Marsrover Curiosity: geoloog op wielen

Marsrover Curiosity rijdt nu enkele maanden rond op Mars en de eerste onderzoeksresultaten zijn inmiddels teruggestuurd naar de aarde. Planetair geomorfoloog Sebastiaan de Vet schijnt zijn licht op de eerste ontdekkingen van de Marskar.

Mars is erg anders dan de aarde. Maar het ontbreken van vloeibaar water en een dikke atmosfeer betekent niet dat er geologisch gezien niets gebeurt op Mars.

Uit recente satellietwaarnemingen blijkt dat zand door de milde en ijle bries op Mars meer wordt rond geblazen dan ooit voor mogelijk werd gehouden. Marsduinen bewegen zelfs met snelheden van aardse zandduinen.

Bovendien is het klimaat op Mars in het verleden natter en een stuk aangenamer geweest. Curiosity, of volledig het Mars Science Laboratory (MSL), onderzoekt voor de komende vijf jaar of die omstandigheden ooit geschikt waren geweest om mogelijk leven in stand te houden.

Meer dan een camera op wielen
De sleutelwoorden voor NASA’s zoektocht naar leven zijn ‘gunstige leefomstandigheden’, want Curiosity zoekt niet direct naar tekenen van leven. Als de omstandigheden op Mars ooit gunstig waren voor leven, dan moet die informatie versleuteld zitten in het gesteente. Curiosity is daarom ontworpen als een ware geoloog op wielen die metingen kan doen aan gesteenten en de bodems op Mars, in de hoop deze sporen te vinden. De locatie is daarvoor erg belangrijk.

Curiosity daalde deze zomer af naar de Gale-krater. En dat is niet voor niets. Eerdere foto’s van Marssatellieten laten zien dat hier gesteentelagen zijn blootgelegd waarbij elke laag iets jonger is dan het onderliggende gesteente. Hoe dieper je in de krater zit, des te verder terug in de tijd je gaat in de geschiedenis van Mars. Door de grote hoeveelheid blootliggende lagen in de Gale-krater, nog meer dan in de Grand Canyon, is het mogelijk om de geologisch en klimatologische geschiedenis van Mars samen te puzzelen.

Voor het oplossen van deze puzzel bevindt zich in de carrosserie van de rover een kostbaar en hypermodern geochemisch laboratorium om de mogelijk ooit gunstige omstandigheden voor leven af te leiden uit de samenstelling van schepjes zand en gesteente.

Laserschieten op Mars
Naast de uniek landing heeft Curiosity ook aan aantal wetenschappelijke nieuwe technieken mee om wetenschappelijk onderzoek uit te voeren. Zo bevat de cameramast van Curiosity niet alleen een set camera’s met (tele)lenzen, maar ook een telescoop met een laser. Deze zogenoemde ChemCam kan op afstand een stukje gesteente verdampen om zo uit het gevormde lichtflitsje de samenstelling in elementen te meten. Deze techniek is te vergelijken met verschillende metalen die de vlam van een gasbrander van kleuren doen veranderen.

Dit is de eerste Marssteen die de Marsrover Curiosity heeft onderzocht. Hij is vernoemd naar de recent overleden NASA-ingenieur Jake Matijevic.
 

Na de eerste metingen aan de steen Jake Matijevic – vernoemd naar een oud-ingenieur van NASA – bleek dat de steen basaltisch is. Op het eerste gezicht niet geheel verwonderlijk voor een planeet met veel basaltisch vulkanisme. Maar gedetailleerdere metingen lieten zien dat de samenstelling een bijzonderder verhaal vertelt. We weten namelijk dat dit soort stenen op aarde diep onder de korst gevormd worden tijdens het uitkristalliseren (afkoelen) van waterrijk magma (‘vloeibaar’ gesteente) onder vulkanen. Dat is weer een kleine aanwijzing dat water in het verleden op Mars een belangrijke rol had. Curiosity zal in elk geval meerdere stenen moeten meten om dit stukje Marsgeschiedenis duidelijk te krijgen. Graven in de bodem

Tijdens de rit naar de eerste bestemming Glenelg was er een aantal Martiaanse dagen (sols) later ook de vuurdoop voor het Chemistry and Mineralogy-instrument (CheMin). Precies een eeuw na de eerste toepassing van röntgenstraling in de geologie, voerde Curiosity zijn eerste zogenoemde röntgendiffractiemeting uit.

Met techniek kan het kristalrooster van een mineraal bepaald worden. De manier waarop röntgenstraling die door dat kristalrooster verstrooid wordt, is uniek voor elk kristal en kan zo gebruikt worden om te achterhalen welke kristallen en elementen er in een grondmonster zitten.

