De aanstaande maanmissie van India, Chandrayaan-2, zal voor het eerst dicht bij de zuidpool van de maan landen en daar op zoek gaan naar onder meer waterijs.

Het is bijna 60 jaar geleden dat de Russische Luna-2 voor het eerst op het oppervlak van de maan kwam. Daarna volgden vele andere missies, waaronder zes bemande Apollo missies. De maan is op astronomische schaal heel dichtbij: gemiddeld 384.000 kilometer. Het eerst daaropvolgende hemellichaam is Venus met minimaal 41 miljoen kilometer. Mars komt daarna met een minimale afstand van 56 miljoen kilometer. Onbemand reizen naar de maan lijkt daarom toch niet zo ingewikkeld te moeten zijn. Maar waar je ook een ruimtesonde landt, het blijft een uitdaging. Daarom is de aanstaande Chandrayaan-2 missie van de Indiase ISRO nog altijd een bijzondere.

Uit de schaduw
De ISRO (Indian Space Research Organisation) staat nog altijd in de schaduw van de andere ruimtevaartagentschappen, zoals de Amerikaanse NASA, de Europese ESA, de Russische Roscosmos, of de Chinese CNSA. Toch zou je de ISRO, opgericht in 1969, absoluut niet mogen vergeten. De organisatie is namelijk in staat om met een minimaal budget veel te bereiken. Zo heeft ISRO de laatste jaren ook enkele records op zijn naam gezet. In 2013 heeft de ruimtevaartorganisatie een onbemande missie naar Mars (Mangalayaan) op poten gezet voor slechts 73 miljoen dollar (ter vergelijking: een NASA Marsmissie zoals MAVEN kostte al 631 miljoen dollar). Deze Mangalayaan-missie zorgde ervoor dat ISRO het eerste ruimteagentschap werd met een direct succesvolle poging om in een baan rond Mars te komen. Daarbij was het ook het eerste Aziatische ruimtevaartagentschap dat Mars wist te bereiken. Daarnaast vestigde de ISRO in 2017 een nieuw record door 104 satellieten met één lanceerraket de ruimte in te brengen (bijna driemaal meer dan het vorige Russische record van 37 satellieten).

Voorganger
En nu is het dus tijd voor een maanmissie: Chandrayaan-2. Als er een Chandrayaan-2 is, dan moet er dus ook een Chandrayaan-1 geweest zijn. Deze voorganger bestond uit een maansatelliet en een lander. Deze lander was niet bedoeld om netjes te landen, maar moest op een gecontroleerde manier crashen. Dit gebeurde op 14 november 2008. De redenen voor deze crash waren zowel technologisch, wetenschappelijk als politiek van aard. Technologisch, omdat de ISRO demonstreerde dat het mogelijk was om op een specifieke plek op de maan te landen, zodat een toekomstige missie een gecontroleerde zachte landing zou kunnen maken. Wetenschappelijk, omdat hiermee de bodem vlak na de impact kon worden bestudeerd door de maansatelliet. En politiek, omdat India hiermee duidelijk maakte dat het ook meespeelde in de ruimtevaart. Daarnaast zei voormalig president van India en ruimtevaarttechnicus, Abdul Kalam (1931-2015), in 2008 dat hiermee duidelijk werd dat de maan van iedereen is. Het contact met de Chandrayaan-1-maansatelliet is al op 28 augustus 2009 verloren gegaan, nadat deze 3000 rondjes rond de maan gemaakt had en 70.000 foto’s van het maanoppervlak had afgeleverd. De ondergang van de maansatelliet kwam wat eerder dan verwacht; ISRO had gehoopt dat de missie twee jaar zou duren. Ondanks dat de missie versneld ten einde kwam, heeft deze toch nieuwe inzichten opgeleverd. Eén van de belangrijkste ontdekkingen van Chandrayaan-1 is toch wel dat er waterijs op de maan te vinden is. Dit waterijs kan stand houden op de bodem van diepe kraters wanneer die bodem permanent beschaduwd is. Waterijs is nuttig voor een toekomstige maanbasis. Daarnaast is het bestuderen van de zuidpool interessant omdat het ons meer kan vertellen over het vroegere zonnestelsel en het ontstaan van de maan zelf. Het is zelfs zo dat het water wijdverspreid blijkt te zijn.

Locaties op de maan met waterijs. Bron: NASA.


