Door Joris Jansen

Redacteur

Hayabusa(2) en Osiris-REx

Even een stukje asteroïde halen

De kunst van het landen op een asteroïde

Het is al een kunst om er te arriveren. Even vliegen naar een relatief klein rotsblok op honderden miljoenen kilometers van de aarde is geen kwestie van genoeg brandstof meenemen en in een rechte lijn er zo snel mogelijk heen scheren. Vaak vergt het meerdere keren het uitvoeren van diverse zwaartekrachtslingers, om zodoende van de aantrekkingskracht van bijvoorbeeld de aarde gebruik te maken om de snelheid enorm op te voeren.

Rosetta

Daarbij hielp de zwaartekracht van de zon bijvoorbeeld bij Hayabusa2 ook nog een handje, waarmee de kruissnelheid van dat ruimtevaartuig zo'n elf dagen na diens lancering al op ruim 32km/s zat. Vervolgens moet het kleine ruimtevaartuig uiteindelijk in de onmetelijke ruimte zijn doel naderen, tijdig afremmen en in een baan om de asteroïde komen. En daarbij is de vluchtleiding in feite blind, want communicatie verloopt door de afstand met de nodige vertraging. Bij Rosetta was sprake van turnaround times voor de signalen tot wel 100 minuten. Bij die signalen ging het ook nog om een bandbreedte van slechts 8bit/s. En door de aanzienlijke afstand van de zon van 3.1AU, ofwel een kleine 450 miljoen kilometer, konden de zonnepanelen van Rosetta niet veel energie opwekken, ook al waren die cellen specifiek geschikt om te opereren op een afstand van de zon van meer dan 800 miljoen kilometer. Daar is de kracht van het zonlicht ongeveer 4 procent van die op aarde.

Eenmaal aangekomen op de plek van bestemming begint het bestuderen van het rotsblok, wat uiteindelijk moet uitmonden in een succesvolle landing. De praktijk wijst uit dat ook dit geenszins eenvoudig is, onder meer door de lage zwaartekracht en het feit dat het oppervlak van een asteroïde niet altijd zo egaal en gaaf is als een biljartlaken.

Rosetta's Philae: landen en blijven staan

Veilig neerkomen is één ding, maar blijven staan is ook niet bepaald gegarandeerd. Dat bleek tijdens de Rosetta-missie van de ESA, die in november 2014 zijn hoogtepunt kende. Na een reis van ongeveer tien jaar door het zonnestelsel arriveerde Rosetta op 6 augustus 2014 bij komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Op dat moment stond het rotsblok op ongeveer 405 miljoen kilometer van de aarde; ten tijde van de landing was dat 510 miljoen kilometer. Op 12 november 2014 werd Rosetta's lander genaamd Philae ontkoppeld met als doel te landen. Dat lukte, waarmee Philae het eerste ruimtevaartuig werd dat erin slaagde om op een komeet te landen. Overigens was NEAR Shoemaker van de NASA het eerste ruimtevaartuig dat in een baan om een asteroïde kwam en daar ook op wist te landen. Dat laatste gebeurde op 12 februari 2001, waarbij onverwacht werd gestuiterd op asteroïde Eros.

Terug naar Philae. Deze lander had letterlijk moeite zich staande te houden en vertoonde eveneens het gedrag van een stuiterbal. Op 22,5 kilometer van de komeet werd Philae losgelaten en in een tijdsbestek van zeven uur daalde de lander heel voorzichtig en traag af naar het oppervlak, zonder geleiding of aandrijving. Uiteindelijk raakte de lander het rotsblok met een snelheid van 1 meter per seconde, maar toen ging er iets mis. De harpoenen die de lander moesten 'vastnagelen', werkten niet. De terugslag van de harpoenen moest worden tegengegaan door een thruster, bedoeld om het vaartuig tegen het oppervlak aan te duwen.

Het resultaat was dat Philae weer de lucht in ging. Tijdens deze grote stuit bevond Philae zich een uur en vijftig minuten in de lucht voordat ie weer neerkwam. Daarbij haalde Philae een hoogte van ongeveer 1 kilometer en ook in horizontale richting werd ongeveer die afstand afgelegd. Vervolgens vond een tweede, kleinere stuit plaats, waarbij de lander ongeveer zeven minuten in de lucht was, om daarna toch definitief te landen.

