Een gigantisch metalen insect snelt met 5 kilometer lange sprongen over de ijskloven van Triton. Onderweg schept hij stikstofijs op voor gebruik als brandstof in zijn raketmotor. We schrijven de jaren 2040 en de taak van de ‘springer’ is om sporen te vinden van het leven dat deze grootste maan van Neptunus volgens astronomen moet huisvesten.
Elke tien jaar beslist NASA aan welke ruimtemissies ze duizenden uren technische arbeid en een groot deel van het budget gaat besteden.
De volgende editie van NASA’s grote verlanglijst, de zogeheten Planetary Science Decadal Survey, geldt voor 2023-2032, en een van de droomreizen op de lijst is de missie Neptune Odyssey, met de karakteristieke robot Triton Hopper.
Neptune Odyssey is een vlaggenschipmissie: de meest ambitieuze soort ruimtereis, die doorgaans 2 tot 3 miljard dollar kost en innovatieve technische oplossingen vereist, zowel voor de raketmotoren als de rovers zelf.
De robot Triton Hopper zal met sprongen van 5 kilometer ver over de Neptunusmaan Triton bewegen.
Maar het is niet zeker dat de Neptune Odyssey ooit zal worden voltooid. De missie concurreert met twee andere, even gewaagde droomreizen.
De sonde Orbilander zal rond de Saturnusmaan Enceladus draaien en landen op de bodem, waar nog nooit een ruimtevaartuig is geweest. En de Persephone-missie gaat helemaal naar Pluto en zal als eerste ruimtevaartuig ooit in een baan om de dwergplaneet en zijn maan Charon gaan cirkelen.
De missies zijn niet alleen veeleisend, maar ook urgenter dan de meeste andere.
Vanwege de enorme afstanden tot de buitenste planeten van het zonnestelsel zijn de sondes afhankelijk van de zwaartekracht van Jupiter. Maar vanaf begin jaren 2030 heeft Jupiter geen handige positie meer voor de bestemming van de missies.
Als er de komende tien jaar geen missie naar het buitenste zonnestelsel gaat, zal het daarom nog tien jaar duren voordat een nieuwe poging zin heeft.
Manen kunnen een zee vol vis hebben
Alle drie de droomreizen moeten achter het definitieve bewijs van leven op andere planeten in het zonnestelsel aan.
Hoewel er alleen barre gasreuzen en ijsplaneten zijn in het verste deel van onze kosmische achtertuin, hebben sondes al lang geleden ontdekt dat sommige ijsmanen van de planeten leven kunnen huisvesten.
NASA heeft drie droomreizen
Landing op Enceladus
De Saturnusmaan is een van de meest populaire kandidaten voor het vinden van buitenaards leven. De sonde Orbilander zal er in een baan omheen draaien en op Enceladus landen.
- Missie: Orbilander
- Afstand: 1,27 miljard km
- Reistijd: ca. 11 jaar
- Kosten: 2,5 miljard dollar
- Laatste bezoek: Cassini, 2015
Springen op Triton
De grootste Neptunusmaan, Triton, verbergt mogelijk een ondergrondse zee die leven zou kunnen ondersteunen. De missie van Neptune Odyssey gaat een springende robot op Triton neerzetten.
- Missie: Neptune Odyssey
- Afstand: 4,4 miljard km
- Reistijd: ca. 16 jaar
- Kosten: 3,4 miljard dollar
- Laatste bezoek: Voyager 2, 1989
Baan om Pluto
De flyby van de sonde New Horizons vond sterke aanwijzingen voor een zee onder het ijs van Pluto. De Persephone-missie zal een sonde rond de dwergplaneet laten draaien.
- Missie: Persephone
- Afstand: 7,5 miljard km
- Reistijd: ca. 26 jaar
- Kosten: 3,0 miljard dollar
- Laatste bezoek: New Horizons, 2015
Saturnusmaan Enceladus en Neptunusmaan Triton verbergen waarschijnlijk gigantische oceanen onder het oppervlak, en dat geldt ook voor de dwergplaneet Pluto. Ze kunnen dus leven bevatten in de vorm van micro-organismen of zelfs vissen en grotere zeedieren.
Niemand weet hoe organismen daar eruitzien, maar omdat de omstandigheden wellicht vergelijkbaar zijn met zeeën op aarde is er hoop om leven te vinden.
