Direct naar Mars

De Amerikaanse president Bush wil een basis op de maan en van daaruit naar Mars. Nogal ingewikkeld, met bestaande technologie kan de mens ook rechtstreeks naar Mars, blijkt uit oude NASA-plannen.

WE GAAN WEER naar de maan, en later vast ook naar Mars, maar vraag niet wanneer of hoe. Dat is een korte samenvatting van de toespraak die president Bush afgelopen woensdag hield in het NASA-hoofdkwartier in Washington. We schrijven de Space Shuttle af en ontwerpen een nieuw ruimtevaartuig dat zowel geschikt is voor bezoeken aan het internationale ruimtestation ISS als de maan. Daarna zien we wel verder.

Een week geleden leek het er nog op dat Bush met een grand vision zou komen en een revolutionair besluit voor een missie naar Mars zou presenteren. Inclusief een streefdatum en een forse uitbreiding van het NASA-budget, zoals president Kennedy in mei 1961 het plan voor een landing op de maan aankondigde. Voor- en tegenstanders van bemande Marsmissies bestookten de media al met enthousiaste of geërgerde reacties. `Ik hoop het nog mee te maken', schreef de een. `Het is zonde van het geld', `het is gevaarlijk', `het is onmogelijk', schreven anderen.

Te vroeg. Bemande missies naar Mars zijn weer op de lange baan geschoven. In de rede van Bush bleef Mars verstoken van een deadline en een eigen budget. Hij deed geen expliciet voorstel voor internationale samenwerking en formuleerde zelfs geen duidelijke `onbemande' Marsdoelen, geen wetenschappelijke en geen technische. Vanuit wetenschappelijke kring (zoals de commissie voor planetair onderzoek van de Amerikaanse National Research Council) wordt al jaren gesmeekt om een `sample return mission' naar Mars: een onbemande vlucht naar Mars waarbij een monster van de Marsbodem wordt teruggebracht naar de aarde. Desnoods een lukraak bijeengegrabbeld hapje Marsgrond.

Maar Bush wil weer mensen op de maan zetten. Want: we zouden er hulpbronnen kunnen vinden waar we van achterover slaan. Ook wil Bush er een station laten neerzetten dat een langer verblijf op de maan mogelijk maakt, maar allemaal pas na 2020. Een bemande reis naar Mars en `werelden verderop' komt dan nog later.

Maar dat had zijn vader ook al beloofd toen hij in juli 1989 de eerste landing op de maan (in 1969) herdacht: in de 21ste eeuw eerst terug naar de maan en dan later door naar Mars. Veel vrucht heeft die toezegging niet afgeworpen. De NASA deed onmiddellijk een verkennende Mars-studie (de `90-Day Study') en nog een vervolgstudie (in 1991) en daar is het grotendeels bij gebleven. De ervaring leert dat NASA-projecten die een langere looptijd hebben dan een jaar of tien, vijftien vaak de eindstreep niet halen. Er komen nieuwe Congressen en presidenten die weer andere prioriteiten hebben en ook binnen de ruimtevaartorganisatie verschuift de belangstelling. Zolang er voor een bemande Marsreis geen harde deadline en een afzonderlijk budget is blijft de kans klein dat het er überhaupt van komt.

jammer

Is het erg? Nee, het is niet erg, het is jammer. Bemande ruimtevaart dient geen wetenschappelijk doel, maar een emotioneel doel. Voor het wetenschappelijk onderzoek aan en op andere planeten is onbemande, gerobotiseerde ruimtevaart veel aantrekkelijker. Het is goedkoper en meestal zelfs ook veel makkelijker. Maar het spreekt niet erg, en zeker niet lang, tot de verbeelding. Zelfs voor de bemande vluchten naar de maan (de laatste landing was in 1972) was al na drie jaar geen publieke belangstelling meer. En de laatste vluchten met de Space Shuttle gingen ongemerkt voorbij tot er vorig jaar een verongelukte.

Daarom staat wel vast dat de nieuwe missies terug-naar-de-maan noch het publiek, noch de ruimtevaartorganisatie zelf kunnen inspireren. Dat jonge mensen er extra door gemotiveerd raken om `math and science and engineering' te gaan studeren lijkt meer wens dan werkelijkheid. Pijnlijker is het dat de NASA niet de impuls wordt gegeven die de organisatie nodig heeft. De NASA is volgens critici in de 46 jaar van haar bestaan uitgegroeid tot een bureaucratische, arrogante moloch die richtingloos opereert, lijdt onder metaalmoeheid en zit vastgebakken aan `low earth orbit'. De NASA heeft behoefte aan een helder geformuleerde technische uitdaging die het uiterste vraagt van haar vernuft en talenten. De bouw van een permanente basis op de maan, een soort ruimtestation ISS op fundering, kan die rol niet vervullen.

