Door een ventilator aangedreven afdalingen en wendbare landingspoten zijn slechts twee ideeën om veilig te landen
Als een ruimtevaartuig (zoals het ruimtevaartuig dat in het concept van deze kunstenaar wordt getoond) ooit de ijsmaan Europa van Jupiter raakt, zal het ruimtevaartuig bijzonder wendbaar moeten zijn om zijn landing vast te houden.
De beste manier om een wereld te leren kennen, is door hem aan te raken. Wetenschappers hebben de planeten en manen in ons zonnestelsel eeuwenlang geobserveerd en hebben decennia lang ruimtevaartuigen langs de orbs gevlogen. Maar om deze werelden echt te begrijpen, moeten onderzoekers hun handen vuil maken – of op zijn minst de landingsplatforms van een ruimtevaartuig.
Sinds het begin van het ruimtetijdperk hebben Mars en de maan bijna alle landerliefde gekregen. Slechts een handvol ruimtevaartuigen is geland op Venus, onze andere dichtstbijzijnde buurwereld, en geen enkele is neergestreken op Europa, een ijzige maan van Jupiter die wordt beschouwd als een van de beste plekken in het zonnestelsel om het huidige leven te zoeken (SN: 5/2/14).
Onderzoekers werken eraan om dat te veranderen. In verschillende lezingen op de virtuele bijeenkomst van de American Geophysical Union die van 1 december tot 17 december plaatsvond, bespraken planetaire wetenschappers en ingenieurs nieuwe trucs die hypothetische toekomstige ruimtevaartuigen mogelijk nodig hebben om op onbekend terrein op Venus en Europa te landen. De missies bevinden zich nog in een ontwerpfase en staan niet op het lanceringsschema van NASA, maar wetenschappers willen voorbereid zijn.
Navigeren door een Venusiaanse handschoen
Venus is een notoir moeilijke wereld om te bezoeken (SN: 13-02-18). Zijn verzengende temperaturen en verpletterende atmosferische druk hebben elk ruimtevaartuig vernietigd dat het geluk had om binnen ongeveer twee uur na aankomst het oppervlak te bereiken. De laatste landing was meer dan 30 jaar geleden, ondanks het toenemend vertrouwen onder planetaire wetenschappers dat het oppervlak van Venus ooit bewoonbaar was (SN: 26/8/16). Die mogelijkheid van vroeger en misschien wel actueel leven op Venus is een van de redenen waarom wetenschappers graag terug willen (SN: 28/10/20).
In een van de voorgestelde plannen die tijdens de AGU-bijeenkomst werden besproken, hebben wetenschappers geribbeld, geplooid bergachtig terrein op Venus genaamd tessera in hun vizier. “Veilig landen op tessera-terrein is absoluut noodzakelijk om onze wetenschappelijke doelstellingen te bereiken”, zei planetair wetenschapper Joshua Knicely van de University of Alaska Fairbanks in een voor de bijeenkomst opgenomen lezing. “We moeten het doen.”
Knicely maakt deel uit van een studie onder leiding van geoloog Martha Gilmore van Wesleyan University in Middletown, Conn., Om ontwerp een hypothetische missie naar Venus die in de jaren 2030 kunnen worden gelanceerd. De missie omvatte drie orbiters, een aerobot om in de wolken te zweven en een lander die monsters van tessera-rotsen zou kunnen boren en analyseren. Aangenomen wordt dat dit terrein is ontstaan waar de randen van continenten lang geleden over en onder elkaar gleden, waardoor nieuw gesteente naar de oppervlakte kwam in wat misschien een versie van platentektoniek was. Op aarde kan dit soort van opduiken belangrijk zijn geweest om de planeet gastvrij te maken voor leven (SN: 22/04/20).
Maar het kan bijzonder moeilijk zijn om in deze gebieden op Venus te landen. Helaas kunnen de beste kaarten van de planeet – van NASA’s Magellan-orbiter in de jaren negentig – ingenieurs niet vertellen hoe steil de hellingen zijn in tessera-terrein. Die kaarten suggereren dat de meeste minder dan 30 graden zijn, wat de lander aankan met vier telescopische poten. Maar sommige kunnen wel 60 graden zijn, waardoor het ruimtevaartuig kwetsbaar is voor omvallen.
“We hebben een zeer slecht begrip van hoe het oppervlak eruit ziet”, zei Gilmore in een voor de bijeenkomst opgenomen toespraak. ‘Hoe groot is het rotsblok? Wat is de grootteverdeling van de rotsen? Is het luchtig? “
De lander heeft dus een soort intelligent navigatiesysteem nodig om de beste plaatsen te kiezen om te landen en daarheen te sturen. Maar die behoefte aan sturen brengt een ander probleem met zich mee: in tegenstelling tot landers op Mars, kan een Venus-lander geen kleine raketmotoren gebruiken om te vertragen tijdens het dalen.
De vorm van een raket is afgestemd op de luchtdichtheid waar hij tegenaan stoot. Daarom hebben raketten die ruimtevaartuigen vanaf de aarde lanceren twee secties: een voor de atmosfeer van de aarde en een voor het bijna vacuüm van de ruimte. De atmosfeer van Venus verandert zo snel van dichtheid en druk tussen de ruimte en het oppervlak van de planeet dat “een kilometer laten vallen van de raket die perfect werkt, tot een mislukking gaat en zichzelf mogelijk uit elkaar blaast”, zegt Knicely.