Zwaartekracht werkt als katapult
Astronomen hebben echter nauwelijks gegevens om dit vermoeden van leven te onderbouwen, want door de grote reisafstanden hebben de gas- en ijsreuzen maar weinig bezoek gehad.
De afstand tussen de planeten neemt exponentieel toe naarmate je verder komt in het zonnestelsel – de buitenste planeten staan veel verder uit elkaar dan de binnenste. De verste planeet, Neptunus, staat 30 keer zo ver van de zon als de aarde.
Voor zulke lange reizen is niet alleen jarenlang geduld nodig – van de technische schetsen tot aan de aankomst op de bestemming –, maar de planeten moeten ook in de juiste positie ten opzichte van elkaar staan.
Om brandstof en dus gewicht te besparen, gebruiken astronomen de ‘zwaartekrachtsslinger’, waarbij de sonde een draai rond een planeet maakt en de zwaartekracht gebruikt om met meer vaart verder de ruimte in te worden geslingerd.
Dit principe werd in 1961 uitgedacht door de Amerikaanse wiskundige Michael Minovitch en voor het eerst getest in 1973, toen de sonde Pioneer 10 Jupiter passeerde en de zwaartekracht van de gasreus gebruikte om zijn snelheid te vergroten van 52.000 naar 132.000 km/h.
🎬 BEKIJK VIDEO: Zwaartekracht van planeten geeft sonde een zetje
Om te besparen op raketbrandstof gebruiken sondes de zwaartekracht van bijvoorbeeld Jupiter om een zetje te krijgen. Zie hoe het werkt.
Eind jaren 1970 maakten de Voyager-sondes ook gebruik van een speciale positie van de hemellichamen om langs de vier grote gasplaneten in het buitenste zonnestelsel te komen. De Voyager 1 en 2 zijn nog steeds actief en zijn nu zo ver van de aarde verwijderd dat ze buiten de heliosfeer zijn: de grens waar de straling van de zon geen invloed meer heeft.
De twee sondes hebben baanbrekende beelden en metingen van de vier buitenste planeten geleverd, maar lieten ook veel vragen over de gas- en ijsreuzen onbeantwoord.
Astronomen zijn druk bezig om de missies rond te krijgen, want vanaf begin jaren 2030 is Jupiter niet meer in de positie om sondes naar Saturnus, Neptunus of Pluto te slingeren.
Dit maakt missies naar het buitenste zonnestelsel niet onmogelijk, maar zonder de extra zet van Jupiter moeten de raketten een veel grotere stuwkracht leveren. Daarom willen astronomen graag zo gauw mogelijk vertrekken.
Neptunus heeft zijn maan gestolen
De meest verwaarloosde planeten van het zonnestelsel zijn de ijsreuzen Uranus en Neptunus, die sinds de Voyager 2 er in 1986 en 1989 langs vloog niet meer door een ruimtevaartuig zijn bezocht.
Maar astronomen hebben reden te over om dat deel van het zonnestelsel nader te bestuderen. Vooral de Neptunusmaan Triton is om verschillende redenen de aandacht waard.
Springende robot moet mysterieuze Neptunusmaan verkennen
1. Robotarm schept brandstof op van de bodem
De Triton Hopper heeft een robotarm die met een schepje brokken stikstofijs van de bodem van Triton kan oppikken. Stikstof is een veelgebruikte brandstof voor kleine straalpijpen van ruimtevaartuigen.
2. Brandstoftank slaat gesmolten stikstofijs op
Het koude stikstofijs wordt eerst verwarmd door een radioactieve energiebron, een radioisotope thermoelectric generator, die warmte en stroom kan leveren. Eenmaal gesmolten wordt de stikstof opgeslagen in een brandstoftank.
3. Raketstraalpijpen zetten af en remmen
De stikstof drijft de kleine raketmotoren aan die de Triton Hopper de lucht in krijgen en vertragen voordat hij landt. Door de geringe zwaartekracht op Triton kan de Hopper 1 kilometer omhoog komen om geisers te fotograferen en door te meten.
4. Flexibele poten maken de landing zacht
Het landingsgestel bestaat uit drie sets poten, die de schokken van de landing na elke sprong opvangen. De Hopper kan Triton van de evenaar tot de geisers op de zuidpool twee tot drie keer zo snel verkennen als een traditionele rover.