De onbedoelde locatie waar Philae uiteindelijk terechtkwam

Bij de eerste grote stuit steeg Philae op met een snelheid van 38 centimeter per seconde. De ontsnappingssnelheid vanaf de komeet lag op 50 centimeter per seconde. Het scheelde dus niet veel of Philae had een te hoge opwaartse snelheid, waardoor het vaartuig waarschijnlijk nooit meer was geland en zijn verdere dagen in de ruimte had moeten slijten. Dit is het gevolg van de zeer lage zwaartekracht op 67P/Churyumov-Gerasimenko, waardoor Philae slechts 1 gram woog. Bij de minste of geringste beweging zou er al een kans bestaan om van de grond te komen.

Een extra complicatie die altijd een gegeven is bij dit soort missies, is de afstand tot de aarde. Bij 510 miljoen kilometer verloopt even naar huis bellen met een vertraging van 28 minuten. Dat leidde tot de situatie waarin de wetenschappers in het Duitse Darmstadt na het ontvangen van het touchdownsignaal begonnen te jubelen, terwijl Philae alweer in de ruimte was. Philae werd pas op 2 september 2016 weer ontdekt door een hogeresolutiecamera van Rosetta. Dat was vlak voor het geplande einde van de missie, waarbij Rosetta afdaalde naar de komeet. Door zijn oriëntatie was communicatie met Philae erg moeilijk.

Osiris-REx en landen op ruw terrein

Op basis van observaties vanaf de aarde werd aangenomen dat Bennu een redelijk glad oppervlak met regoliet had. Regoliet is de benaming voor een losse toplaag met losliggend materiaal. Het zou gaan om deeltjes of gruis van minder dan een paar centimeter groot. Grotere objecten zouden niet aanwezig zijn. Dat bleek echter tegen te vallen. Toen Osiris-REx naderbij kwam en afbeeldingen maakte, werd na een uitvoerige bestudering duidelijk dat Bennu een stuk gevaarlijker zou zijn om te landen dan voorheen werd gedacht. Bennu bleek bezaaid met enorme rotsblokken.

Het oorspronkelijk missieplan ging uit van een locatie om monsters te verzamelen met een diameter van 50 meter. De navigatie was daarop ingesteld. Door alle grote rotsblokken bleek dat onmogelijk. De uiteindelijke keuze viel op een locatie in een noordelijke krater die 140 meter breed is. Deze locatie, genaamd Nightingale, is een relatief veilig stukje in die krater met een diameter van ongeveer 16 meter. Kortom, de landingslocatie was pakweg tien keer kleiner in formaat dan vooraf was bedacht. Dit betekende dat grote precisie vereist was, al was het maar omdat Nightingale aan de oostelijke kant een groot rotsblok heeft.

Er was dus werk aan de winkel voor de NASA. Oorspronkelijk was het de bedoeling een lidar-systeem te gebruiken om het ruimtevaartuig naar de oppervlakte van Bennu te laten navigeren. Kortom, de inzet van lasers om de afstand te meten om zodoende het oppervlak in kaart te brengen. Het systeem aan boord van Osiris REx, de Guidance, Navigation, and Control-lidar, was ontworpen om het ruimtevaartuig te laten navigeren naar een relatief veilige oppervlak, zonder noemenswaardige rotsblokken. De veilige locaties bleken door de veelvuldig aanwezige grote rotsblokken een stuk kleiner, dus werd gekozen voor een nieuwe navigatiemethode, genaamd natural feature tracking. Dit is een optische navigatiemethode die een vele hogere precisie mogelijk maakt, voor wat het Osiris-REx-team Bullseye Touch-And-Go noemde.

