Hayabusa – ionenmotor

Ruimtesonde levert stukjes planetoïde af

Na een tocht van ruim 5 miljard kilometer heeft de ruimtesonde Hayabusa-2 zijn kostbare lading afgeleverd: een capsule met stof zo oud als het zonnestelsel. Uit dat stof moet blijken hoe de bouwstenen van het leven op aarde kwamen.

Na een tocht van ruim 5 miljard kilometer heeft de ruimtesonde Hayabusa-2 zijn kostbare lading afgeleverd: een capsule met stof zo oud als het zonnestelsel. Uit dat stof moet blijken hoe de bouwstenen van het leven op aarde kwamen.

DLR German Aerospace Center

Hayabusa is het Japanse woord voor valk, en toen de ultieme slechtvalk op 6 december 2020 zijn prooi naar huis bracht, ging er gejuich op in de hele wereld.

Na een reis van ruim 5 miljard kilometer naar de planetoïde Ryugu en terug voerde de Hayabusa-2 een capsule met oeroud stof mee omlaag door de atmosfeer.

Het stof dateert uit de tijd dat het zonnestelsel werd gevormd en is door projectielen van het oppervlak van Ryugu losgeblazen.

Nu kunnen wetenschappers voor het eerst fragmenten van het oorspronkelijke zonnestelsel bestuderen en onder meer de samenstelling bepalen van de planetoïden die volgens het nieuwste onderzoek water en de bouwstenen van het leven naar de piepjonge aarde brachten.

Meteorieten zijn kapot

Tot nu toe deden astronomen vooral nieuwe kennis over planetoïden op door de fragmentjes te bestuderen die regelmatig als meteorieten op aarde vallen.

Maar die meteorieten bevatten zelden origineel, intact materiaal van het ontstaan van het zonnestelsel. Op hun weg door de atmosfeer warmen ze flink op, en wanneer ze neerkomen, worden ze vaak eeuwenlang blootgesteld aan weer en wind voor ze gevonden worden. Hierbij gaan de oorspronkelijke structuren verloren.

Planetoïden die in het gebied tussen de aarde en Jupiter draaien, zijn echter grotendeels onveranderd sinds ze in de eerste 100 miljoen jaar van het zonnestelsel uit stofkorrels ontstonden.

Om de oorspronkelijke bouwstenen te pakken te krijgen, moeten we dus naar die planetoïden en er monsters van nemen. Dat waren de Japanners van plan toen ze in 2003 de eerste Hayabusa-sonde naar de rotsachtige planetoïde Itokawa stuurden.

In 2010 haalde de eerste Hayabusa-sonde een piepklein monster op van de steenplanetoïde Itokawa, die lijkt op het gesmolten gesteente in de aardkern. Nu heeft de Hayabusa-2 monsters genomen van de koolfstofhoudende planetoïde Ryugu, die uit het prille zonnestelsel dateert.

Vorstgrens-01-Bouwstenen-van-het-leven-geland
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Vorstgrens verdeelde zonnestelsel

In het jonge zonnestelsel ontstonden er twee typen ‘babyplaneetjes’ of planetesimalen. Hun samenstelling hing af van een vorstgrens, die bijvoorbeeld bepaalde of water verdampte of behouden bleef als ijs.

Vorstgrens-02-Bouwstenen-van-het-leven-zijn-geland
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Hitte wiste vroege geschiedenis uit

Dicht bij de zon werden de planetesimalen vanbuiten verwarmd door zonlicht en vanbinnen door radioactief verval. Ze smolten en vormden een metalen kern met een stenen mantel. De kernen vormden later metaalplanetoïden en de mantels rotsplanetoïden als Itokawa.

Vorstgrens-03-Bouwstenen-van-het-leven-zijn-geland
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kou conserveerde bouwstenen

Verder weg van de zon stonden de planetesimalen de warmte af aan de ruimte, waardoor ze niet smolten. Planetoïden als Ryugu zijn resten van zulke planetesimalen en bevatten onveranderde bouwstenen van het prille zonnestelsel.

Rotsige planetoïden ontstonden in het prille zonnestelsel, toen de voorlopers van de huidige planeten, planetesimalen, samensmolten tot een metalen kern met een mantel van vloeibaar gesteente. Sommige kernen groeiden uit tot planeten, andere werden verbrijzeld bij botsingen. De brokstukken vormden steenplanetoïden.

Toen de Hayabusa in 2010 terugkeerde met 1500 microscopisch kleine planetoïdendeeltjes, bevestigden analyses dat steenplanetoïden uit dezelfde mineralen bestaan als de aardmantel. Maar de onderzoekers beseften dat planetoïden als Itokawa kurkdroog zijn en waarschijnlijk geen water naar ons hebben gebracht.

Verre planetoïden brachten leven

Om de bron van de oceanen op aarde te vinden, richtte het Japanse ruimteagentschap JAXA zijn aandacht op koolstofhoudende planetoïden (C-type), die vermoedelijk water en organisch materiaal meevoerden.