Niet dat alle hoop definitief vervlogen is. President Bush heeft `Mars' niet uitsluitend volledigheidshalve en uit retorische noodzaak genoemd. En passant gaf hij ook wat details prijs van het schema voor een bemande Marsreis dat de NASA kennelijk voor ogen staat. Hij suggereerde dat de draagraket en/of het ruimtevaartuig op de maan geassembleerd zal worden, dat voor een deel gebruik kan worden gemaakt van brandstof (zuurstof) die uit maangesteente wordt vrijgemaakt en dat de reis naar Mars ook vanaf de maan begint. Verder repte hij van het ontwikkelen van nieuwe voortstuwingssystemen. Helaas kunnen die details weer aanleiding geven tot nieuwe somberheid, want ze grijpen terug op de genoemde houtskoolschets die de NASA in 1989 maakte. Het `90 Days report' ging uit van het gebruik van een ongekend zwaar ruimtevaartuig (boordevol voedsel en brandstof) dat door een reusachtige draagraket naar Mars werd gestuurd en na gedane zaken weer terugvloog richting aarde, onderweg voortdurend ballast en andere overtolligheden afwerpend. Het was, zeggen critici, in essentie een uitwerking van het megalomane `Das Marsprojekt' dat Werner von Braun c.s rond 1950 uitwerkten. Alleen al aan het opzetten van de benodigde infrastructuur zou dertig jaar gewerkt worden.

Om iedereen is het spel te betrekken is de meest gecompliceerde `missie architectuur' ontworpen die er mogelijk was, hoont Robert Zubrin in zijn boek `The Case for Mars' (The Free Press, 1996). Zubrin, lange tijd verbonden aan NASA-toeleveraar Martin Marietta, later Lockheed Martin en inmiddels particulier consultant, ageert al sinds 1989 tegen NASA's botte, visieloze benadering van het Mars-probleem. Aanvankelijk samen met technicus David Baker, later alleen, ontwikkelde hij een alternatief plan dat een wonder van schoonheid is: het `Mars Direct'-plan. Essentie: maak de reis naar Mars niet met één reusachtige draagraket en een topzwaar ruimtevaartuig maar verdeel de missie over een aantal kleinere vaartuigen en raketten. Kies een vluchtschema waarin het brandstofverbruik minimaal is en de verblijftijd op Mars maximaal (anderhalf jaar). Gebruik nucleaire aandrijving in plaats van een chemische reactie. En laat bovendien de brandstof voor de terugreis van Mars naar aarde lokaal, dus op Mars (`in situ') produceren. Last but not least: vertrek gewoon van de aarde, ga niet eerst naar de maan. `If you want to go to Mars, go to Mars'.

De NASA laat zich te veel verleiden door de nabijheid van de maan, meent Zubrin. De geringe zwaartekrachtswerking op de maan is inderdaad een voordeel, zeker als je een mega-Marsraket wilt assembleren, maar daar staat een groot nadeel tegenover: de maan heeft geen dampkring. Missies die op de maan moeten landen kunnen daardoor niet gebruik maken van het principe van `aerobraking'. Daarbij worden vaartuigen afgeremd door de wrijving met de atmosfeer die een zorgvuldig ontworpen `aeroshield' (tevens hitteschild) opwekt. Op de maan moeten remraketten worden gebruikt en die doen de besparing op brandstof weer teniet. Assemblage op de maan (of zelfs in volle vlucht bij een ruimtestation: on orbit assembly) is nodeloos gecompliceerd.

Zubrins plan was eerst een tikkeltje te wild voor de NASA, hoewel hij al in een vroeg stadium, uit angst voor publiek verzet, de nucleaire aandrijving schrapte. Later leek de NASA toch wel gecharmeerd van een aantal ideeën. Toen in 1991 door de zogenoemde Synthesis Group een uitwerking van het 90 dagen-rapport van 1989 werd uitgebracht, stonden daarin waarderende woorden over het principe van in situ methaanproductie. In 1992 ontstond een direct contact tussen NASA en Zubrin en in 1997 stelde het NASA Mars Exploration Study Team een alternatief schema op voor een reis naar Mars dat treffende overeenkomst vertoont met Zubrins concept. Het is als de `Reference Mission' op internet te vinden (exploration.jsc.nasa.gov). Het lokaal geproduceerde methaan wordt er alleen gebruikt voor de tocht van de het Marsoppervlak naar een `orbiter' die om Mars cirkelt, dus niet ook voor de reis terug naar de aarde.

