De Artemis I-missie gaat niet alleen naar de maan

Na eindeloze vertragingen en tientallen miljarden dollars aan uitgaven stond NASA afgelopen maandag eindelijk op het punt om zijn Space Launch System (SLS)-megaraket te lanceren. Vanwege technische problemen werd die lancering op het laatste moment uitgesteld naar aanstaande vrijdag, met maandag 5 september als tweede optie. Dan zullen de hoofdmotoren en side-boosters een stuwkracht leveren van 39.000 kilonewton om de raket met de grootte van het Vrijheidsbeeld de lucht in te krijgen. De SLS moet een onbemande Orion-capsule en een bijbehorende dienstmodule in een baan om de maan brengen.

De missie, die Artemis I wordt genoemd, zal de grootste mijlpaal tot nu toe zijn in het gelijknamige programma van NASA – een project om voor het eerst in meer dan een halve eeuw mensen naar het maanoppervlak te sturen.

Als de missie slaagt, kan NASA ook een andere, minder bekende mijlpaal halen: de verkenning van asteroïden in de buurt van de aarde (ook wel NEA’s of near-Earth Asteroids genoemd). Terwijl Artemis I de maan nadert, zal NASA's NEA Scout, een meeliftende ruimtesonde kleiner dan een schoendoos, uitrollen vanaf een module op de adapterring die Orion verbindt met de tweede trap van de SLS-raket.

Eenmaal losgekomen zal de NEA Scout zich voorbereiden om 2020 GE, een asteroïde met de afmetingen van een schoolbus – op te zoeken en te fotograferen. 2020 GE wordt dan de kleinste asteroïde die ooit door een ruimtevaartuig van dichtbij zal zijn bestudeerd.

Maar de baanbrekende trip van de NEA Scout zal nog op een andere, meer betekenisvolle manier bijdragen aan de ruimtevaart. Om zich voort te bewegen zal de sonde namelijk gebruikmaken van zonnezeilen, één van de weinige methodes waarmee een ruimtevaartuig stuwkracht kan genereren zonder raketbrandstof.

Zonnezeilen zijn al eerder met succes gelanceerd op proof-of-conceptmissies, zowel in de interplanetaire ruimte als in een lage baan om de aarde. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA demonstreerde voor het eerst gecontroleerd zonnezeilen met Ikaros, dat een scheervlucht maakte langs Venus. De NanoSail-D van NASA had een zonnezeil, net de LightSail 1- en 2-ruimtevaartuigen van de Planetary Society. Die laatste cirkelt nog steeds in een baan rond de aarde.

Nadat hij is afgesplitst van Artemis I zal de 14 kilogram zware NEA Scout eerst zijn koudgas-stuwraketten – zes kleine gastanks – ontsteken. Daarmee moet hij in een stabiele baan weg van de maan en richting 2020 GE belanden. Het ruimtevaartuig zal dan een dun, met aluminium bekleed plastic zonnezeil ontvouwen. Het zeil, dat ongeveer zo groot is een squash-veld, vangt licht in plaats van wind. De opgevangen zonnestraling, die hij omzet in energie, moet hem op cruisesnelheid brengen.

‘NEA's zijn brokstukken afkomstig van botsingen in de belangrijkste asteroïdengordels’, zegt Julie Castillo-Rogez, hoofdonderzoeker van de NEA Scout aan NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Californië. ‘2020 GE vertegenwoordigt een klasse asteroïden waarover we heel weinig weten.’ Het wordt de eerste keer dat een asteroïde met een breedte kleiner dan 100 meter zal worden onderzocht.

Tijdens de flyby zal de NEA Scout zijn hogeresolutiecamera gebruiken om 2020 GE van dichtbij te bekijken. Hij zal nauwkeurig de grootte, vorm, rotatie en oppervlakte-eigenschappen van de asteroïde meten, en tegelijk het omringende stof en puin registreren. Omdat de camera van het kleine ruimteschip een resolutie van minder dan 10 centimeter per pixel heeft, zou het wetenschapsteam de samenstelling van 2020 GE moeten kunnen vaststellen. Dat wil zeggen: of de asteroïde rotsvast is of eerder een losse verzameling van kleinere steentjes en stof, zoals sommige van zijn grotere neven.

