Alles wat je moet weten over NASA’s onbemenste maanmissie

KIJK-redactie

05-09-2022 09:00:00

space launch system

Zaterdag 3 september, om acht uur Nederlandse tijd, zal de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie opnieuw proberen zijn reusachtige Space Launch System te lanceren.

Update maandag 5 september: Voor de tweede keer heeft de NASA de lancering van de SLS-raket moeten uitstellen. Technici ontdekten een lek rond een koppelstuk dat vloeibare waterstof vanuit de grondinstallatie de raket in moet helpen. Pogingen om het lek te dichten, mislukten. De eerstvolgende poging zou 5 september zijn, maar doordat er meer tijd nodig is om de raket te repareren, wordt de lancering met enkele weken uitgesteld.

Met een hoogte van 98 meter is NASA’s Space Launch System (SLS) niet de grootste raket die de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie ooit naar de ruimte stuurde. De Saturnus V-raket die in 1969 Neil Armstrong, Buzz Aldrin en Michael Colins naar de maan bracht, was met 111 meter net een tikje hoger. Maar het SLS is wél de krachtigste raket die de Amerikanen ooit bouwden. Vanaf het moment van ontsteking totdat hij in de ruimte is, levert hij ruim 15 procent meer stuwkracht dan de Saturnus V.

Space Launch System

Die stuwkracht heeft SLS ook wel nodig. De eerste versie van de reusachtige raket moet dik 26.000 kilo aan lading mee kunnen zeulen. De raket brengt die lading ook niet zomaar een stukje de ruimte in: het SLS moet zijn vracht genoeg vaart meegeven om vanaf de aarde naar de maan te vliegen, in een hoge baan om de maan te brengen, en weer terug naar huis te laten keren. De Orioncapsule die door de raket omhoog wordt geschoten, is op zijn verste punt 450.000 kilometer van onze planeet vandaan; verder dan mensen ooit zijn geweest. Een latere versie van de krachtpatser moet zelfs 45.000 kilo aan lading naar de maan brengen.

In 2025 moeten er weer ruimtevaarders voet op de maan zetten, waaronder de eerste vrouw

Op papier ziet dat er allemaal heel mooi uit. Maar SLS moet het nog wel even waar gaan maken. Als het weer meewerkt en er geen fouten in de techniek worden gevonden, krijgt de raket daar op 3 september een nieuwe kans voor. De eerdere poging van maandagmiddag 29 augustus mislukte namelijk, nadat er problemen waren ontdekt met een van de vier motoren van de hoofdtrap van de raket. Die bereikte niet de benodigde temperatuur.

Lukt de lancering morgenavond wel, dan moet de testmissie bepalen of SLS, de Orioncapsule én de missieleiding en techniek op de grond (de Exploration Ground Systems) volgens plan werken. Als dat zo is en de vlucht een succes blijkt, gaat het Artemisprogramma – vernoemd naar de Griekse godin van de jacht en de maan – zijn volgende fase in. Dan beginnen de NASA en haar partners met de voorbereiding van de eerste bemande vlucht in 2024. Een jaar later moeten er weer ruimtevaarders voet op de maan zetten, waaronder de eerste vrouw.

Oranje reus

Maar eerst die testvlucht. Artemis I vertrekt vanaf het Kennedy Space Center in Florida. In aanloop naar die lancering wordt de SLS-raket met een enorm platform op rupsbanden naar lanceerplatform 39B gereden. Zodra alle systemen zijn gecheckt, begint het aftellen. Met nog vijf seconden op de klok worden de vier RS-25-motoren van het SLS ontstoken. Zodra die op volle kracht zijn, begint de raket aan zijn weg omhoog. De eerste secondes lijkt hij nog omhoog te kruipen, maar gaandeweg gaat hij steeds sneller. Tot hij met een topsnelheid van bijna 40.000 kilometer per uur door de lucht scheert.

In twee minuten tijd jagen de twee witte boosterraketten aan de zijkant van de raket er ruim 1,35 miljoen kilogram stuwstof doorheen. Daarna koppelen ze los en storten ze neer in de Atlantische Oceaan, zodat ze kunnen worden teruggevonden en opnieuw gebruikt. Een minuut daarna laat het omhulsel los dat de Orioncapsule tijdens de eerste fase van de lancering moet beschermen. Ook het launch abort system koppelt los; dit is een reddingssysteem dat de capsule in veiligheid kan brengen als er aan het begin van de rit iets misgaat. Na een vlucht van acht minuten is Orion in de ruimte. De reusachtige oranje hoofdraket wordt losgekoppeld en valt naar de aarde. Orion vliegt vanaf dat moment zelfstandig verder.