Voor één gegarandeerd veilige bemande vlucht naar Mars volgens het `Reference Mission'-scenario moeten een stuk of acht raketten met diverse ruimtevaartuigen klaar staan. Ze moeten in twee opvolgende `lanceervensters' worden gelanceerd. Om de 26 maanden staan aarde en Mars enige weken in een zodanige positie ten opzichte van elkaar dat Mars met een minimum aan brandstof vanaf aarde te bereiken is. De eerste keer dat zich zo'n lanceervenster (`launch window') opent moeten drie onbemande missies vertrekken. De eerste brengt een `orbiter' in een baan om Mars waarmee later de astronauten terug naar de aarde zullen gaan. De orbiter zal, volledig van voedsel en brandtof voorzien, vier jaar op zijn passagiers wachten. De tweede missie laat een onderzoekslaboratorium op Mars neer. Dit goed uitgeruste laboratorium bevat een kleine nucleaire centrale, een wagentje voor vrachtvervoer en veel voedsel. De derde missie bestaat uit het ruimtevaartuig dat de astronauten aan het eind van hun verblijf op Mars van het Mars-oppervlak naar de netgenoemde `orbiter' moet brengen: de `Mars ascent vehicle' (MAV).

Dit vaartuig, ook voorzien van een kleine kernreactor, landt pal naast het laboratorium met een minimale hoeveelheid brandstof. Het is de bedoeling dat het zijn brandstof zelf gaat maken uit de ijle Marslucht die bijna volledig uit kooldioxide (CO2) en een kleine fractie stikstof en argon bestaat. Het CO2 moet volgens het klassieke Sabatier-proces over een ruthenium-katalysator reageren met waterstof (H2) die van de aarde is meegenomen. Deze reactie, die zijn eigen warmte levert, vormt methaan (CH4) en water. Dat water kan, bijvoorbeeld elektrolytisch, worden gesplitst in waterstof (H2), dat terugkeert in de cyclus, en in zuurstof (O2) dat het tweede deel van de brandstof vormt. Want uiteindelijk moet het methaan met zuurstof in de raketmotor worden verbrand. De MAV heeft anderhalf jaar de tijd om de brandstoftanks te vullen. Vanaf de aarde wordt geverifieerd of de tanks vol zijn, pas dan kan de tweede fase ingaan.

Weer gaan, als het tweede lanceervenster zich opent, drie vluchten richting Mars. Om te beginnen een complete `orbiter' en een complete `MAV' (identiek aan de vorige twee) die beide als reserve dienst doen maar ook voor latere vluchten kunnen worden ingeschakeld. Als die twee veilig op weg zijn gaat eindelijk een vaartuig met een bemanning van zes of zeven koppen omhoog. Deze `transit module' volgt een ander traject dan de orbiter en MAV, niet een minimum-brandstof traject maar een minimum-reistijd traject (om de stralingsbelasting en het ongemak van gewichtloosheid te minimaliseren). Na een tocht van zes maanden arriveert de bemanning net een paar weken vóór de twee reservetoestellen op Mars.

Het is de bedoeling dat de `transit module' pal naast het laboratorium en naast de MAV met zijn volle tanks wordt afgezet. Gaat dat fout dan kan de iets later arriverende tweede MAV naast de transit module worden neergelaten. Die heeft dan toch nog anderhalf jaar voor methaanproductie. De astronauten zullen anderhalf jaar op Mars blijven voor ze weer met de MAV opstijgen, koppelen aan de orbiter en teruggaan naar de aarde.

Het duidelijkste nadeel van de `Reference Mission' is het grote aantal ruimtevaartuigen dat er voor nodig is (nog afgezien van de reserves) en de afhankelijkheid van die gerobotiseerde methaanproductie, al is dat laatste systeem al volledig op aarde getest. Het grote voordeel is dat gebruik wordt gemaakt van draagraketten die qua stuwkracht vergelijkbaar zijn met die welke tussen 1969 en 1972 de Apollo-capsules naar de maan brachten: de Saturnus V. Men is niet aangewezen op ongekende schaalvergroting, inclusief buitenaardse assemblage. Het plan is factoren goedkoper dan het mega-Marsprojekt. En binnen tien jaar te verwezenlijken, onderstreept Zubrin.

