Nu is de maan van ons
Het stof wervelt op zodra een landingsmodule zijn poten op de maan zet.
Een team van astronauten komt eruit en springt naar een maanbasis in de buurt. De kamertemperatuur en de normale atmosferische druk maken de basis aangenaam voor de astonauten die er al zijn en hier langere tijd verblijven.
Ze bereiden een missie voor naar een nog onverkende krater bij de zuidpool van de maan. Een zelfrijdende maanrover heeft achterhaald dat er veel ijs in de krater zit, dat een bron van drinkwater kan zijn.
Verder is het bevroren H2O te splijten in waterstof en zuurstof, wat het de astronauten mogelijk maakt om te ademen of zelf raketbrandstof te maken om daar verder mee de ruimte in te reizen.
De astronauten trekken hun ruimtepak aan, dat bestand is tegen schadelijke straling van de zon – en tegen het zandstralende maanstof, dat overal in binnendringt.
12 mensen hebben tot dusver voet op de bodem van de maan gezet.
Zo kan een doordeweekse dag er op de maan gaan uitzien. Samen met een aantal particuliere bedrijven is de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA hard bezig met het bouwen van de vaartuigen die een permanente maankolonie mogelijk maken.
Het project, Artemis geheten, lanceert al in 2021 de eerste vaartuigen vol apparatuur van 12 commerciële projecten om met lange boren en zelfsturende stofzuigers na te gaan hoe de omstandigheden er precies zijn.
In de atmosfeer
Minicomputers tackelen schadelijke straling
Maan wordt bestookt vanuit de ruimte
De maan wordt elke seconde getroffen door enorm veel elektrisch geladen deeltjes die van de zon en andere sterren komen. Het gaat bijvoorbeeld om protonen en elektronen die genoeg energie hebben om ioniserend te zijn, waardoor de straling elektronen kan losrukken van hun atoom.
Computers en elektronica lopen schade op
Zonnedeeltjes kunnen de atomen ioniseren in de elektronica van een satelliet of ruimteschip. Zo kunnen ze elektronen in een siliciumatoom in een computerchip losrukken, waardoor er onbedoeld stroom gaat lopen in een van de transistoren van de chip, wat tot rekenfouten kan leiden.
Parallelle computer is bestand tegen straling – werkende computerchip
De nieuwe oplossing, RadPC, bevat een aantal dezelfde computerchips die parallel rekenen....
Parallelle computer is bestand tegen straling – beschadigde computerchip
... Als één chip een ander resultaat heeft dan de andere, kunnen de onderzoekers daaruit afleiden dat hij ernaast zit. RadPC kan vervolgens concluderen dat het juiste resultaat de uitkomst van de vele computerchips is.
NASA wil de maan heroveren
Het Apolloprogramma zette in een paar jaar tijd, van 1969 tot 1972, 12 astronauten op de maan, maar sindsdien is er een lange tijd niemand zo ver in de ruimte geweest, alleen op 400 à 550 kilometer hoogte van de aarde. Daar wil NASA nu verandering in brengen.
De ruimtevaartorganisatie heeft om een aantal redenen weer belangstelling voor ons buurhemellichaam. Naarmate de ambities voor toekomstige ruimtemissies toenemen en NASA verder de ruimte in wil, wordt het bijvoorbeeld relevanter om de maan als een soort tussenstation te kunnen gebruiken.
Ook kan de maan waardevolle grondstoffen bevatten die we kunnen benutten, en de winning daarvan kan een casestudy zijn voor de manier waarop we in het algemeen de grondstoffen in de ruimte in ons voordeel kunnen aanwenden.
Dus wanneer bodem, mantel, atmosfeer en magnetisch veld van de satelliet onderzocht worden om te leren hoe deze zich ontwikkeld heeft, kunnen we die kennis gebruiken om de vorming van andere hemellichamen – zowel binnen als buiten ons zonnestelsel – te onderzoeken.
En het belangrijkste is dat een oude droom nu kan uitkomen: de mens wil niet alleen lopen maar ook wonen op de maan.
Onderzoek naar ijs en straling
Met Artemis wil NASA vanaf 2028 een permanente basis bouwen, en al in 2024 gaan er weer astronauten naar de maan. Ook is het de bedoeling dat er – voor het eerst – een vrouwelijke astronaut haar laarzen in het maanstof gaat planten.
Voordat de Amerikanen zo ver zijn, moeten de omstandigheden echter grondig worden nagegaan, want ondanks de diverse eerdere missies zijn de Apollo-astronauten in totaal niet meer dan 80 uur op de maan geweest.
Wat astronomen weten van de maan is dan ook beperkt. Vanaf 2021 heeft NASA daarom missies naar de maan gepland met alleen maar robots en meetinstrumenten aan boord. Samen zullen de vele apparaten antwoorden zoeken op allerlei vragen en zo de basis vormen voor de volgende fasen van Artemis.