Nft gaat uit van een afbeeldingencatalogus aan boord van het ruimtevaartuig. Daartoe voerde Osiris-REx begin 2019 verkenningsvluchten uit op een hoogte van 625 meter, waarbij afbeeldingen vanuit allerlei hoeken en met verschillende lichtomstandigheden zijn gemaakt. Tijdens deze vluchten werden Nightingale en een back-uplocatie heel precies gefotografeerd, met een resolutie van 2 centimeter per pixel. Deze catalogus werd gebruikt om de grote, gevaarlijke rotsblokken en kraters te identificeren, waarna deze data is geüpload naar het ruimtevaartuig. Er werden 'gevarenkaarten' gemaakt van alle gevaren op de twee locaties, zoals rotsblokken of steile hellingen. In combinatie met laserdata werden 3d-kaarten gemaakt, een accuraat model van Bennu's topografie, inclusief data als de hoogte van rotsblokken en de diepte van kraters.

Door middel van deze gegevens en nft heeft Osiris-REx zichzelf autonoom naar de oppervlakte gemanoeuvreerd, door tijdens de afdaling gemaakte foto's in real time te vergelijken met de afbeeldingen van de catalogus. Het systeem past vervolgens het verwachte landingspunt aan op basis van de positie van het ruimtevaartuig ten opzichte van de verschillende herkenningspunten. Bij dit systeem zou het ruimtevaartuig ook autonoom beslissen zich terug te trekken en de afdaling te staken als wordt voorspeld dat de touchdown zich op onveilig terrein zou voordoen.

De primaire verzamellocatie voor Osiris-REx op Bennu, genaamd Nightingale. Een grafische weergave van het ruimtevaartuig is ingevoegd om de schaal weer te geven.

Dit artikel kun je gratis lezen zonder adblocker

Alle content op Tweakers is gratis voor iedereen toegankelijk. Het enige dat we van je vragen is dat je de advertenties niet blokkeert, zodat we de inkomsten hebben om in Tweakers te blijven investeren. Je hoeft hierbij niet bang te zijn dat je privacy of veiligheid in het geding komt, want ons advertentiesysteem werkt volledig zonder thirdpartytracking.

Bekijk onze uitleg hoe je voor Tweakers een uitzondering kunt maken in je adblocker.

Ben je abonnee? Log dan in.

Tweakers maakt gebruik van cookies

Tweakers plaatst functionele en analytische cookies voor het functioneren van de website en het verbeteren van de website-ervaring. Deze cookies zijn noodzakelijk. Om op Tweakers relevantere advertenties te tonen en om ingesloten content van derden te tonen (bijvoorbeeld video's), vragen we je toestemming. Via ingesloten content kunnen derde partijen diensten leveren en verbeteren, bezoekersstatistieken bijhouden, gepersonaliseerde content tonen, gerichte advertenties tonen en gebruikersprofielen opbouwen. Hiervoor worden apparaatgegevens, IP-adres, geolocatie en surfgedrag vastgelegd.

Meer informatie vind je in ons cookiebeleid.

Sluiten

Toestemming beheren

Hieronder kun je per doeleinde of partij toestemming geven of intrekken. Meer informatie vind je in ons cookiebeleid.

Functioneel en analytisch

Deze cookies zijn noodzakelijk voor het functioneren van de website en het verbeteren van de website-ervaring. Klik op het informatie-icoon voor meer informatie. Meer details

janee

    Relevantere advertenties

    Dit beperkt het aantal keer dat dezelfde advertentie getoond wordt (frequency capping) en maakt het mogelijk om binnen Tweakers contextuele advertenties te tonen op basis van pagina's die je hebt bezocht. Meer details

    Tweakers genereert een willekeurige unieke code als identifier. Deze data wordt niet gedeeld met adverteerders of andere derde partijen en je kunt niet buiten Tweakers gevolgd worden. Indien je bent ingelogd, wordt deze identifier gekoppeld aan je account. Indien je niet bent ingelogd, wordt deze identifier gekoppeld aan je sessie die maximaal 4 maanden actief blijft. Je kunt deze toestemming te allen tijde intrekken.

    Ingesloten content van derden

    Deze cookies kunnen door derde partijen geplaatst worden via ingesloten content. Klik op het informatie-icoon voor meer informatie over de verwerkingsdoeleinden. Meer details

    janee