De Referentie Missie kan door zijn aard steunen op overvloedige redundantie (essentiële systemen zijn in drievoud aanwezig) en maakt bijna volledig gebruik van bewezen technologie. Er is nog twijfel over de inzet van kernenergie voor de voortstuwing (NTP, nuclear thermal propulsion). De warmte die bij kernsplijting ontstaat wordt in dat concept aangewend om waterstof tot extreme temperatuur (ruim 3000 °C) te verhitten. De waterstof-expansie die er op volgt, levert de stuwkracht. Ook voor de aandrijving van de Mars-terreinwagentjes zou een kernreactie kunnen worden gebruikt, in dit geval het natuurlijk verval van plutonium-238 (DIPS, dynamic isotope power system). Brandstofcellen zijn een alternatief.

Het meest unheimliche aan de voorgestelde Marsmissie is het wel èrg lange verblijf op Mars: ruim anderhalf jaar. Daaraan valt niet makkelijk te ontkomen omdat aarde en Mars pas anderhalf jaar na landing weer in een gunstige positie ten opzichte van elkaar staan. Er is één alternatief waarbij de verblijftijd op Mars wordt teruggebracht tot 30 dagen (wat gezien de kans op stofstormen weer erg kort is), maar dat schema maakt gebruik van een `Venus-flyby'. De terugkerende capsule met astronauten zwaait daarbij vlak om Venus heen terug naar aarde. Dat brengt de astronauten gevaarlijk dicht bij de zon met haar agressieve straling (de `Venus-fryby') en levert bovendien een forse verlenging van de reistijd op. De ontwerpers van de Referentie Missie benadrukken dat het verblijf op Mars zelf verreweg het minst riskante deel is van de hele Marsmissie.

stress

In de ruimtevaart zijn de risico's altijd het grootst bij lanceringen, landingen en koerscorrecties, in wat genoemd wordt de `Active Space Environment'. Alle fatale ongelukken met Amerikaanse en Russische astronauten hebben zich in deze fase van de reis voorgedaan. Tijdens de reis zelf, als geen motor werkt, zijn de risico's veel kleiner. De gevaren komen er, afgezien van uitvallende instrumenten en voorzieningen, vooral van de straling en langdurige gewichtloosheid. De stralingsbelasting van Mars-reizigers is bepaald niet gering, naar schatting wordt tijdens de hele missie (zo'n 2,5 jaar) een stralingsdosis van ruim 0,5 sievert (50 rem) opgelopen. Dat is ongeveer honderd keer zoveel als in dezelfde periode op aarde zou zijn ontvangen en betekent een reële stijging van de kans op kankers. De bulk van de dosis wordt tijdens de vlucht opgelopen van kosmische straling, waartegen vrijwel geen bescherming mogelijk is. Incidenteel (bij `uitbarstingen') kunnen de energetische deeltjes die de zon uitzendt een grote bijdrage leveren. Daartegen kan het ruimtevaartuig wel enige bescherming bieden. Van belang is dat op Mars zelf veel minder straling wordt ontvangen, zeker als er een flinke stapel zandzakken met Marsgrond rond de basis komt te liggen. Daarom is het een dwingende eis de duur van de vlucht tussen aarde en Mars en omgekeerd te minimaliseren.

Ook langdurige gewichtloosheid is een niet te negeren gevaar. Het leidt tot botontkalking, problemen met hart en bloedvaten, spierverzwakking en zelfs tot schade aan het immuunsysteem. Maar in de meeste gevallen trad zeer spoedig herstel op en vooral de Russische kosmonauten hebben zeer lange periodes van gewichtloosheid heelhuids doorstaan. De NASA ziet in de Referentie Missie dan ook af van het opwekken van kunstmatige zwaartekracht met behulp van rotatie. Het is niet goed te begrijpen waarom president Bush nu nòg meer onderzoek naar de gevolgen van langdurig verblijf in de ruimte aankondigt. Op Mars zelf heerst een zwaartekrachtswerking die ongeveer 38 procent is van die van de aarde. Dat levert waarschijnlijk een aangename sensatie op.

Het moeilijkst te kwantificeren risico is het gevaar dat de astronauten voor elkaar worden als stress, monotonie en gebrek aan privacy hun tol eisen. Zubrin, die de laatste helft van `The Case for Mars' geleidelijk in een spannend jongensboek laat overgaan, maakt er korte metten mee. Tijdens de eerste wereldoorlog was het maandenlange verblijf in de loopgraven absoluut onaangenamer, zegt hij met zoveel woorden. Er valt aan toe te voegen dat de tochten van Scott, Shackleton en Amundsen heen en weer naar de zuidpool, met een handvol reisgenoten door de absolute leegte, ook vele maanden duurden. Het moet te doen zijn.