Zo zal onderzocht worden welke invloed de straling van de zon heeft op elektronica en mensen op het onbeschutte oppervlak van de maan en hoe kan worden voorkomen dat computers foute berekeningen maken wanneer ze eenmaal door die straling zijn getroffen.
En van welk materiaal moet een basis worden gebouwd om veilig te zijn voor astronauten? Worden de bodem en de zeer ijle atmosfeer niet te zeer vervuild door de raketmotoren van de landingsmodules?
Waar is ijs te vinden, en is dat daadwerkelijk geschikt om raketbrandstof van te maken? Ook wil NASA weten hoe de landing veiliger kan op de bodem vol kraters en rotsen.
12 commerciële projecten gaan vor NASA goederen naar de maan brengen.
Particuliere sector helpt mee
Het eerste deel van het Artemis-programma heeft van NASA de naam CLPS (Commercial Lunar Payload Services) gekregen, en in juli 2019 wees NASA in totaal 12 projecten aan waarvoor particuliere bedrijven technologie zullen aanleveren. Deze projecten omvatten onder andere de MoonRanger, een nieuwe, zelfsturende maanwagen die het oppervlak van de maan in kaart brengt op een afstand van 1 kilometer rond de landingsmodule. Dit moet de onderzoekers helpen om ijs te vinden, en ook moet hieruit blijken waar het voor een ruimevaartuig het veiligst is om te landen.
Intussen werkt de ‘maanstofzuiger’ PlanetVac in de poten van de lander, waar hij met perslucht stof doet opwervelen en dit opvangt voor later wetenschappelijk onderzoek.
De resultaten zullen ingenieurs vertellen welke materialen er bestand zijn tegen de barre omgeving op onze satelliet.
Om de wetenschappelijke uitrusting op de maan te krijgen heeft NASA ook nieuwe landingsmodules nodig, en daar gaan de twee leveranciers Astrobotic en Intuitive Machines voor zorgen.
De landingsmodule Peregrine van Astrobotic landt bijvoorbeeld in juli 2021 op de maan. Deze 1,9 meter hoge en 2,5 meter brede lander is voorzien van vijf raketmotoren, landingscamera’s en een zogeheten doppler-lidar, die met weerkaatst laserlicht de lander veilig naar de bodem loodst.
De Peregrine kan 90 kilo aan lading meenemen en zal in eerste instantie NASA’s eigen meetapparatuur overbrengen naar de maan, die daar dus zal aankomen voordat de 12 commerciële projecten arriveren.
Op het oppervlak
Stofzuiger verzamelt maanstofmonsters
Met persluchtstraalpijpen en robotarmen wil NASA zijn rovers monsters van de maanbodem laten verzamelen. Met kennis daarvan zijn betere ruimteschepen te bouwen.
Stofzuiger PlanetVac neemt bodemmonsters
Met een flinke stoot perslucht zal de ‘maanstofzuiger’ PlanetVac monsters van de maanbodem verzamelen. Het stof dat hij doet opwervelen, vangt hij op en kan ter plekke of terug op aarde geanalyseerd worden. De PlanetVac kan in de plaats komen van een of meer poten van een landingsmodule.
Test van coatings kan schade voorkomen
Dankzij het instrument RAC (Regolith Adherence Characterization) valt te achterhalen hoe het stof aan verschillende soorten coatings kleeft. De astronauten van de Apollomissies ontdekten dat het stof als schuurpapier kan werken. Met de RAC kunnen de onderzoekers vaartuigen ontwerpen die daartegen bestand zijn.
Robotarm schept maanstof op
De robotarm SAMPLR (Sample Acquisition, Morphology Filtering, and Probing of Lunar Regolith) onder aan een landingsmodule moet regoliet van de maanbodem meenemen voor analyse. De robotarm wordt gebaseerd op technologie die eerder is toegepast in de Marsrovers Spirit en Opportunity.
Computer beschermt tegen zon
Al voordat de CLPS-apparatuur op de maan landt, zal die te maken krijgen met de eerste grote uitdaging: de zonnewind. Hierover moet het project RadPC zich buigen.
De zonnewind – geladen deeltjes die de zon uitzendt – is een praktisch probleem op de meer onbeschutte hemellichamen als de maan en Mars, die niet, zoals de aarde, door een krachtig magnetisch veld en een dikke atmosfeer worden beschermd.
Door deze ioniserende straling van de deeltjes kunnen computers en andere elektronica aan boord van de landers rekenfouten maken of zelfs kapotgaan.
Daarom moet RadPC aantonen dat er computers gebouwd kunnen worden die bestand zijn tegen de ruimtestraling – niet door dure beschermingsmiddelen, maar door parallel te werken.