De terugreis van de Orioncapsule is een van de belangrijkste onderdelen van de eerste Artemis I-missie

Zo’n vijftig minuten na het begin van de lancering klapt de capsule zijn zonnepanelen uit. Ruim een halfuur later laat een tweede, kleinere rakettrap twintig minuten lang zijn motor branden om Orion te helpen ontsnappen aan de aardse zwaartekracht en te laten beginnen aan zijn verdere reis naar de maan.

Als alles volgens plan verloopt, keert de capsule 26 dagen later terug op aarde. Die terugreis is een van de belangrijkste onderdelen van de eerste Artemis I-missie, omdat die test vormt voor de hitteschilden van de capsule. Deze hitteschilden, die Orion moeten beschermen, krijgen in de dampkring een hitte van ruim 2700 graden Celsius te verduren.

Space Launch System

Oude bekende

Hoewel het SLS wordt ingezet voor een onbemande vlucht naar de maan en er binnen een paar jaar vracht en astronauten naartoe moet brengen, had de raket oorspronkelijk een veel breder doel. In 2011, toen de NASA van het Amerikaanse Congres de opdracht kreeg een nieuwe raket te ontwerpen, was het doel van die raket om ruimtevaarders naar het internationale ruimtestation ISS te brengen.

Ook missies naar Mars waren een belangrijke stip aan de horizon. “In 2017 werd zelfs in de wet vastgelegd dat de NASA in de toekomst mensen op Mars moet zetten”, vertelt Artemis Westenberg. Ze is medeoprichter van Explore Mars, een stichting die hoopt in 2033 mensen op Mars te krijgen. Dat de NASA nu eerst naar de maan gaat, komt volgens Westenberg door voormalig president Donald Trump, die in 2019 alle pijlen op het zusje van onze planeet richtte. “Trump wilde de glorietijd van zijn jeugd herleven en net zo’n beroemd ruimtevaartprogramma opzetten als John F. Kennedy. En dus werd Mars tijdens zijn presidentschap op de lange baan geschoven en kreeg de maan voorrang.”

De drijvende kracht achter het SLS is een oude bekende. De hoofdraket is namelijk voorzien van hetzelfde type motor als die van de spaceshuttles die de NASA dertig jaar lang de ruimte in stuurde. Waar de spaceshuttle drie van die RS-25-motoren gebruikte, heeft het SLS er vier. De motoren zijn door fabrikant Aerojet Rocketdyne nog wel iets aangepast. Omdat tijdens het shuttleprogramma herbruikbaarheid voorop stond, werden de RS-25’s niet maximaal belast, zodat ze niet beschadigd zouden raken. In het Artemisprogramma leveren de motoren veel meer vermogen, zodat ze Orion genoeg vaart kunnen geven om de maan te bereiken. Kanttekening is wel dat de RS-25’s maar één keer te gebruiken zijn, doordat ze bij maximale belasting sneller slijten.

Orioncapsule aan boord van Space Launch System
De eerste vlucht van het Artemisprogramma is onbemenst. Op een later moment moet deze Orioncapsule ruimtevaarders naar de maan brengen. En terug. © NASA

Nostalgische kegel

Wanneer SLS Orion zijn zetje naar de maan heeft gegeven, hebben de vier RS-25-motoren samen ruim 2,7 miljoen liter stuwstof verbruikt. De motoren werken op vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof, die afzonderlijk van elkaar in de raket liggen opgeslagen. Wanneer die twee stoffen bij elkaar komen in de brandende motoren, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij die de raket omhoogduwt.

De twee losse boosters aan de zijkant van de raket werken volgens een ander principe. Ze gebruiken geen vloeibare stuwstof maar vaste; een mengsel gemaakt van de stoffen ammoniumperchloraat, aluminiumpoeder en een organisch bindmiddel. Steek je zo’n booster aan, dan ontbrandt alle brandstof die erin zit zo snel mogelijk. In die zin zijn dit soort boosters vergelijkbaar met vuurpijlen – maar dan wel met elk een miljoen liter stuwstof.

Orion heeft wat slimmigheden overgenomen uit het spaceshuttleprogramma

De boosterraketten zijn bijna identiek aan degene die de NASA gebruikte tijdens het spaceshuttleprogramma. Ze zijn alleen een slagje groter, zodat ze 25 procent meer brandstof mee kunnen nemen dan hun voorgangers. Dat gebruikmaken van bestaande apparatuur past binnen de wensen van het Amerikaanse Congres, dat in 2011 bepaalde dat het SLS zoveel mogelijk bestaande techniek moest inzetten. Die moest afkomstig zijn uit de spaceshuttle en het geschrapte Constellationprogramma (2005-2009), waarmee de NASA astronauten naar de maan en Mars wilde brengen.

