SMART-1: het Maanavontuur begint

Na de eerste Europese missie naar Mars stuurt ESA nu ook haar eerste sonde naar de Maan. Deze draagt de naam SMART-1 en dient zowel een technologisch als een wetenschappelijke doel. Het is de eerste missie in een reeks van ’Small Missions for Advanced Research in Technology’.


SMART-1 zal instrumenten en technologieën testen die noodzakelijk zijn voor de ambitieuze, interplanetaire missies in de nabije toekomst. De belangrijkste nieuwe ontwikkeling is de zogenaamde solar-electric primary propulsion (SEP), ofwel de ionenmotor die voor de voortstuwing zorgt. De sonde gaat bovendien op zoek naar de antwoorden op een aantal fundamentele vragen rondom de Maan, zoals het ontstaan, de exacte mineralogische samenstelling en de aanwezigheid van water. Met behulp van deze gegevens krijgen wetenschappers een beter beeld van het Aarde-Maan-systeem en planeten die op de Aarde lijken. Bovendien zijn deze gegevens onmisbaar voor een eventueel langdurig verblijf van mensen op de Maan.

Met drie instrumenten onderzoekt SMART-1 het maanoppervlak. Met herhaalde passages wordt het complete oppervlak bestreken. bron: AOES Medialab, ESA

Op 15 juli 2003 werd SMART-1 naar de Europese lanceerbasis in Kourou, Frans Guyana gebracht, waar de sonde wordt voorbereid op haar lancering. Deze staat gepland voor 29 augustus 2003 (Nederlandse tijd) en wordt met behulp van een Ariane-5 draagraket uitgevoerd.

Voor het eerst zal SMART-1 een ionenmotor (in vaktermen ‘solar-electric propulsion’ genoemd) als voortstuwingssysteem gebruiken. Een dergelijke motor is nog nooit eerder door Europa als hoofdaandrijvingssysteem ingezet. De sonde zal geen direct pad volgen om de 400.000 kilometer tussen de Aarde en de Maan te overbruggen. Met behulp van de zeer efficiënte stuwdruk van de ionenmotor en de aantrekkingskracht van de Maan zal ze vanuit haar elliptische baan rond de Aarde zeer geleidelijk via een spiraalvormig pad naar de Maan bewegen. De sonde zal niet op de Maan zelf landen, maar vanuit een omloopbaan onderzoek doen. SMART-1 zal in december 2004 haar doel bereiken en gedurende zes maanden tot een jaar metingen uitvoeren.

Water, mineralen en een heftige ontstaansgeschiedenis

“Onze kennis over de Maan is nog steeds verbazingwekkend beperkt,” aldus Bernard Foing, wetenschapper van het SMART-1-project van ESA. “We willen nog steeds weten hoe het Aarde-Maan-systeem is ontstaan en hoe het zich verder heeft ontwikkeld. Ook willen we meer te weten komen over welke rol geofysische processen zoals vulkanisme, tektoniek, kratervorming of erosie spelen bij de vormgeving van de Maan. En natuurlijk moeten we met het oog op toekomstig lunair en planetair onderzoek hulpbronnen en geschikte landingsplaatsen op de Maan vinden.”

Er bestaan dus nog veel onbeantwoorde vragen over de Maan, ook na zes NASA Apollo-missies en drie onbemande Russische ruimtevaartuigen die op de Maan zijn geland en rotsmonsters hebben meegenomen. Naar het deel van de Maan dat het verste van ons is verwijderd – de kant die we vanaf de Aarde nooit kunnen zien – en de poolgebieden is nog maar weinig onderzoek gedaan. De aanwezigheid van water op de Maan kon tot op heden nog niet worden bevestigd, hoewel twee satellieten in de jaren negentig indirect bewijs hiervoor hebben gevonden. Ook het ontstaan van de Maan is tot op heden onduidelijk. Volgens de meest geaccepteerde theorie botste 4.500 miljoen jaar geleden een asteroïde ter grootte van Mars op onze planeet. De daarbij ontstane brokstukken kwamen in de ruimte terecht en klonterden samen tot een hemellichaam dat wij nu kennen als onze Maan.

Als dit scenario van de vorming van de maan klopt, zou ijzer in het maanoppervlak minder voor moeten komen dan magnesium. Het instrument D-SIXS gaat de verhoudingen onderzoeken. bron: AOES Medialab, ESA

SMART-1 zal zowel de topografie van de Maan in kaart brengen, als de oppervlaktemineralen zoals pyroxeen, olivien en veldspaat. Een röntgendetector zal bovendien de belangrijkste chemische elementen van het Maanoppervlak identificeren. Met behulp van deze gegevens kunnen wetenschappers een reconstructie van de geologische evolutie van de Maan vervaardigen en naar sporen zoeken van de botsing met de enorme asteroïde. Als de botsingstheorie inderdaad klopt, zou de Maan vergeleken met de Aarde minder ijzer moeten bevatten in verhouding met lichtere elementen zoals magnesium en aluminium. Dankzij deze eerste uitgebreide meting van de hoeveelheden chemische elementen, levert SMART-1 een belangrijke bijdrage aan de oplossing van deze kwestie.