Met de robotarm van Curiosity werd een klein hoopje zand opgeschept van de locatie Rocknest. Met trillingen werd dit gezeefd om alleen korrels kleiner dan 150 micrometer over te houden, ongeveer de dikte van een menselijk haar.


Het opgeschepte zand (rechts) en het overgebleven kuiltje (links) voor de röntgendiffractiemeting van de marsbodem. Duidelijk zichtbaar is de donkere kleur van de bodem onder de toplaag. De rode pijl bij het schepje is 38 mm breed. Afbeelding: © NASA

CheMin ontdekte dat de hedendaags toplaag van de bodem voor helft bestaat uit simpele basaltisch mineralen zoals veldspaat, pyroxeen en olivijn, terwijl de andere helft uit vulkanisch glas bestaat. De samenstelling van deze toplaag is kenmerkend voor de droge omstandigheden van het hedendaagse Mars. Een deel bestaat uit zand dat lokaal gevormd is en een ander deel dat met recente stofstormen is komen aanwaaien. Dit is een duidelijk verschil met het riviergrind dat Curiosity eerder in zijn rit tegenkwam.

Over de vorming van dat vulkanisch glas in de bodems op Mars lopen de ideeën nog uiteen. Het wordt hoe dan ook tijdens vulkanische uitbarstingen gevormd. De Amerikaanse onderzoeker Briony Horgan ontdekte eerder dit jaar met een camera aan boord van de Europese Mars Express-satelliet dat de grote zandvlaktes rond de noordpool van Mars mogelijk een nog hoger glaspercentage hebben. Deze zandvlaktes lijken sterk op de zandwoestijnen in IJsland waar het vulkanisch glas is gevormd door vulkaanuitbarstingen onder het ijs (zoals de uitbarsting van de Eyjafjallajökull-vulkaan in 2010).

Op verschillende plekken op Mars vinden we daarnaast ook voorbeelden van mogelijke vulkaanuitbarstingen die onder een ijslaag hebben plaatsgevonden, zoals tuyas (vulkanische tafelbergen) en duidelijke rivierpatronen van gletsjerdoorbraken (jökulhlaups) waarbij grote hoeveelheden smeltwater onder het ijs uit zijn gestroomd. Mars lijkt in sommige opzichten dus meer op koude IJsland dan het zonnige en tropische Hawaï waar NASA haar Mars-onderzoek vaak mee ‘verkoopt’.

Mars krijgt roestkleur zonder water
Wat opvalt aan het kleine zandschepje is het grote kleurverschil tussen het zandoppervlakte en het zand dat daaronder zit. Na het omwoelen van de bovenlaag van de bodem komt een vaak donkerder en minder rood gekleurd materiaal aan het oppervlak. Dit effect is ook gezien in verse sporen van kleine wervelwinden en zand-lawines die regelmatig voorkomen op Mars.

Hoe kan dat? Waarom krijgt Mars haar rode roestkleur aan het oppervlak terwijl er geen spatje water te bekennen is? Interessant voor deze vraag is een experiment van de Deense Aarhus Universiteit dat een paar jaar geleden werd gedaan. Wetenschapper Jon Merrison probeerde hiermee de effecten van winderosie van zand en stof op Mars te simuleren. Een mix van zand werd voor 212 dagen non-stop gemixt in een glazen fles met daarin een gesimuleerde Marsatmosfeer. Na afloop van het experiment bleek dat de hoeveelheid fijnstof (met een diameter kleiner dan 10 micrometer) met meer dan 10 procent was toegenomen en het materiaal de karakteristiek rode kleur van het stof op Mars had gekregen.

Glazen flessen van het Deense experiment met daarin een versimpelde Marsbodem en een kopie van de Marsatmosfeer die na 212 dagen rondraaien de karakteristieke rode kleur en mineralogie van de Marsbodem wist te produceren.

Daaruit bleek dat ijzerrijk materiaal in het Marsklimaat ook zonder water kan roesten. Maar we weten dat er vroeger wel vloeibaar water op Mars was. Curiosity zal in elk geval aanwijzingen vinden hoe gesteenten en bodems in die tijd hierop reageerden.

Inmiddels worden ook steeds meer andere instrumenten van Curiosity uitgetest. Naast de geochemische instrumenten wordt bijvoorbeeld ook de samenstelling van de atmosfeer of de windkracht gemeten. De ‘geoloog op wielen’ heeft genoeg instrumentatie aan boord om onze nieuwsgierigheid naar de geologische processen op Mars de komende jaren nog behoorlijk aan te wakkeren. (Dit artikel is overgenomen van kennislink.nl)