In plaats van raketten zou de voorgestelde lander ventilatoren gebruiken om zichzelf rond te duwen, bijna als een onderzeeër, waardoor het nadeel van de dichte atmosfeer in een voordeel wordt omgezet.
De atmosfeer van de planeet vormt ook de grootste uitdaging van allemaal: de grond zien. De dichte atmosfeer van Venus verstrooit het licht meer dan die van de aarde of Mars, waardoor het zicht op het oppervlak tot de laatste paar kilometer van de afdaling vervaagt.
Erger nog, door het verstrooide licht lijkt het alsof de verlichting uit alle richtingen tegelijk komt, alsof een zaklamp in de mist schijnt. Er zijn geen schaduwen om steile hellingen te laten zien of grote rotsblokken te onthullen waar de lander tegenaan zou kunnen botsen. Dat is volgens Knicely een groot probleem, omdat alle bestaande navigatiesoftware ervan uitgaat dat licht maar uit één richting komt.
“Als we de grond niet kunnen zien, kunnen we niet achterhalen waar het veilige spul is”, zegt Knicely. “En we kunnen ook niet achterhalen waar de wetenschap is.” Hoewel de voorgestelde oplossingen voor de andere uitdagingen van het landen op Venus bijna haalbaar zijn, zegt hij, blijft dit de grootste hindernis.
De landing op Europa plakken
De ijzige maan Europa van Jupiter heeft daarentegen geen lucht om het oppervlak te vervagen of raketten te breken. Een hypothetische toekomstige Europa-lander, ook besproken op de AGU-vergadering, zou de “sky crane” -techniek kunnen gebruiken (SN: 8/6/12). Die methode, waarbij een platform met raketten boven het oppervlak zweeft en een ruimtevaartuig op de grond laat vallen, werd gebruikt om de Curiosity-rover in 2012 op Mars te laten landen en zal in februari 2021 worden gebruikt voor de Perseverance-lander.
“De ingenieurs zijn erg enthousiast over het feit dat ze onderweg niet te maken hebben met een atmosfeer”, zei ruimtevaarttechnicus Jo Pitesky van NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, in een opgenomen lezing voor de bijeenkomst.
Toch is er veel dat wetenschappers niet weten over het oppervlak van Europa, wat gevolgen zou kunnen hebben voor elke lander die landt, zei planetaire wetenschapper Marissa Cameron van het Jet Propulsion Laboratory in een andere lezing.
De beste uitzichten op het maanlandschap zijn vanaf de Galileo-orbiter in de jaren negentig, en de kleinste kenmerken die hij kon zien, waren een halve kilometer breed. Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat Europa grillige ijspieken zou kunnen hebben, penitentes genaamd, vergelijkbaar met ijselementen in het Chileense Andesgebergte die zijn genoemd naar hun gelijkenis met monniken met een kap en gebogen hoofden – hoewel recenter werk het gebrek aan atmosfeer van Europa aantoont. moet de vorming van penitentes voorkomen.
Een andere missie, de Europa Clipper, die al aan de gang is, zal beelden met een hogere resolutie maken wanneer de orbiter later dit decennium de maan van Jupiter bezoekt, wat het probleem zou moeten helpen verhelderen.
Ondertussen houden wetenschappers en ingenieurs uitgebreide generale repetities voor een Europa-landing, van het simuleren van ijs met verschillende chemische samenstellingen in vacuümkamers tot het laten vallen van een dummy-lander genaamd Olaf uit een kraan om te zien hoe het standhoudt.
“We hebben een vereiste dat het terrein elke configuratie kan hebben – grillig, kuilen, noem maar op – en we moeten ons kunnen aanpassen aan dat oppervlak en er stabiel in moeten zijn”, zegt John Gallon, een ingenieur bij de Jet Propulsion Laboratorium. (De dummy-lander is genoemd naar het favoriete personage van zijn 4-jarige dochter in de film Bevroren.)
In de afgelopen twee jaar hebben Gallon en collega’s verschillende landervoeten, poten en configuraties in een laboratorium getest door de lander als een marionet aan het plafond te hangen. Die ophanging helpt de zwaartekracht van Europa te simuleren, die een zevende is van die van de aarde.
Zonder veel zwaartekracht zou een enorme lander gemakkelijk rond kunnen stuiteren en zichzelf beschadigen wanneer hij probeert te landen. “Je gaat de overloop niet steken zoals een gymnast die van de tralies komt”, zegt Gallon. Zijn team heeft kleverige voeten geprobeerd, komvormige voeten, veren die samendrukken en in het oppervlak duwen en benen die vergrendelen om de lander te helpen op verschillende terreinen te blijven. De lander kan gehurkt als een kikker of stijf staan als een tafel, afhankelijk van het type oppervlak waarop hij landt.
Hoewel Olaf hard aan het werk is om wetenschappers te helpen erachter te komen wat er nodig is om een succesvolle Europa-lander te bouwen, staat de missie zelf, net als zijn Venusiaanse tegenhanger, voorlopig alleen op de verlanglijstjes van sommige planetaire wetenschappers. Ondertussen dromen andere onderzoekers van reizen naar totaal andere werelden, waaronder Saturnus ‘geisermaan Enceladus.
“Sommige mensen kiezen favorieten”, zegt Cameron. ‘Ik wil gewoon ergens landen waar we nog nooit zijn geweest, dat is niet Mars. Ik zou dat geweldig vinden. “