De asteroïde Bennu, die bijna dertig keer groter is dan 2020 GE, heeft een ogenschijnlijk vast, rotsachtig oppervlak, maar dat bleek alsnog poreus te zijn toen het Osiris Rex-ruimtevaartuig er onverwacht in wegzakte terwijl het monsters aan het verzamelen was.

De NEA Scout werd in 2013 oorspronkelijk opgezet als een verkenningsmissie. De sonde moest asteroïden uitzoeken waaraan astronauten later een bezoek konden brengen. Dat plan is inmiddels opgeborgen.

In zijn huidige opzet moet de missie belangrijke inzichten verschaffen in de risico's die kleine NEA's voor de aarde inhouden. ‘Grote asteroïden baren misschien de meeste zorgen vanuit het oogpunt van planetaire verdediging,’ zegt Castillo-Rogez, ‘maar objecten als 2020 GE komen wel veel vaker voor.’  

Ondanks hun kleinere afmetingen kunnen ze wel degelijk een gevaar vormen voor onze planeet. De meteoriet die op 15 februari 2013 boven het Rusissche Tsjeljabinsk ontplofte was een NEA van vergelijkbare grootte als 2020 GE. Hij veroorzaakte een schokgolf die in de hele regio ramen verbrijzelde en meer dan 1.600 mensen verwondde.

De andere taak van de NEA Scout – het demonstreren van zonnezeilvoortstuwing voor missies in de diepe ruimte – kwam voort uit één enkele vraag: kan een klein ruimtevaartuig diep in de ruimte zich op een goedkope manier nuttig maken voor de wetenschap? ‘Dat is een enorme uitdaging’, zegt Les Johnson, missieleider aan NASA’s Marshall Space Flight Center. ‘Voor sondes als deze is er gewoon niet genoeg plaats voor grote aandrijfsystemen en veel brandstof.’

Het riskantste onderdeel van de missie van de NEA Scout zal de ontplooiing van zijn ragfijne zeil zijn. Dat moet zich foutloos kunnen ontvouwen, ver weg van de aarde. Het ruimtevaartuig zal vier samengevouwen metalen gieken uitrollen waaraan het strak opgevouwen zeil is bevestigd. De lange, afgeplatte steunen zullen rond een spoel worden gewikkeld die de gieken uitrolt als een meetlint. De gieken zullen vervolgens in een stijve, V-vormige dwarsdoorsnede openspringen.

Als het zonnezeil zich ontvouwt, zal het een totale oppervlakte van 86 m² beslaan, aldus Johnson. Het zeil zelf is gemaakt van een rigide, flexibele, met aluminium gecoate polymeerfilm. ‘Die film heeft veel weg van vershoudfolie, behalve dat hij veel dunner is. Nog dunner dan een menselijk haar’, zegt Johnson.

Het spiegelzeil zal stuwkracht genereren door 90 procent van de inkomende fotonen van de zon te weerkaatsen. Die fotonen met een zichtbare golflengte zijn te vergelijken met projectielen uit een luchtgeweer, zegt Johson. ‘Ze raken het zeil raken en stuiteren er weer af. Daarbij brengen ze telkens een deeltje van hun momentum op het zeil over.’

Dat de zonnezeilen zo groot zijn, heeft te maken met de stralingsdruk van de zon. Die is buitengewoon zwak. Zelfs met zonnezeilen met een oppervlakte van twee voetbalvelden in de volle middagzon is de stralingsdruk niet groter dan de kracht die een muntstukje op je handpalm uitoefent’, zegt Johson.

Maar er is ook goed nieuws. ‘Newton's wetten werken!’, lacht Johnson. Bevrijd van het zwaartekrachtveld van de aarde en ongehinderd door de luchtweerstand – twee krachten die het zonnezeil anders tegenwerken – bouwt het momentum zich geleidelijk aan op. Uiteindelijk kunnen ruimtesondes met zonnezeilen verrassend hoge snelheden halen – en nauwelijks brandstof verbruiken.