C-type-planetoïden zijn interessant omdat ze uit planetesimalen voortkomen die in koude uithoeken van het zonnestelsel zijn gevormd. Omdat de planetesimalen daar niet smolten, is materie uit de tijd van het ontstaan van het zonnestelsel erin bewaard gebleven.

Daarom kozen de Japanners voor hun volgende missie de diamantvormige C-type-planetoïde Ryugu uit. In 2014 steeg de sonde Hayabusa-2 op, en vier jaar later ging hij in een baan om het hemellichaam.

Hayabusa – ionenmotor

Op 5 januari 2021 ontstak de Hayabusa-2 zijn ionenmotoren en begon hij aan een ruimtereis van 10 jaar. De eerste halte is de steenplanetoïde 2001 CC21, waar de sonde in 2026 arriveert.

© DLR German Aerospace Center

Ryugu bleek al snel een poreuze berg puin te zijn, bij elkaar gehouden door de zwaartekracht.

Metingen toonden daarnaast aan dat Ryugu rijk is aan organische koolstofverbindingen. Nu is er geen water meer aan het oppervlak, maar de instrumenten van Hayabusa-2 ontdekten mineralen die hydroxide bevatten, dat uit een zuurstofatoom en een waterstofatoom bestaat.

Hydroxidehoudende mineralen slaan neer in water, en hun aanwezigheid suggereert dat Ryugu, of de planetesimaal waarvan hij oorspronkelijk een deel was, water of ijs bevatte.

Na een analyse op afstand vuurde de Hayabusa-2 een koperen projectiel van 2 kilo af op de planetoïde om het oorspronkelijke, onveranderde stof bloot te leggen.

Twee sondes onderzochten twee verschillende C-type-planetoïden op twee verschillende manieren. De Hayabusa-2 beschoot Ryugu om oud stof te verzamelen, terwijl de OSIRIS-REx met behulp van een gasstraal een groot monster van Bennu nam.

Hayabusa-2
© JAXA

1. Projectiel legt stof bloot

De Hayabusa-2 beschiet Ryugu met een 2 kilo zwaar koperen projectiel om stof uit de kern bloot te leggen. Dan vuurt de sonde een kleiner projectiel af, dat 5,4 gram stof opwervelt. Het belandt in een vat in de arm van de sonde.

OSIRIS-REx – Bennu
© University of Arizona/Goddard/NASA

2. Gasstraal doet monstervat overstromen

De OSIRIS-REx landt op Bennu. Zijn arm laat een gasstraal los, waardoor stof opwervelt en in een vat terechtkomt. Maar het is zo veel dat de deksel niet dicht kan, want er zitten een paar steentjes klem.

Een paar weken later daalde de sonde af en zweefde hij als een helikopter boven de krater, terwijl hij een ‘arm’ uitstak. Die arm vuurde een klein projectiel af, waardoor er stof in een vat dwarrelde.

Toen het vat verzegeld en opgeborgen was aan boord van Hayabusa-2, kon de terugreis beginnen.

Anderhalf jaar na zijn ontmoeting met de planetoïde daalde de capsule onder luid gejuich af in de Australische outback. En de vreugde werd alleen maar groter toen wetenschappers ontdekten dat het vat gas van Ryugu en 5,4 gram oorspronkelijk planetoïdenstof bevatte – vijf keer meer dan verwacht.

Wetenschappers kunnen nu een volledig intact monster bestuderen van de wolk van stof en gas rond de zon waaruit de vier binnenste rotsplaneten zijn ontstaan.

En het monster van Ryugu zal niet op zichzelf staan.

Water stroomde door Bennu

In 2017 lanceerde NASA de sonde OSIRIS-REx, die in december 2018 in een baan om de C-type-planetoïde Bennu ging.

Bennu bestaat net als Ryugu uit los puin.

Raketsonde moet planetoïde uit koers blazen

© JHUAPL/NASA

22.000 planetoïden staan gevaarlijk dicht bij de aarde – en Bennu is er daar een van. Lees hier meer over de dreiging uit de ruimte en hoe we die kunnen afwenden.

De onderzoekers hadden een relatief glad oppervlak verwacht, maar uit de waarnemingen bleek al snel dat de planetoïde bedekt is met grote, poreuze rotsblokken met een doorsnede tot 16 meter.

Met name die rotsblokken vormden een overtuigend bewijs dat Bennu, of de planetesimaal waarvan de planetoïde is losgebroken, lang geleden grote hoeveelheden water bevatte. Op veel van de rotsen fotografeerde de satelliet heldere strepen, die tot 1,5 meter lang en 14 centimeter breed waren.

OSIRIS-REx streep Bennu

De witte strepen van carbonaten op Bennu zijn waarschijnlijk afzettingen van water in de planetesimaal waar Bennu 4,5 miljard jaar geleden deel van uitmaakte.