Chandrayaan-2 missie
Nu, bijna 10 jaar later, krijgen we dus een vervolg op Chandrayaan-1. Het lijkt misschien gebrek aan creativiteit, maar de naam ‘Chandrayaan’ is een prima naam, want het komt uit het Sanskriet en betekent zoiets als ‘maanvoertuig’.
Het idee voor Chandrayaan-2 was al ontstaan in 2007, voordat Chandrayaan-1 gelanceerd was. Oorspronkelijk zou ISRO samenwerken met het Russische Roscosmos, waarbij de Russen de lander zouden ontwikkelen. Chandrayaan-2 zou dan in 2013 al gelanceerd worden, maar dit werd verschoven naar 2016, omdat Roscosmos niet op tijd klaar zou zijn. Na de mislukte Phobos-Grunt missie naar Mars en financiële problemen, trok Roscosmos zich volledig terug en stond ISRO er alleen voor. Het hele project is daardoor enorm veranderd. Als gevolg is de lanceerdatum een aantal keer verschoven. Dit heeft uiteindelijk geresulteerd in een lancering in januari 2019. Dan zal Chandrayaan-2 met een Geosynchronous Satellite Launch Vehicle MK-3 draagraket vanaf Sriharikota op weg naar de maan gaan.

GSLV MK-3 lancering van ISRO. Bron: ISRO (via Wikimedia Commons).


Baan
Het kost te veel energie om in één directe beweging in een baan rond de maan te komen. Dus, net als bij de meeste missies, zal Chandrayaan-2 eerst een paar banen rond de aarde beschrijven, door met kleine verbrandingen in een steeds elliptischere baan te komen. Deze zal vervolgens groot genoeg zijn om in de invloedssfeer van de gravitatie van de maan te komen. Dit betekent dat het maanvoertuig een elliptische baan rond de maan zal beschrijven. Daarna zal Chandrayaan-2 moeten afremmen om in een steeds meer cirkelvormige baan te komen, met als einddoel om in een cirkelvormige baan op 100 km hoogte vanaf het oppervlak te komen. Dit hele proces kost ongeveer drie weken.

Verschillende banen die Chandrayaan-2 beschrijft, voordat deze in zijn uiteindelijke baan rond de Maan komt. Bron: V. Sundararajan. Overview and Technical Architecture of India’s Chandrayaan-2 Mission to the Moon. AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida.

Onderdelen
Chandrayaan-2 bestaat uit een satelliet en een lander met een rover. De 2379 kilogram wegende satelliet zal de maan vanaf 100 kilometer hoogte bestuderen. De satelliet heeft een drie-assige stabilisatie met reactiewielen om de juiste oriëntatie ten opzichte van de maan, de zon en de aarde te houden om respectievelijk data te verzamelen, de zonnepanelen te voeden en contact met het thuisfront te houden. Er zijn twee ‘star-trackers’, die de positie van de sterren bijhoudt om zo de positie van de satelliet te bepalen. Twee hoogtemeters helpen dan om de hoogte vanaf het maanoppervlak nauwkeurig bij te houden. Met twee snelheidsmeters kan daarnaast de snelheid nauwkeurig worden bijgehouden. Deze maansatelliet zal een jaar moeten kunnen functioneren. De Vikram-lander is vernoemd naar Vikram Sarabhai (1919-1971), die bekend staat als de vader van het Indiase ruimtevaartprogramma. Deze 1471 kilogram wegende lander zal, in tegenstelling tot Chandrayaan-1, gaan voor een zachte landing. Op ongeveer 600 kilometer van de zuidpool van de maan, zal dit de meest verre landingsplaats vanaf de evenaar ooit zijn. Om hier te komen zal de lander, nadat deze loskomt van de maansatelliet, een afremming moeten maken om gecontroleerd op zijn vier voeten te landen. Dit gebeurt autonoom. De navigatie tot aan de landingsplaats wordt gedaan doormiddel van een traagheidsnavigatie-systeem. Deze meet de bewegingen van het voertuig met behulp van accelerometers, gyroscopen en magnetometers. Het is de bedoeling dat de lander in ieder geval één maan-dag moet kunnen blijven leven (dit is gelijk aan 14 dagen op aarde), omdat de lander zonlicht nodig heeft om te blijven functioneren.

Een model van de Chandrayaan-2 rover, tijdens een test. Bron: ISRO.