Orion is de belangrijkste erfenis van dat Constellationprogramma. De door Lockheed Martin gebouwde capsule biedt plek aan maximaal zes mensen en kan tot zes maanden in de ruimte blijven. Het voertuig oogt nostalgisch. Met zijn kegelvormige uiterlijk doet het denken aan de Apollocapsules van een halve eeuw geleden. Die vorm zorgt ervoor dat Orion tijdens de lancering minder last heeft van luchtweerstand.

Orion heeft ook wat slimmigheden overgenomen uit het spaceshuttleprogramma. Net als bij de shuttles is Orion voorzien van een hitteschild dat verdampt bij terugkeer in de dampkring. Daardoor is de capsule maximaal tien keer opnieuw te gebruiken. Nieuw hitteschild erop, alle noodzakelijke checks en tests doorlopen, en gaan.

Artemis Moon Base
De NASA wil een vaste basis op de zuidpool van de maan bouwen. In die Artemis Moon Base moeten vier astronauten kunnen wonen en werken. © RAD SINYAK /NASA

Geen kopie

Dat er voor Orion veel inspiratie is gehaald uit eerdere NASA-programma’s, wil niet zeggen dat er voor de capsule alleen maar ideeën zijn gebruikt uit de spaceshuttle- en Constellationprogramma’s. De European Service Module (ESM), het onderdeel van Orion dat onder andere energie levert aan de capsule, haalt zijn inspiratie uit een ander project. De ESM is namelijk gebaseerd op het Automated Transfer Vehicle (ATV) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Tussen 2008 en 2015 stuurde de ESA vijf van die onbemande en zelfsturende goederenschepen naar de ruimte, om het ISS te bevoorraden.

Hoewel de ESM is gebaseerd op de ATV, is dit onderdeel geen exacte kopie, zegt Philippe Berthe, een projectmanager van de Europese servicemodule. “We hebben niet gewoon een ATV onder Orion geplakt. De hele ESM is vanaf de grond af aan opnieuw ontworpen. Maar het team dat de servicemodule heeft bedacht, is wel grotendeels hetzelfde als het ATV-team. Daardoor konden we goed gebruikmaken van de expertise die we hebben opgedaan bij ATV.”

Zonder de servicemodule houden Orion en zijn crew het niet lang uit in de koude, kille ruimte. De door ESA ontwikkelde ESM levert naast energie water, zuurstof en stikstof aan de crewmodule, het deel van het ruimtevaartuig waar de astronauten zich bevinden. Daarnaast regelt de 4 meter hoge ESM de temperatuur aan boord.

De module telt in totaal 33 motoren. Die worden van stuwstof voorzien door vier tanks, met elk 2000 liter monomethylhydrazine en gemengde stikstofoxiden erin. De hoofdmotor, een hergebruikte en gerenoveerde motor uit een spaceshuttle, zorgt voor de voortstuwing in de ruimte. Acht stuwmotoren dienen als back-up voor de hoofdmotor en kunnen ook worden ingezet om Orions koers te corrigeren. Nog eens 24 kleinere motoren zijn in groepjes van zes over de ESM verdeeld. Door ze in- of uit te schakelen, kunnen astronauten aan boord van Orion sturen en roteren.

Zonder servicemodule houden Orion en zijn crew het niet lang uit in de koude, kille ruimte

Veiligheid voor alles

Wie zijn ruimtevaartgeschiedenis een beetje kent, weet dat het tijdens de noodlottige Apollo 13-missie juist bij de servicemodule misging. Toen veroorzaakte kapotte elektrische bedrading een vonk in een zuurstoftank. De daaropvolgende explosie legde servicemodule Odyssey lam, waardoor astronauten Jim Lovell, Fred Haise en Jack Swigert niet alleen bijna zonder zuurstof kwamen te zitten, maar er ook amper nog elektriciteit aan boord was.

Hoewel je nooit met zekerheid kunt stellen dat een ongeluk niet gebeurt, is de kans daarop bij Orion volgens Berthe extreem klein. Anders dan Apollo is de nieuwe capsule voor zijn energie niet afhankelijk van een aantal zelf meegebrachte brandstofcellen. Het voertuig wekt zijn eigen elektriciteit op met behulp van vier 19 meter lange, uitvouwbare vleugels met zonnecellen. En waar de NASA bij de Apollomissies soms snelheid boven veiligheid stelde (de Amerikanen wilden immers eerder op de maan zijn dan de Sovjets), is het bij Orion veiligheid wat de klok slaat.

