Gymnastiek voor gevorderden: NASA oefent voor een episch vangspel op Mars

Binnen enkele jaren zal een kleine rover op Mars gesteentemonsters oppikken die door een vorige missie zijn achtergelaten. Hij zal ze in een raket laden op een klein platform, ergens waar het terrein vlak en niet te ruw is. Zodra het luik van de raket is gesloten, zal het platform de raket horizontaal omhooggooien, een beetje zoals een rugbybal. Vervolgens zullen de motoren van de raket ontbranden en komt het gevaarte in een baan om Mars.

Als dat eenmaal gelukt is, zal een ruimtevaartuig de raket met de onschatbare monsters aan boord grijpen en ze terug naar de aarde brengen. Met die monsters willen onderzoekers speuren naar tekens van vroeger leven op de rode planeet.

Je zou die wilde interplanetaire dans het meest epische vangspel kunnen noemen dat ooit is bedacht. Maar de betrokken wetenschappers noemen de missie gewoon de Mars Sample Return.

‘Dit is nooit eerder gedaan’, zegt hoofdingenieur Chris Chatellier van NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL). ‘Maar we dromen er al tientallen jaren van en maken al even lang plannen.’ De eerste stap werd gezet in 2021, toen Perseverance landde in de Jezero-krater. De rover voert daar onderzoek uit naar de eeuwenoude rivierdelta. Dat is een van de meest waarschijnlijke plaatsen om overblijfselen van leven te vinden uit de tijd dat de planeet nog een warmere, nattere wereld was.

Met een uitschuifbare arm en een boor is Perseverance intussen monsters aan het verzamelen die wellicht miljarden jaren oud zijn. Uiteindelijk zal de rover verschillende monsters in kleine sigaarvormige buisjes plaatsen en ze op het oppervlak opslaan, in afwachting van een toekomstige ophaling. Eind december vulde Perseverance al een eerste tube met een steenmonster. In de loop van januari en februari zal hij er een tiental vullen.

Ingenieurs testen hoe de Perseverance-rover tubes met Marsmonsters op het Marsoppervlak zal droppen. © NASA/JPL-Caltech

Het algemene opzet van die ophaling is al duidelijk, en ook de locatie waar Perseverance de monsters zal achterlaten is bekend. Andere belangrijke details zijn nog niet helemaal uitgespit. Bijvoorbeeld hoe de monsters van het Mars-oppervlak terug naar de aarde kunnen worden geschoten.

Uitdagingen

Het antwoord op die cruciale laatste vraag wordt stukje bij beetje duidelijker. Vorig jaar selecteerde NASA het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf Lockheed Martin om het 3 meter lange Mars Ascent Vehicle (MAV) te bouwen. Deze relatief kleine raket – kostprijs: 194 miljoen dollar – moet de monsters van Perseverance in een baan om Mars brengen.

De raket zal meerdere unieke uitdagingen moeten overwinnen. De zwaartekracht van de rode planeet bedraagt slechts een derde van die van de aarde. En door de ijle atmosfeer – honderd keer ijler dan die van de aarde – zal die lancering fundamenteel anders zijn dan die vanaf de maan of vanaf asteroïden. De alles-of-niets-lancering van de MAV moet autonoom en tegelijk foutloos verlopen. En dat op miljoenen kilometer van de aarde.

NASA wil de MAV in 2028 naar Mars sturen. Het toestel zal worden opgeslagen in een landingsplatform dat lijkt op dat van voorgangers zoals NASA’s InSight-lander. InSight landde op Mars in 2018 en voerde een landing met remraketten uit in plaats van te vertrouwen op het complexe Sky Crane-systeem dat nodig was voor de zwaardere rovers Perseverance en Curiosity.

De reis naar Mars zal in totaal 28 maanden duren, zodat de MAV tijdens de lokale zomer in of nabij Jezero kan landen. Daarna zullen Perseverance en enkele zogeheten Sample Recovery Helicopters alle monsters oppikken en inladen in de MAV.  

Koude lancering

En dan begint de echte pret. De afgelopen jaren hebben Chatellier en zijn team bij JPL zich gebogen over een moeilijk probleem: hoe je een kleine raket vanaf Mars kan lanceren. ‘We begonnen met het basisidee om de MAV op een rail te zetten en hem vanaf een platform te lanceren’, zegt Chatellier.

Maar de rail zou zwaar moeten zijn, en bijna net zo lang als de lander zelf. Zonder het tegengewicht van een zware rail zou de uitlaatpluim van de gelanceerde MAV het hele platform de lucht in kunnen blazen, waar het tegen de raket kan botsen. Het is trouwens geen sinecure om zo’n systeem op aarde testen. Daarvoor zou je immers de precieze omstandigheden op Mars moeten nabootsen.

Het team kwam op een ander idee. Wat als de raket enkele meter boven het oppervlak zou worden gebracht, zodat er meer ruimte is voor de lancering? ‘Hoewel het tegenintuïtief lijkt om een niet-geactiveerde raket op te werpen, vereenvoudigt dat het ontwerp- en testproces aanzienlijk’, zegt Chatellier.

Zo’n ‘koude lancering’ is niet onbekend: de Peacekeeperraketten van de Amerikaanse luchtmacht, gebruikt van 1987 tot 2005, werden onder stoomdruk uit silo’s gestuwd voordat hun motoren werden ontstoken. De aanpak is ook vergelijkbaar met een standaard raketlancering vanuit een gevechtsvliegtuig, behalve ‘dat we hem nu omhooggooien vanaf de grond’, zegt Chatellier.

Oefenworpen

Het resultaat is het lanceersysteem Vector (Vertically Ejected Controlled Tip-Off Release). De afgelopen paar jaar heeft het JPL-team een model van de MAV getest met Vector, waarbij kabels de raket in de lucht opvangen. Tot nu toe werden al meer dan twintig ‘oefenworpen’ uitgevoerd. Maar het hele systeem, met inbegrip van de ontsteking van de raket, zal pas op Mars voor het eerst volledig worden gebruikt.

Vector is ontworpen om de MAV vanaf Mars met een kracht van ongeveer 5 meter per seconde de lucht in te slingeren, vergelijkbaar met een stevige menselijke stootbeweging. Wanneer de MAV zijn motor ontsteekt, één seconde na de worp, zal Vector hem de juiste richting geven en een rotatie veroorzaken die de MAV vanuit een horizontale oriëntatie 45 graden omhoog kantelt. Zo kan de tweetrapsraket van de MAV de monstercapsule ter grootte van een basketbal naar een 400 kilometer hoge baan boven de planeet voortstuwen.

Met een beetje geluk is Perseverance op dat moment nog steeds operationeel en op een veilige afstand aan het toekijken, zodat iedereen op aarde op de eerste rij kan zitten bij deze allereerste lancering vanaf Mars.