Na de landing zal de 27 kilogram wegende rover uit de lander komen. Deze zal met zijn zes gemotoriseerde wielen in half-automatische modus over de maan bewegen. De rover gebruikt zes wielen, zodat deze zich als een tank kan voortbewegen. Dit houdt in dat het systeem keert door de wielen met een verschillende snelheid te roteren. Energie komt van de zon doormiddel van zonnepanelen. De rover gebruikt twee navigatiecamera’s en een smalle radio-antenne voor communicatie met de lander. De lander zal de informatie doorgeven aan de aarde. Net als de lander zal de rover één dag op de maan moeten kunnen overleven. Of de rover de nacht overleeft, is nog de vraag.

Illustratie van de Chandrayaan-2 rover, satelliet en lander. Bron: V. Sundararajan. Overview and Technical Architecture of India’s Chandrayaan-2 Mission to the Moon. AIAA SciTech Forum, 8-12 January 2018, Kissimmee, Florida.

Wetenschappelijke instrumenten
Chandrayaan-2 gaat ons niet alleen meer vertellen over de aanwezigheid van en hoeveelheid water(ijs) op de maan; hopelijk worden we ook wat wijzer over de topografie, het maanoppervlak, de mineralen, hoeveelheden van verschillende elementen en de exosfeer (dit is een andere naam voor een enorm dunne atmosfeer). Hiervoor heeft de maanverkenner verschillende instrumenten nodig. De maansatelliet heeft een Solar X-Ray Monitor aan boord om zo de röntgenstraling afkomstig van de zon te bestuderen. De verschillende hoeveelheden mineralen gaan in kaart worden gebracht door een ‘Collimated Large Array Soft X-ray Spectrometer’. Een specifieke camera, de ‘Terrain Mapping Camera 2’, gaat de maan doormiddel van foto’s in kaart brengen. Het maanoppervlak gaat bestudeerd worden door gebruik te maken van radiogolven van de ‘Synthetic Aperture Radar’. Daarnaast is er de ‘Chandra’s Atmospheric Composition Explorer’. Dit is een massaspectrometer die isotopen en moleculen in de exosfeer zal meten. Tot slot heeft de satelliet een ‘Orbiter High Resolution Camera’ om de optimale landingsplaats van de lander en rover te zoeken. De lander zal voorzien zijn van de seismometer genaamd ‘Lunar Seismic Activity’ om maanbevingen te meten, om zo onder andere meer te weten te komen over de kern van de maan. Daarnaast gaat de lander temperatuurmetingen verrichten met het ‘Chandra’s Surface Thermophysical Experiment’. Het is voor het eerst dat die metingen op de maan worden gedaan. Ook zal de lander kijken naar de plasmadichtheid met de ‘Radio Anatomy of Moon Bound Hypersensitive Ionosphere and Atmosphere Probe’. Het derde onderdeel, de rover, heeft een ‘Laser-Induced Breakdown Spectroscope’ mee die de aanwezigheid van hydroxyl-ionen (OH-) en moleculair water (H2O) zal bestuderen. Als laatste is er de ‘Alpha Particle X-Ray Spectrometer’ die metingen zal doen aan alfa-deeltjes, protonen en röntgenstralen van radioactieve bronnen.

Toekomst
De totale kosten van de missie komen op ‘slechts’ een dikke 100 miljoen euro. Voor een missie naar de maan is dit vrij goedkoop. Dit is volgens ISRO-directeur Sivan te danken aan de simplificatie en efficiëntie van de hele ontwikkeling en uitvoering van de missie. ISRO is van plan om in de toekomst nog meer uitdagende missies te gaan doen met een klein budget. Een volgende stap is een retourtje naar de maan, om zo materiaal mee terug naar de aarde te nemen. Verder wordt er gedacht aan een missie naar Venus en Mars met landing. Zelfs een landing op een planetoïde behoort tot de ideeën. Kortom: dit is een ruimtevaartland om goed in de gaten te houden!

Jurjen de Jong (1993) heeft een bachelor wiskunde en bachelor natuurkunde behaald in Utrecht en een master wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. En nu rondt hij de master-na-master in Space Studies in Leuven af met een stage bij de ESA. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen en ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Zijn artikelen verschijnen niet alleen op Scientias.nl, maar ook op een blog die hij recent lanceerde: Asbronomers.com. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de Parker Solar Probe: een ruimtesonde die binnenkort de zon gaat ‘aantikken’ en de veelbesproken Riemann-hypothese.