Om te beginnen zijn wetenschappers ervan overtuigd dat de maan oorspronkelijk behoorde tot de Kuipergordel, de ring van ijslichamen rond het zonnestelsel en ook de thuisbasis van Pluto. Maar op een gegeven moment wist Neptunus met zijn zwaartekracht Triton uit de Kuipergordel te ‘stelen’ en in een aparte baan rond zichzelf te brengen, die verschilt van die van andere manen in het zonnestelsel.
Waar andere manen meestal langs de evenaar om hun planeet draaien, is de baan van Triton 23 graden verschoven ten opzichte van de evenaar van Neptunus. Triton is dus niet altijd van Neptunus geweest en moet nog op zijn plaats vallen.
23 graden schuin ten opzichte van de evenaar van Neptunus cirkelt de vreemde maan Triton.
Verder is Triton groter dan de dwergplaneet Pluto, en als je Neptunus weg zou halen, zou de maan groot genoeg zijn om voor planeet te worden aangezien.
Geisers zenden donker materiaal uit
Alsof dit nog niet vreemd genoeg is wordt Tritons bodem van stikstofijs op de zuidpool doorboord door donkere geisers die er donker materiaal over uitspuwen.
Astronomen ontdekten de karakteristieke donkere vlekken al op de foto’s die de Voyager 2 meer dan drie decennia geleden opstuurde, en het is nog steeds een raadsel wat de geisers bevatten en waardoor ze worden aangedreven.
Tritons bodem van stikstofijs wordt op de zuidpool doorboord door donkere geisers, blijkt uit foto’s van de sonde Voyager 2. Maar wat de inhoud is en wat ze aandrijft, is een raadsel.
Maar de geisers staven het vermoeden dat Triton een oceaan van water onder het oppervlak verbergt. De dikke ondergrondse mantel van waterijs kan namelijk zijn gesmolten door de enorme gravitatiewerking waaraan Neptunus Triton blootstelt.
Het is een getijdeneffect dat ook op aarde optreedt doordat de aarde en de maan elkaar beïnvloeden met hun massa. En waar water is, kan leven zijn, want in ieder geval op aarde gedijt het leven praktisch overal waar je water vindt – zelfs op de meest vijandige plekken.
De Neptune Odyssey-missie zal volgens plan de robot Triton Hopper op de bodem neerzetten. De eigenzinnige lander zal profiteren van het feit dat de zwaartekracht op de Triton slechts 8 procent bedraagt van de zwaartekracht hier op aarde. Hij kan namelijk in sprongen van 5 kilometer ver en 1 kilometer hoog over de bodem bewegen en zo grote gebieden scannen op tekenen van leven.
De Triton Hopper maakt deel uit van NIAC, NASA’s Innovative Advanced Concepts: de meest gedurfde toekomstconcepten van het ruimteagentschap, maar het is de vraag of hij daadwerkelijk deel zal uitmaken van een missie naar Triton. De Triton Hopper kan wel een goed alternatief zijn voor bijvoorbeeld een robotwagen als de Curiosity op Mars, want de ijskloven en sneeuw op Triton maken het een voertuig met wielen heel lastig.
Warm water borrelt op ijsmaan op
De getijdenwerking en een mogelijke oceaan onder het ijzige oppervlak zijn ook de redenen om Enceladus te bezoeken, de op vijf na grootste maan van Saturnus.
Met een diameter van 505 kilometer is hij veel kleiner dan Triton met zijn 2707 kilometer, maar de ruimtesonde Cassini heeft ontdekt dat Enceladus hoogstwaarschijnlijk een zoutwateroceaan onder zijn ijskappen verbergt.
Daarom is de Saturnusmaan de bestemming van het missieconcept Enceladus Orbilander, dat, zoals de naam al aangeeft, in een baan – orbit – om de maan moet draaien én op de bodem zal landen, wat nog niet eerder is gebeurd.
Orbilander draait om Saturnusmaan en landt er
1. Orbilander draait om Enceladus
De Orbilander begint zijn onderzoek naar Enceladus met een anderhalf jaar lange baan rond de maan. Hij nadert de bodem tot op 20-70 kilometer boven de zuidpool, waar de geisers zich bevinden. Onderweg zoekt de sonde met camera’s, laserhoogtemeters en radar naar een veilige plek om te landen.
