Centaur rocket

Nu weten we waar de maan z’n water laat

Een spectaculaire actie toonde aan dat er water op de maan is. Ruimtevaartorganisatie NASA stuurde een 2,2 ton zware Centaurrakettrap naar het oppervlak, waar hij met meer dan 9000 km/h neerstortte. In de stofwolken nam een satelliet watersporen waar.

29 april 2010 door Helle & Henrik Stub

Er is water op de maan. Dat bleek toen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA in oktober 2009 een 2,2 ton zware Centaurrakettrap naar de maan stuurde. Deze stortte met meer dan 9000 km/h neer op het oppervlak.

De inslag vond plaats in de 100 kilometer grote Cabeuskrater bij de maanzuidpool. Delen van die krater liggen altijd in de schaduw; het kan er wel -230°C zijn.

De plek van de inslag was zorgvuldig bepaald, want als je op de atmosfeerloze maan water zoekt in de vorm van ijs, moet dat bij extreem lage temperaturen. De raket stortte in de Cabeuskrater op nog geen 200 meter van de beoogde plek neer, en liet bij de gigantische inslag een meer dan 20 meter grote krater achter.

Overal wachtten astronomen af of ze een imposante stofwolk vanaf de krater zouden zien opstijgen. Maar helaas, de wolk was veel zwakker dan verwacht. Hij werd alleen goed geregistreerd door de LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite), de satelliet die snel achter de Centaurtrap was aan gegaan met als doel de stofwolk te onderzoeken.

Voor de metingen had de LCROSS maar een paar minuten, want hij stortte daarna zelf neer. Hij nam niet alleen foto’s van de inslag, maar bracht ook zeer gevoelige spectrometers mee om de samenstelling van stof en gas in de wolk opgejaagd stof te analyseren. De infrarode spectrometer vond sporen van water en damp, en de ultraviolette nam de resten van watermoleculen waar: de hydroxylmolecuul OH, die ontstaat als water door zonlicht wordt gespleten.

De hoeveelheid water in de stofwolk werd geraamd op 100 liter, en dat mag ook wel; bij de inslag zijn er duizenden tonnen stof de ruimte in geslingerd.

Water als raketbrandstof

De maan is dus nog steeds uitermate droog. Zoals wetenschappers zeggen: net iets vochtiger dan de Atacamawoestijn in Chili, de droogste plek op aarde. De vreugde van het vinden van water is er echter niet minder om – of zoals Peter Schultz van het team achter de LCROSS het verwoordt: ‘Wat het echt spannend maakt, is dat dit nog maar de eerste plek is die we aantroffen. Het is net als boren naar olie: als je één plek hebt gevonden, is de kans groot dat het overal zit.’

De vondst van water is belangrijk voor de planning van een toekomstige maanbasis. Want water kun je niet alleen drinken, je kunt het met behulp van zonlicht ook splijten in zuurstof en waterstof en dus als raketbrandstof gebruiken.

De kosten van een maanbasis zullen fors dalen als ruimteschepen op de maan kunnen tanken, zodat ze niet alle brandstof vanaf aarde mee hoeven nemen.

Extreme temperaturen geven problemen

Maar het duurt nog wel even voordat we echt een maanbasis kunnen bouwen die dit water kan benutten. Dat is om twee redenen nogal een uitdaging. Als het water – of ijs – geconcentreerd is in de koude poolkraters, waar zonnestralen nooit bij komen, moeten we apparatuur ontwikkelen die bij -230°C nog werkt. We dachten dat dit pas aan de orde zou zijn als we ooit astronauten naar Uranus, Neptunus of Pluto zouden sturen, in het buitenste zonnestelsel. Het maken van ruimtepakken voor deze temperaturen is ontzettend moeilijk, want bijna alle buigzame stoffen worden broos onder zulke extreem koude omstandigheden.

In eerste instantie moet de winning van water daarom door robots gebeuren. Voor één glas water moet je een gebied zo groot als een voetbalveld afzoeken. Gelukkig is het winnen van water simpel. Het kan al door het oppervlaktestof met behulp van microgolven te verwarmen tot -50°C. Zelfs bij deze lage temperatuur zal het ijs in de atmosfeerloze omgeving al verdampen. De damp kan als rijp of ijs neerslaan op een koude metalen plaat, waarna het er wordt afgeschraapt.

De microgolven worden geleverd door een installatie op zonne-energie, op een kraterrand die hoog boven de donkere bodem in de zon ligt. Als dat te lastig is, dan is het ook mogelijk een kernreactor naar de bodem van de krater te rijden, en alle problemen van het werken in de kou dan maar het hoofd te bieden.