Pas als de lander veilig is aangekomen kunnen de andere onderdelen van CLPS aan hun werk beginnen. Zo kan de MoonRanger zoals gezegd op zoek gaan naar ijs – een belangrijke taak als mensen ooit nog verder de ruimte in willen reizen.
Onder het stof
Robots graven in maanverleden
1. Magnetometer onderzoekt de structuur van de maan
Met veren schiet het instrument Lunar Magnetotelluric Sounder drie elektroden 14 meter weg, zodanig dat ze haaks op elkaar op de maanbodem vallen. Hier moeten ze de verhouding tussen het elektrische en het magnetische veld op de maan meten, wat nader kan aangeven hoe de maan is opgebouwd op een diepte van 200 tot 1000 meter.
2. Elektromagnetisch apparaat zoekt uit waarom het maanstof kleeft
Maanstof is elektrisch geladen doordat zonnedeeltjes elektronen losrukken van stofdeeltjes. Door de statische elektriciteit kleeft het stof ook aan machines en apparatuur. De onderzoekers willen met het experiment LuSEE variaties in het magnetisch veld van de maan en de zonnewind meten om te achterhalen hoe het maanstof zich gedraagt.
3. Robotnaald boort in een heet geheim
De astronauten van de missies Apollo 15 en 17 hebben op 1,6 tot 2,3 meter diepte in de bodem van de maan temperatuurmeters geïnstalleerd. Maar om te kunnen meten hoeveel warmte er uit de kern van de maan komt, moet de LISTER (Lunar Instrumentation for Subsurface Thermal Exploration with Rapidity) zeker 3 meter diep boren. Hier stoort de warmte van de zon de metingen niet meer, waardoor de LISTER nauwkeuriger kan schetsen hoeveel warmte er vanuit het binnenste van de maan naar de bodem komt. Dat levert de astronomen een beter begrip op van de manier waarop de maan zich in de loop der tijd heeft ontwikkeld. De temperatuurmeter van de LISTER bevindt zich in een glasvezelcomposietbuis, die dieper komt naarmate heliumgas onder druk maanstof wegblaast en de meter zich verder ingraaft.
Zonlicht
Lander
Warmte van zonlicht
Naald
Maan moet tankstation worden
In 2009 ontdekte NASA dat er op de maan honderden miljoenen tonnen ijs zijn langs de kraters op de noord- en zuidpool. Door dit ijs te laten smelten en het te splijten in de bestanddelen waterstof en zuurstof kan het voorzien in raketbrandstof.
Juist die techniek kan beslissend zijn voor de toekomstige verkenning van het heelal, want er is veel raketbrandstof nodig om goederen uit de greep van de aardse zwaartekracht te krijgen.
Als onderzoekers brandstof op de maan kunnen maken en ruimteschepen daar kunnen tanken voordat ze verder het zonnestelsel in gaan, heeft dat enorme voordelen. Het ijs kan gewonnen worden via sublimatie: de omzetting van materiaal van een vaste vorm in gas, zonder de tussenliggende vloeibare fase.
Door spiegels langs de kraterranden te plaatsen kan zonlicht worden gericht op een lens die het over de maanbodem verstrooit en het ijs opwarmt.
Die lens komt bovenop een tent van een reflecterend, ondoordringbaar materiaal, en in de tent wordt het ijs omgezet in stoom, die condenseert en dan wordt opgevangen.
Het water wordt naar een elektrolyse-installatie vervoerd, waar het met elektroden in waterstof en zuurstof wordt gespleten. Op die manier wordt water omgezet in raketbrandstof.
Eerste halte op weg naar Mars
De zoektocht naar ijs illustreert dat CLPS en Artemis deel uitmaken van een groter plan: alle wetenschap, techniek en innovatie die nodig zijn om de maan bewoonbaar te
maken, vormen ook een springplank voor missies verder het heelal in. Na de maan is Mars de eerstvolgende bestemming.
NASA is momenteel hard bezig om zijn volgende generatie maan- en Marsraketten – SLS (Space Launch System) – te voltooien. Volgens NASA wordt de SLS de krachtigste draagraket ooit met een stuwkracht van 15 à 20 procent zo groot als die van de Saturnus V-raketten van het Apolloprogramma – of 34 keer zo krachtig als een jumbojet.
En als de SLS eenmaal het volgende astronautenteam op de maan heeft gezet, kan NASA de aandacht volop richten op Mars. Het is de bedoeling om de eerste astronaut in de loop van de jaren 2030 op de rode planeet te laten landen.
Met CLPS zet NASA de beslissende stappen om die droom te realiseren, want als de robots hun werk goed doen, zal het niet lang meer duren voordat we de kennis en kunde hebben die nodig zijn om zowel de maan als Mars te koloniseren.