2. Sonde vangt geiserdeeltjes op
Een trechter met een opening van een vierkante meter vangt deeltjes op uit de geisers. De monsters worden geanalyseerd in het laboratorium van de sonde, dat een microscoop en spectrometers bevat. De instrumenten meten onder meer het gehalte aan aminozuren, vetten en voedingsstoffen, de pH-waarde en het zoutgehalte.
3. Sonde verzamelt grote deeltjes op de bodem
Het ruimtevaartuig landt op Enceladus en kan nu zowel de trechter als een robotarm met een schep gebruiken om monsters rond de geisers te nemen. Op de bodem zijn de deeltjes groter, want die slaan neer onder invloed van de zwaartekracht. Met de schep kan de Orbilander daarom meer materiaal verzamelen.
De sonde Cassini ontdekte dat er honderden kilometers hoge geisers spuiten uit kloven in het ijs op de zuidpool van de maan. Ze bevatten silicaatnanodeeltjes, die meestal alleen ontstaan bij contact tussen vloeibaar water en gesteente van boven de 90 ºC.
Daarom denken astronomen dat het water onder de ijzige maanbodem zich schuilhoudt in hydrothermale bronnen: scheuren in de zeebodem waaruit verwarmd en mineraalrijk water stroomt dat bijvoorbeeld calcium en magnesium bevat.
‘Als we geen tekenen van leven vinden en weten waardoor die ontbreken, kunnen we de bewoonbaarheid van andere zeeplaneten gaan afperken.’ Shannon M. MacKenzie, hoofdonderzoeker van de Orbilander-missie
Op aarde zijn de warmwaterbronnen, ondanks hun extreem zonarme ligging op de donkere zeebodem, altijd omgeven door een rijke fauna, zoals bacteriën, krabben en inktvissen. Dat kan ook het geval zijn op een maan als Enceladus, al ligt de oceaan er ver van het zonlicht onder kilometersdikke ijskappen.
De sonde Enceladus Orbilander neemt allerlei instrumenten mee die onder meer kunnen bepalen of de monsters van de geisers en het ijskoude oppervlak sporen van biologisch leven bevatten in de vorm van aminozuren en lipiden. Daarnaast moeten de instrumenten vaststellen of de zee bewoonbaar is door onder meer de pH-waarde en het zoutgehalte te meten.
De sonde Orbilander gaat eerst om Saturnusmaan Enceladus draaien en er daarna op landen.
Of de Enceladus Orbilander nu sporen van leven vindt of niet, hij zal astronomen cruciale kennis verschaffen over zowel ons eigen zonnestelsel als andere sterrenstelsels.
En de afwezigheid van leven zal bijna net zo’n belangrijke ontdekking zijn als leven, vindt Shannon M. MacKenzie, hoofdonderzoeker van de Orbilander-missie naar Enceladus.
‘De kans op uitwisseling van leven tussen de aarde en het buitenste zonnestelsel is klein, dus de vondst van tekenen van leven op Enceladus zal duiden op een andere oorsprong (dan het leven op aarde, red.). En omgekeerd, als we geen tekenen van leven vinden en weten waarom die ontbreken, kunnen we de bewoonbaarheid van andere zeeplaneten in ons zonnestelsel en in andere stelsels gaan afperken,’ legt Shannon M. MacKenzie uit aan Wetenschap in Beeld.
Jupiter zet missies onder druk
De zoektocht naar water onder het dikke ijs gaat door tot aan de verste bestemming van de droomreizen, de dwergplaneet Pluto. Hoewel Pluto in 2006 na 76 jaar zijn officiële titel van planeet moest inleveren, heeft de New Horizons-missie de dwerg opnieuw onder de aandacht gebracht.
Na een reis van bijna tien jaar en 4,5 miljard kilometer ontdekte de sonde New Horizons in juli 2015 tijdens zijn flyby dat Pluto, ondanks zijn ligging in de verre en levenloze Kuipergordel, een zeer actieve planeet was en misschien nog is.
De dwergplaneet heeft onder meer gletsjers en cryovulkanen, die geen verzengend magma uitspuwen, zoals op aarde, maar een koude, ammoniakrijke en korrelige ijsmassa.
Het missieconcept Persephone zal in 2031 worden gelanceerd en na een reis van 26 jaar Pluto bereiken. Vanuit zijn baan om Pluto zal de sonde zowel de dwergplaneet zelf als zijn grote maan, Charon, van 2058 tot 2061 bestuderen – verreweg de grondigste blik op de verre planeet ooit.
