kunnen worden voor langere, interplanetaire reizen. Bepi-Colombo, een ESA-sonde die rond 2012 wordt gelanceerd, zal ook via een ionenmotor en autonome navigatie zijn weg naar de planeet Mercurius moeten vinden. Hetzelde geldt voor de Solar Orbiter, die in dat jaar naar onze buurster wordt gestuurd. Daarnaast zullen ionenmotoren waarschijnlijk in toenemende mate worden gebruikt voor het corrigeren van de baan van geostationaire satellieten: satellieten voor telecommunicatie en aardbewaking die op een 'vast' punt boven de aarde moeten blijven staan.

Alle waarnemingen van Smart-1 arriveren straks op het ruimtevaartcentrum ESTEC in Noordwijk. De maansonde zal waarschijnlijk na het beëindigen van zijn waarnemingen naar het maanoppervlak worden gestuurd, waarbij de plaats van inslag – net zoals in 1999 bij de Lunar Prospector door vele telescopen op aarde in de gaten zal worden gehouden.

Dan is de beurt aan Japan, met zijn Institute of Space and Astronautical Science (ISAS). Al in 1999 wilde het ISAS een ruimtevaartuig, Lunar-A geheten, in een baan om de maan brengen en van daaruit ook twee seismometers op de maan laten neerkomen. Daarna zouden ISAS en NASDA (National Space Development Agency) in 2003 Selene naar onze nachtgodin sturen, met aan boord onder andere een landingsvaartuig. Door technische en financiële problemen zijn deze projecten echter vertraagd tot respectievelijk 2004 en 2005. Ook India en China hebben inmiddels belangstelling voor de maan gekregen, die daarmee dus een soort Asian Dream is geworden.