Wat het water betreft: als het al aanwezig is op de Maan, zal het in de vorm van ijs buiten het bereik van de zon voorkomen. Daar stijgt de temperatuur nooit boven -170ºC. Zulke donkere plaatsen bevinden zich waarschijnlijk op de bodem van kleine kraters in de poolgebieden van de Maan. En een blik in deze kraters is wellicht de meest lastige taak die SMART-1-wetenschappers zichzelf hebben gesteld. IJs is detecteerbaar met behulp van gereflecteerd infrarood licht, maar omdat het zonlicht de bodem niet bereikt is dat niet eenvoudig. Een beetje infrarood zonlicht zou het ijs kunnen bereiken via de wanden van de krater en dat zou net voldoende moeten zijn voor de instrumenten van SMART-1 om een glimp van het ijs op te vangen.

Nieuwe technologie ter voorbereiding van toekomstige interplanetaire missies

Toekomstige wetenschappelijke missies zullen in grote mate profiteren van de technologie die met behulp van SMART-1 wordt getest. De zogenoemde ‘solar-electric primary propulsion’ is een nieuwe voortstuwingstechniek gebaseerd op de ionenmotoren. Deze motoren stoten met hoge snelheid geladen deeltjes uit. De benodigde energie komt van de zonnepanelen. Het is een techniek die pas één keer eerder werd toegepast.De stuwkracht van een ionenmotor is zeer beperkt, maar het grote voordeel is dat deze motor vele malen efficiënter is dan de conventionele chemische motoren.

In een ionenmotor worden xenonatomen bestookt met elektronen. Magnetische spoelen binnen en buiten de ontladingskamer scheiden de elektronen en ionen vervolgens. De ionen worden in een jet naar buiten gestuwd. Daar neutraliseert een tweede bundel elektronen de ionen weer. Een ionenmotor gaat zeer efficiënt om met zijn brandstof, maar kan slechts weinig stuwkracht leveren. Zo’n motor is dan ook erg handig voor onbemande missies waar haast geen noodzaak is, maar zuinigheid wel. bron: AOES Medialab, ESA

Ionenmotoren bieden belangrijke voordelen. Zij hebben beduidend minder stuwstof nodig dan de conventionele chemische motoren. Dat betekent minder gewicht tijdens de lancering en meer beschikbare ruimte voor wetenschappelijke instrumenten . Ionenmotoren openen de deur naar werkelijk “diepgaand” ruimteonderzoek. Zij verkorten de tijd van interplanetaire vluchten drastisch: hoewel zij minder voortstuwingskracht hebben, gaan zij jaren mee. De schildpad van ionen zal de chemische haas uiteindelijk inhalen. Bovendien maakt de zachtere voortstuwing van de ‘electric propulsion’ een zeer accurate besturing van het ruimtevaartuig mogelijk. Dit zal vooral nuttig zijn voor wetenschappelijke missies waarbij een precieze en stabiele standregeling noodzakelijk is. Voor toekomstige ESA-missies zullen ionenmotoren worden ingezet.

SMART-1 zal ook nieuwe miniaturisatietechnieken testen die ruimte en massa besparen: in de ruimte zorgt minder massa per instrument ervoor dat wetenschappers meer instrumenten aan boord kunnen meenemen, en dus ook meer wetenschappelijke kennis. De vracht van de SMART-1 bestaat uit zeven instrumenten voor een groot aantal technologische en wetenschappelijke onderzoeken die in totaal slechts 19 kg wegen. Een voorbeeld: de röntgentelescoop D-CIXS bestaat uit een kubus met een doorsnede van slechts 15 centimeter en weegt minder dan 5 kg. De ultracompacte elektronische camera, AMIE, weegt niet meer dan een doorsnee fototoestel.

Er zullen ook nieuwe navigatie- en ruimtecommunicatietechnieken worden getest. Het zogenoemde OBAN-experiment, gebaseerd op beelden van de miniatuurcamera AMIE en de sterrenvolgers, is de eerste stap naar de toekomstige ‘zelfstandige’ ruimtevaart. Over niet al te lange tijd zullen wetenschappelijk satellieten met een minimum aan besturing vanaf de grond kunnen opereren, alleen door de sterren en andere hemellichamen als houvast te gebruiken bij hun reis langs vooraf gedefinieerde paden.

Technici moeten nieuwe en efficiënte technieken ontwikkelen voor een goede communicatie tussen de Aarde en de satellieten in de verre ruimte. SMART-1 zal zowel de zeer korte radiogolven testen (de zogenoemde Ka-band met het instrument KaTE), alsmede een laserexperiment uitvoeren waarbij de communicatie tussen satelliet en Aarde door middel van een laserstraal plaatsvindt. ESA beschikt al over laserverbindingen met telecommunicatiesatellieten vanaf een optisch grondstation in Tenerife op de Canarische eilanden. Het richten van de straal wordt lastiger naarmate een ruimtevaartuig zoals SMART-1 verder weg is en zich snel voortbeweegt. Wetenschappers hopen desalniettemin dat de camera aan boord, AMIE, Tenerife zal zien oplichten in laserlicht.