Drie technieken brengen Persephone naar Pluto
1. Jupiter slingert sonde naar Pluto
Door een keer rond Jupiter te draaien krijgt de sonde een zet van de zwaartekracht van de gasreus. De zogeheten zwaartekrachtsslinger stuurt de sonde met een hogere snelheid verder, wat brandstof bespaart. Maar Jupiter moet wel in de juiste positie ten opzichte van Pluto zijn, wil het vaartuig de plek van bestemming bereiken.
2. Ionenmotor slaat elektronen uit xenon
De ionenmotoren van de sonde zijn gevuld met het stabiele gas xenon (groen). Stroom die door het gas wordt gestuurd rukt elektronen (rood) los van de atomen, waardoor ze positief geladen ionen worden (blauw). Ze worden aangetrokken door een elektrisch veld en naar achteren weggeschoten. De acceleratie is beperkt, maar een ionenmotor kan met weinig brandstof honderdduizenden kilometers per uur bereiken.
3. Nucleaire batterijen leveren tientallen jaren stroom
Zowel de ionenmotoren als computers en instrumenten hebben stroom nodig. Omdat de sonde zo lang en zo ver van de zon verwijderd is, wil NASA nucleaire batterijen (RTG) gebruiken in plaats van zonnecellen. De batterij zet energie van radioactief verval om in stroom. Een deel van de energie stroomt als warmte door de koelribben van de batterij en houdt de apparatuur van de sonde warm in de ijskoude ruimte.
Maar de sonde moet uiterlijk in 2032 vertrekken. Daarna trekt Jupiter naar een ongunstige positie in zijn baan, waar de sonde niet langer de zwaartekracht van de gasreus kan gebruiken om verder te komen op zijn reis, vertelt dr. Carly Howett van het Southwest Research Institute, de hoofdonderzoeker van de Persephone-missie.
‘Als we de zwaartekrachtsslinger van Jupiter missen (begin jaren 2030, red.), zal dat een groot verschil maken. In dat geval is het beter om met de lancering te wachten tot Jupiter zo’n 10 jaar later weer in positie is,’ zegt Carly Howett tegen Wetenschap in Beeld.
De sonde Persephone gaat drie jaar rond Pluto cirkelen om bewijzen te zoeken dat de dwergplaneet een zee onder het ijs bevat.
Leven op Pluto verandert de spelregels
Als blijkt dat Pluto onder de bodem vloeibare zeeën heeft, zal dat volgens Carly Howett een grote impact hebben op ons hele idee van het potentieel voor leven in het heelal.
Dit komt doordat Pluto niet, zoals bijvoorbeeld Enceladus, rond een gasreus draait die met zijn zwaartekracht het binnenste van de maan verwarmt en het water onder de ijskappen doet smelten. Het zal daarom zeer verrassend zijn als Pluto een zee van hetzelfde type verbergt, omdat de dwergplaneet de energiebron mist die het water op sommige manen van de gasreuzen laat stromen.
‘Als we de zwaartekrachtsslinger van Jupiter missen, is het beter om met de lancering te wachten tot Jupiter zo’n 10 jaar later weer in positie is.’ Carly Howett, hoofdonderzoeker van de Persephone-missie
Bovendien is Pluto kleiner dan onze eigen maan, waardoor astronomen vermoeden dat het een levenloos rotsblok is.
‘De grootste ontdekking zal zijn als er een oceaan onder de oppervlakte is. Als dat zo is, kan Pluto in theorie leven ondersteunen. En als Pluto dat kan, zijn er heel veel andere werelden in het heelal die dat ook zullen kunnen,’ aldus Carly Howett.
Howett en haar collega’s van de concurrerende ruimtemissies zullen echter nog een paar jaar moeten wachten om erachter te komen of hun missie wordt beloond met een injectie van een slordige 3 miljard dollar.
Begin 2022 heeft een panel van onder meer astronomen en ruimtetechnici naar verwachting de technische uitdagingen van de missies en het potentieel van hun wetenschappelijke ontdekkingen wel in kaart gebracht.
De conclusies worden verzameld in een rapport dat de zogeheten Planetary Science Decadal Survey voor de periode 2023-2032 vormt. Vervolgens is het aan NASA en de Amerikaanse politici om te beslissen welke van de droomreizen het geld van de belastingbetaler verdienen en werkelijkheid moeten worden.