De NEA Scout zal kleine hoeveelheden brandstof uit zijn koudgasstuwraketten gebruiken om zichzelf in de ruimte te besturen, maar het zeil zelf zal het meeste werk verrichten. Het toestel zal manoeuvreren door het zeil te kantelen, om zo de invalshoek van het inkomend zonlicht te veranderen. Het kan ook de stuwkracht en de reisrichting regelen.

Vergelijk het met hoe een zeilboot manoeuvreert door zijn zeilen onder een specifieke hoek te positioneren ten opzichte van de wind. Het zonnezeil zal een bepaalde oriëntatie dagenlang aanhouden, zodat het momentum van elk manoeuvre kan worden opgebouwd.

Tegen september 2023 zal de NEA Scout, deels dankzij een duwtje in de rug door de zwaartekracht van de maan, genoeg snelheid hebben verzameld om 2020 GE in te halen. Missienavigators zullen het toestel tot op een kilometer van de asteroïde leiden.

‘De NEA Scout zal waarschijnlijk de langzaamste flyby van een asteroïde ooit maken, met een relatieve snelheid van 20 meter per seconde’, zegt Castillo-Rogez. ‘Dat geeft ons ongeveer drie uur de tijd om onschatbare wetenschappelijke informatie te verzamelen.’

Daarna kan de NEA Scout aan een langere missie beginnen, denkt Castillo-Rogez. Hij zou nog een flyby kunnen doen langs 2020 GE, of misschien kan hij andere NEA’s bezoeken. Mogelijk laten de missieleiders hem zelfs naar potentiële Trojaanse asteroïden reizen op het Lagrangepunt 5, een ‘zwaartekrachtvallei’ die de baan van onze planeet volgt.

De NEA Scout is een voorbeeld van de groeiende kracht van CubeSats. Met hun kleine afmetingen en lage gewicht kunnen organisaties deze satellieten goedkoop als secundaire lading in een baan om de aarde brengen. Momenteel zijn meer dan 1.500 CubeSats actief.

Maar zoals de NEA Scout nu laat zien, kunnen CubeSats zich van eenvoudige satellieten ontwikkelen tot ruimtevaartuigen die in staat zijn om in de maanruimte en verder te opereren.

NASA's Lunar Flashlight, een CubeSat die bij een latere lancering naar de maan zal worden gebracht, is ontworpen om daar naar waterijsafzettingen te zoeken. Het ruimtevaartuig zal infraroodlasers gebruiken om licht te bundelen in de schaduwrijke gebieden van de zuidpool van de maan, in een poging om verborgen waterijs te onthullen. Waterijs kan onder andere worden gebruikt om raketbrandstof te produceren.

De NEA Scout zelf zal de toon zetten voor twee andere NASA-zonnezeilschepen. Die toestellen moeten mee vorm geven aan toekomstige ruimtevaartuigen die bijvoorbeeld kunnen waarschuwen voor zonnevlammen, of dienen als geostationaire communicatieverbindingen boven de polen van de aarde. Ook meer verreikende en ambitieuze interplanetaire missies zijn mogelijk.

Mettertijd zou zeilen op zonnestraling ruimtevaartuigen in staat moeten stellen om voor onbepaalde tijd in het zonnestelsel te reizen. Zo moeten ze nieuwe banen bereiken en aanhouden die anders ontoegankelijk zijn. Ruimtevaartuigen aangestuwd door raketten zouden met zonnezeilen efficiënter van baan kunnen veranderen om de polen van de zon en de planeten te bekijken en er zelfs te blijven.

Op de korte termijn wijzen CubeSat-ruimtevaartuigen van de volgende generatie, zoals de Lunar Flashlight en de NEA Scout, de weg naar meer kleine, capabele en betaalbare ‘SailCubes’. In de niet al te verre toekomst zou een vloot van autonome verkenners in een baan om de aarde kunnen worden gebracht. Vandaaruit kunnen ze wegzeilen, in de richting van asteroïden en andere wetenschappelijk of commercieel interessante bestemmingen.