© University of Arizona/Goddard/NASA

De strepen bestaan uit koolstofrijke mineralen, carbonaten, die neerslaan in vloeibaar water, en aangezien Bennu nog meer organische koolstofverbindingen heeft dan Ryugu, zet dit de theorie dat inslagen van koolstofhoudende planetoïden de oceanen van de jonge aarde vulden en leven brachten kracht bij.

Plannen waren te ambitieus

De rotsblokken gooiden echter roet in het eten voor NASA. De organisatie wilde 60 tot 2000 gram planetoïdenstof ophalen. OSIRIS-REx was gemaakt om te landen op een vlak oppervlak van 2000 vierkante meter, maar de geschiktste plaats was slechts 100 vierkante meter groot.

OSIRIS-REx – landing op Bennu

De OSIRIS-REx was gemaakt om op een vlak gebied van 2000 m2 te landen. Maar Bennu ligt bezaaid met rotsblokken, en de beste landingsplek was maar 100 m2 groot.

© University of Arizona/Goddard/NASA

De ingenieurs van NASA waren dan ook opgelucht toen de landing perfect verliep, maar het spannendste moment moest nog komen.

De OSIRIS-REx maakte slechts zes seconden lang contact met Bennu toen de arm zich in de planetoïde boorde en een wolk stikstof uitstootte, die stof en steentjes deed opwervelen, rechtstreeks in een vat.

De sonde steeg vervolgens op en stuurde een video van het nemen van de monsters naar de aarde. Door de afstand van 334 miljoen kilometer kwamen de beelden pas 18,5 minuut later aan. De wetenschappers zagen tot hun schrik dat er vijf steentjes vastzaten in het dunne foliedeksel dat het monstervat moest afsluiten.

De kans was groot dat al het planetoïdenstof eruit zou worden geschud.

NASA annuleerde onmiddellijk het plan om de OSIRIS-REx nog meer rondjes om Bennu te laten maken en liet de sonde zonder koerswijzigingen afdrijven in de ruimte om trillingen te voorkomen. Ondertussen gingen de radiosignalen tussen de sonde en het controlecentrum tergend langzaam heen en weer.

Pas drie zenuwslopende dagen later was het vat met zijn kostbare inhoud achter slot en grendel geplaatst in de container die het planetoïdenstof naar de aarde moest vervoeren. Volgens NASA zit er zeker 400 gram in: 80 keer zoveel als de Hayabusa-2 naar de aarde bracht.

De OSIRIS-REx begon in maart 2020 aan de terugreis en zal het planetoïdenmonster naar verwachting op 24 september 2023 afleveren in Utah.

Zoeken naar aminozuren in het stof

Intussen gaan de analyses van de monsters van de Ryugu door. De eerste metingen van JAXA hebben bevestigd dat het gas in het vat afkomstig is van planetoïdenstof en teruggaat tot het ontstaan van het zonnestelsel.

In 2021 zal de helft van het stof worden verdeeld onder zes onderzoeksgroepen, vooral in Japan en de VS, terwijl de andere helft wordt opgeslagen voor een tijd dat nieuwe analysemethoden er nog meer informatie aan kunnen onttrekken.

De onderzoekteams willen eerst weten hoe organische verbindingen van koolstof, zwavel en stikstof met elkaar reageerden in de C-type-planetoïden, en of er aminozuren of andere complexe moleculen zijn gevormd.

Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten en enzymen, die alle biochemische processen in levende cellen – zoals DNA-synthese – uitvoeren.

Hayabusa – monstervat – stof

De Hayabusa-2 had 5,4 gram planetoïdenstof aan boord. Voor het eerst kunnen wetenschappers nu een monster onderzoeken van de oorspronkelijke wolk stof en gas die de vier binnenste rotsplaneten van het zonnestelsel vormde.

© JAXA

Als de OSIRIS-REx het monster van Bennu naar de aarde heeft gebracht, kunnen we de twee monsters vergelijken en komen we er wellicht achter waarom Bennu meer water bevatte dan Ryugu, en nog steeds meer organische koolstofverbindingen heeft. De onderzoekers verwachten dat ze zo zullen ontdekken of C-type-planetoïden het leven naar de aarde hebben gebracht.

‘Uiteindelijk willen we weten hoe organisch materiaal ontstaat in de ruimte en willen we de organische synthese begrijpen die in de begindagen van het zonnestelsel plaatsvond in planetoïde,’ zegt Hiroshi Naraoka van JAXA.

Terwijl de Japanse valk, de Hayabusa-2, de aarde allang achter zich heeft gelaten en zijn reis naar planetoïden voortzet, bereidt NASA zich voor op een bezoek aan een mysterieuze groep afgelegen planetoïden.

NASA wil naar verre planetoïden

Lucy Asteroide
© Southwest Research Institute

Het volgende doel van NASA’s planetoïdenjagers bevindt zich ver van de aarde. De komende jaren stijgen sondes op die bouwstenen rond Jupiter gaan onderzoeken en de enorme klomp ijzer Psyche gaan aandoen. Lees hier meer: (Indsæt link til “Fjerne asteroider skal løse Solsystemets gåde”).