“Bij cruciale systemen is zoveel mogelijk een reservesysteem ingebouwd om in geval van nood op terug te vallen. En in sommige gevallen heeft dat reservesysteem ook weer een back-up. We noemen dat double redundancy”, zegt Berthe. “Als een systeem faalt, komt de missie niet meteen in gevaar. En als de back-up ook hapert, kunnen astronauten nog altijd veilig terug naar huis. De systemen waar we geen reserves voor kunnen meesturen, zoals de bouwkundige structuur van de capsule, zijn rigoureus getest in testfaciliteiten over de hele wereld.”

Starship
Het Human Landing System van het Amerikaanse bedrijf SpaceX is afgeleid van het ruimteschip Starship dat nu nog volop wordt gebouwd en getest. © NASA

Een week op de maan

Als Artemis I een succes is en alles volgens planning verloopt (wat vaak niet zo is in de ruimtevaart), zullen er in 2025 voor het eerst in ruim vijftig jaar weer mensen voet op de maan zetten. Het voertuig dat ze naar het maanoppervlak moet brengen, het Human Landing System (HLS), vliegt niet met de astronauten mee. In plaats daarvan moet het voorafgaand aan de lancering van Artemis III in een baan om de maan worden gebracht, waar de astronauten het oppikken. Nadat ze HLS aan Orion koppelen, klimmen twee astronauten aan boord en beginnen aan de afdaling.

Of HLS in 2025 al klaar is voor gebruik, valt te bezien. Het toestel wordt nog ontwikkeld bij Elon Musks ruimtevaartbedrijf SpaceX, dat in april 2021 het contract hiervoor in de wacht sleepte. De maanlander moet een afgeleide worden van het ruimtevoertuig Starship dat SpaceX aan het testen is. Starship HLS lijkt straks in elk geval meer op een raket dan op de maanlanders uit het Apollotijdperk. Het voertuig is voorzien van zes motoren en moet verticaal op de maan landen. Tijdens het laatste stukje van de landing nemen drie kleine stuwraketten het over, zodat Starship HLS zacht aan de grond komt en niet te veel maanstof omhoog blaast. Dat kan bij het neerdalen terechtkomen in instrumenten op het maanoppervlak.

Een bemenst bezoek aan Mars staat nog altijd hoog op het verlanglijstje van de NASA

De stuwstof voor de landing neemt het voertuig overigens niet zelf mee, maar haalt hij op bij een depot dat SpaceX in een baan om de aarde wil brengen. Het ritje naar het zwevende tankstation en het volgooien van de tank moet volledig automatisch gaan.

Bij die eerste nieuwe maanlanding moeten de astronauten bijna een volle week op de maan blijven. Dat is aanzienlijk meer dan de 75 uur die de bemanning van Apollo 17 er verbleef. Maar zelfs die week verbleekt bij de plannen die de NASA heeft voor de toekomst. Naast een ruimtestation in een baan om de maan, Gateway genaamd, wil de ruimtevaartorganisatie ook een vaste basis op de zuidpool van de begeleider van de aarde aanleggen. Die basis, Artemis Moon Base, moet plek bieden aan vier astronauten, die het terrein verkennen met maanrovers.

Voor langere missies op het maanoppervlak wil de NASA een Habitable Mobility Platform (HMP) ontwerpen: een soort caravan waarin ruimtevaarders maximaal 45 dagen moeten kunnen rondrijden en wonen. De onderdelen voor zowel Gateway als het Artemis Base Camp gaan overigens niet met de astronauten mee. Het plan is ze zelfstandig naar de maan te vliegen, met SLS-raketten die zo zijn aangepast dat ze vracht kunnen vervoeren.

Human Landing System
Het zogenoemde Human Landing System (HLS) moet ruimtevaarders van en naar het maanoppervlak brengen. De lander wordt voorafgaand aan de Artemis IIImissie in een baan om de maan gebracht. © NASA

De rode planeet

En dan is er daarna Mars. Want hoewel het Artemisprogramma draait om de maan, staat een bemand bezoek aan de rode planeet nog altijd hoog op het verlanglijstje van de NASA. De techniek die de NASA en haar partners de afgelopen jaren ontwikkelden voor Artemis kan ook aan die missie bijdragen. Niet alleen zijn het SLS en Orion in eerste instantie ontworpen met verdere reizen in het achterhoofd, ook de diverse onderdelen van het Artemis Base Camp kunnen waarschijnlijk in aangepaste vorm op Mars worden gebruikt.

“Als je Mars wil verkennen, heb je een voertuig zoals de HMP nodig. Dat voertuig zou, net als bij de maan, zelfstandig naar de rode planeet gebracht moeten worden”, zegt Westenberg van Explore Mars. “De kennis die de NASA, de ESA en commerciële bedrijven opdoen met deze maanmissies, brengt ons straks ook naar Mars.”

Dit artikel staat ook in KIJK 2/2022.

Meer informatie:

Tekst: Nick Kivits

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Nieuws