Nog een mogelijkheid: ‘hoppers’, heel kleine robots, springen tussen schaduw en zonlicht heen en weer om beurtelings water te winnen en energie op te doen. Het water op de maan komt hoe dan ook geweldig goed van pas, vooral als we in de toekomst een maanbasis willen. '

Het is dan ook niet zo vreemd dat we al naar maanwater op zoek zijn sinds de Apollomissies 40 jaar geleden. Natuurlijk zijn de toen meegebrachte monsters op water onderzocht, maar aanvankelijk vergeefs. En ook dat is niet zo vreemd, want alle landingsplekken lagen vlak bij de evenaar van de maan, waar het in de loop van een dag op de maan – die aan twee weken op aarde gelijkstaat – meer dan 120°C heet kan worden.

Ruimtesondes vonden al eens sporen van water

De twee ruimtesondes van na de Apollomissies vonden beide sporen van water, de Clementine in 1994 en de Lunar Prospector in 1998. De Clementine zond radarsignalen de donkere, koude kraters op de maanpolen in. Hier ving de sonde een luide echo op, wat te verklaren valt als het geluid weerkaatst werd door gebieden met ijs. De Lunar Prospector analyseerde nu de neutronen van de kosmische straling, die teruggekaatst wordt vanaf de maan. De sonde vond veel langzame neutronen, die mogelijk waren afgeremd door een botsing met waterstofatomen uit water in het oppervlak. Uit berekeningen bleek nu dat er in de bovenlaag van de maan tussen 1 en 10 miljard ton water moest zitten – en toch is de maan uitzonderlijk droog.

In 2003 was er een tegenslag in de jacht op water, toen de 300 meter grote Areciboradiotelescoop in Puerto Rico de metingen van de Clementine van ijs bij de polen niet kon bevestigen. Maar toen nam de geschiedenis een goede wending: de kleine Indiase maansonde Chandrayaan-1 vond vanuit zijn baan rond de maan water via spectroscoopmetingen, een paar maanden vóór de lancering van de satelliet LCROSS.

De Indiërs waren trots, en met reden: het was hun eerste maansonde, en die had al de beste meting van water ooit, vóór de LCROSS althans. En verrassend genoeg blijken de nu 40 jaar oude monsters van de Apollomissies bij een nadere, exactere analyse toch een piepklein beetje water te bevatten. In ruim drie miljard jaar oude vulkanische, glasachtige steentjes zit water tot 46 ppm (parts per million). Dat duidt erop dat het magma waaruit ze zijn ontstaan, meer water moet hebben bevat – misschien wel 750 ppm.

En dan waren er nog twee sondes die maanwater zochten: de Cassini op weg naar Saturnus en de Deep Impact op weg naar een komeet. Beide vonden water, al vlogen ze alleen maar langs de maan.

Water kan van een komeet komen

Voor de herkomst van het water zijn drie theorieën. Volgens de ene wordt een deel van het ijs gevormd via zonnewind, die vooral uit waterstof bestaat. Waterstof (H) reageert met zuurstofatomen (O) van het oppervlak en vormt water (H2O).

De tweede theorie stelt, op basis van nieuwe analyses van de Apollomonsters, dat het water er al is sinds het ontstaan van de maan. De onderzoekers achter die theorie stuiten echter op een probleem dat verband houdt met de algemeen geaccepteerde theorie over het ontstaan van de maan: als de maan gevormd is bij de botsing tussen de aarde en een ander hemellichaam, dan zou het materiaal dat later de maan werd, veel te heet zijn om waterdamp en andere snel verdampende vloeistoffen te kunnen vasthouden.

Naast watermoleculen zijn er lichte stoffen zoals zwavel, chloor, koolstof en fluor op de maan gevonden. De LCROSS mat ook koolwaterstoffen zoals ethanol en methaan. Deze stoffen zijn misschien via kometen op de maan beland.

De meest waarschijnlijke verklaring van het water is daarom theorie drie: het water is afkomstig van kometen die ijs bevatten. Bij die inslagen moet de maan korte tijd in een wolk van waterdamp hebben gelegen. Als die wolk in contact is gekomen met de ijskoude gesteenten rond de pool, dan is de damp omgezet in ijskristallen aan het oppervlak.

Op de atmosfeerloze maan zal het ijs verdampen, maar op de bodem van de kraters, waar nooit zonlicht komt en waar het -230°C kan worden, kan het ijs miljarden jaren in stand blijven.

Bekijk ook ...

ONTVANG DE NIEUWSBRIEF VAN WETENSCHAP IN BEELD

Je ontvangt je gratis special, Onze extreme hersenen, als download zodra je je hebt aangemeld voor onze nieuwsbrief.

Ook gelezen

Niet gevonden wat je zocht? Zoek hier: