Er niets zo moeilijk als veilig op Mars landen.
Als alles goed gaat, zal op 18 februari, om 21h55m MET, na een reisweg van 470 miljoen km en na zo’n 6,5 maanden, de Perseverance, de rover van de Mars 2020 missie (NASA) door de Marsatmosfeer duiken en landen in de Jezerokrater.
Deze krater, met een doorsnede van 45 km, bevatte ooit water en zag eruit als een meer. Dat dit water vloeibaar was, wordt toegewezen aan het warmere klimaat en aan actief vulkanisme zo’n 4,1 tot 3,7 miljard jaar geleden.
In die tijd was er zelfs zoveel water op Mars dat men gerust van oceanen kan spreken. Rond 3,5 tot 3 miljard jaar geleden ontstonden op Aarde de eerste levensvormen in de diepe oceanen en men vermoedt zo ook op Mars. Als we op zoek gaan naar sporen van microbiotisch leven in ons zonnestelsel dan is de Jezerokrater, volgens wetenschappers dé place-to-be.
Maar alvorens de rover stenen en bodemmonsters zal kunnen verzamelen, moet hij eerst veilig landen en dat is op Mars niet zo simpel. De aantrekkingskracht is er minder dan de helft van op Aarde en er is ook een, weliswaar dunne, atmosfeer met winden die soms snelheden tot meer dan 100 km/u halen. Laten we ook al het stof niet vergeten. Gelukkig is het stormseizoen nagenoeg voorbij, maar toch; slechts 40% van alle missies ooit naar Mars gezonden – door eender welke ruimtevaartorganisatie – waren succesvol.
“7 minutes of terror”!
De meest cruciale fasen van de missie zijn de Entry, de Descent en de Landing; het binnenkomen in de atmosfeer, de eigenlijke afdaling en het landen; in het kort noemen we dit de EDL.
Met een snelheid van 20 000 km per uur bereikt het ruimtevaartuig de bovenste laag van de Marsatmosfeer en 7 minuten later staat de Perseverance op het Marsoppervlak.
Tijdens dit nagelbijtend deel van de vlucht moeten er duizend-en-één zaken goed gaan, door het missieteam ook wel de “7 minutes of terror” genoemd. Het vergt dus een enorme programmeercreativiteit en precisie om van zo’n hoge snelheid naar nul te gaan en dan binnen een heel klein doelgebied heelhuids te landen.
Meer nog, de Perseverance voert de landing voorgeprogrammeerd uit en moet dus alles automatisch doen. Door de grote afstand tot Mars duurt het meer dan 11 minuten om een radiosignaal van Mars te ontvangen. Dat betekent dat op het moment het missieteam verneemt dat het ruimtevaartuig de atmosfeer binnengaat, de rover in werkelijkheid al op de grond staat!
We overlopen stap voor stap de fases die de Perseverance zal doormaken:
10 minuten voordat het ruimtevaartuig de atmosfeer binnendringt, werpt het zijn zonnepanelen, radio’s en brandstoftanks, die nodig waren tijdens de vlucht, af zodat alleen de beschermende aeroshell de daling aanvat. De aeroshell lijkt op twee grote cimbalen die tegen mekaar zitten waaronder de Perseverance en de afdalingskraan zitten. Het onderste deel doet dienst als hitteschild. Tijdens het begin van de afdaling ontsteekt ze haar kleine stuurraketten zodat het zichzelf kan positioneren, zodat het hitteschild naar voor gericht is.
Wanneer het ruimtevaartuig de Marsatmosfeer dan eindelijk binnendringt gebeuren er 2 zaken: door de wrijving met de atmosfeer ontstaat er weerstand die het ruimtevaarttuig aanzienlijk afremt maar tegelijkertijd ook enorm opwarmt. Vandaar dat er een hitteschild nodig is. 80 seconden na het binnenkomen van de atmosfeer moet het hitteschild een temperatuur van 1300 °C kunnen weerstaan terwijl het binnenin de aeroshell kamertemperatuur is.
Ook wordt er rekening gehouden met onregelmatige dichtheden in de Marsatmosfeer, de zogenaamde luchtzakken. Als de aeroshell hierdoor uit koers raakt, zal het de kleine stuurraketten laten ontbranden die de hoek en richting bijstellen.
We zitten nu op een snelheid van ‘nog maar’ 1600 km per uur. Dit is een veilige snelheid om de supersonische parachute, met een diameter van 21,5 m te ontvouwen. Dit is één van de kritieke momenten die perfect getimed moeten zijn. De Perseverance maakt hiervoor gebruik van een nieuwe technologie, range trigger genoemd. Het is eigenlijk heel simpel, de afstand tot de landingsplek wordt continu berekend zodat de parachute zich op het ideale tijdstip kan ontvouwen en dat is in dit geval 240 seconden na het binnenkomen van de atmosfeer, op een hoogte van 11 kilometer terwijl het ruimtevaartuig een snelheid heeft van 1512 km per uur.
Nog eens 20 seconden later wordt het hitteschild afgeworpen. De rover wordt nu voor de eerste maal blootgesteld aan de Marsatmosfeer. Tijd voor de camera’s en een aantal instrumenten om zich te richten op het snel naderend oppervlak. De landingsradar vangt de weerkaatste signalen van het oppervlak op om zo de hoogte te bepalen. Ondertussen maakt de volgende nieuwe EDL technologie zich klaar om van start te gaan: de terrain relative navigation.
Een hoge-resolutie camera scant snel de kenmerken van het oppervlak. Deze resultaten worden dan door de boordcomputer vergeleken met een kaart aan boord van de rover zodat hij naar een veilige plek toevliegt. Op voorhand werden door het missieteam een aantal veilige landingszones aangestipt. Als de Perseverance toch gevaarlijker terrein nadert, kan het zelf de veiligst bereikbare plaats in de buurt kiezen.
In de dunne Marsatmosfeer, kan de parachute de rover alleen maar vertragen tot 320 km per uur. Om een veilige landingssnelheid te bereiken moet de Perseverance zichzelf los haken van de parachute en voor de rest van de afdaling gebruikmaken van afremraketten.
Vlak boven de rover zit de raketaangedreven descent stage. Je kan het vergelijken met een soort spinachtig uitziende jetpack met 8 motoren die naar de grond gericht zijn. Deze motoren ontsteken wanneer de rover tot op ongeveer 2 100 meter boven de grond hangt. Wanneer de finale afdalingssnelheid tot 2,7 km per uur, of 75 cm per seconde is vermindert, is het tijd voor de laatste fase: het luchtkraan-manoeuvre.
Met nog 12 seconden tot de landing te gaan, op 20 meter boven het oppervlak, wordt de rover aan drie 6,4 m lange nylonkoorden naar beneden gelaten. Tegelijk worden de ‘poten’ en wielen van de rover in landingspositie gezet. Van zodra de wielen van de rover de grond raken, worden de koorden doorgesneden. De descent stage zal nu terug omhoog wegvliegen en op veilige afstand van de rover crashen.
De eerste taak is het nemen van foto’s van de omgeving en ze meteen doorsturen; hopelijk krijgen we die ook op 18 februari te zien. Van zodra Percy operationeel is zal het bodemmonsters verzamelen, verpakken en op bepaalde plaatsen deponeren, waar ze later door een toekomstige NASA-ESA “Mars sample return”-missie naar de Aarde gebracht zullen worden. Aan boord bevindt zich ook een opmerkelijke kleine helikopter van slechts 1,8 kg, de Ingenuity. Het eerste vliegend tuig op een ander hemellichaam zal een technologie demonstratie zijn. Maar zal tijdens de eerste 30 dagen vijfmaal opstijgen en het landschap in de buurt fotograferen om interessante plekken te zien waar Percy een kijkje moet nemen.
Er wachten ons hopelijk nog boeiende resultaten en tijden.
De E(ntry), D(escent) en L(anding) van de Perseverance wordt op 18 februari, live uitgezonden vanaf 20h15m MET en je kan het hier volgen.