Marsrover Perseverance bereikt Mars

Landen in zeven 'horrorminuten'

Op 30 juli vorig jaar begon NASA's Marsrover Perseverance zijn 471 miljoen kilometer lange reis naar de rode planeet. Inmiddels zijn we ruim een half jaar verder en heeft de capsule met daarin de Marsrover zijn bestemming bijna bereikt. De sonde komt donderdagavond aan bij Mars en als alles volgens plan verloopt, staat Perseverance om 21:55 uur Nederlandse tijd aan de grond.

Update, donderdag 21:55: Perseverance is succesvol geland op Mars.

Die landing is geen formaliteit, maar een ingewikkeld proces. Er kan nog van alles misgaan en bijsturen of corrigeren is niet meer mogelijk. De NASA noemt dit dan ook de 'zeven horrorminuten'. Er is echter goede hoop dat Perseverance die gevreesde minuten goed doorstaat, want in 2012 doorstond Marsrover Curiosity een grotendeels vergelijkbare procedure succesvol.

Toch is niet alles hetzelfde. Perseverance heeft nieuwe technologie aan boord waarmee de Marsrover veel nauwkeuriger kan landen. Door de grote foutmarge van zo'n twee tot drie kilometer bij het landen werd Curiosity neergezet in een woestijn. Dankzij de hardware en software met beeldherkenning van Perseverance is die foutmarge verkleind tot ongeveer zestig meter en dat maakt een landing in de Jezero-krater mogelijk. Bovendien is de nieuwe rover voorzien van nieuwe camera's die de ingewikkelde landingsprocedure tot in detail gaan vastleggen.

Wie hoopt donderdagavond live mee te kunnen kijken met de landing en daarbij beelden te kunnen zien vanaf Mars, moeten we teleurstellen. De landing wordt live uitgezonden door de NASA, maar het zal nog dagen duren voordat de daadwerkelijke opnames van Perseverance zijn teruggestuurd naar de aarde. Tijdens de landing zelf sturen de Marsrover en zijn landingsmechanisme enkel eenvoudige signalen door, die aangeven of bepaalde procedures zijn geslaagd.

Wat gebeurt er tijdens het landen?

Wat er zich allemaal afspeelt tijdens de landing, zal dus niet live te zien zijn, maar in principe staan alle gebeurtenissen vast. De landing is volledig voorgeprogrammeerd en de NASA heeft een tijdschema gemaakt waarop tot de minuut nauwkeurig staat wanneer wat gebeurt. Perseverance stuurt op die momenten een notificatie terug naar de aarde. Zo moet tijdens het landen duidelijk worden of al deze belangrijke mijlpalen worden behaald.

Als de NASA om 21.48 uur Nederlandse tijd volgens planning het signaal ontvangt dat Perseverance de atmosfeer van Mars heeft bereikt, is de rover in werkelijkheid al geland, of gecrasht. De landing duurt immers zeven minuten, maar het duurt momenteel 11 minuten en 22 seconden voordat de signalen van Mars de aarde hebben bereikt.

Een gedetailleerde interactieve 3d-visualisatie van de landingsprocedure is te bekijken op NASA's Eyes-website. Iedere stap staat daar uitvoerig beschreven en is vanuit alle standpunten te zien. Op diezelfde site is het mogelijk om Perseverance, en andere Marsrovers en -satellieten, te allen tijde te volgen.

21.38 - Loskoppeling van de cruise stage

Masrover Perseverance en het landingsvaartuig worden losgekoppeld van het ruimtevaartuig dat de rover naar de rode planeet heeft gevlogen.

21.48 - Aankomst in atmosfeer, landing begint

Perseverance bereikt met een snelheid van ongeveer 19.500km/u de atmosfeer van Mars.

21.49 - Piekhitte wordt bereikt

Door de weerstand van de atmosfeer remt de lander af en warmt het hitteschild flink op, tot een piektemperatuur van zo'n 1300 graden Celsius.

21.52 - Parachute ontvouwt

Met een snelheid van meer dan 1500km/u ontvouwt de parachute van het ruimtevaartuig. Het exacte moment wordt bepaald aan de hand van de Range Trigger. Met die techniek kan de parachute iets eerder of later uitklappen, afhankelijk van de locatie van het landingsvaartuig, om zo preciezer te landen.

Loskoppeling hitteschild en activatie Terrain Relative Navigation

Ongeveer twintig seconden na het ontvouwen van de parachute wordt het onderste hitteschild van het landingsvaartuig afgekoppeld. De camera's van Perseverance hebben nu vrij zicht op Mars en met radar kan de afstand tot de grond bepaald worden. Terrain Relative Navigation wordt geactiveerd: camera's maken foto's van de landingszone en vergelijken die met een database aan boord van de Marsrover. Zo kan Perseverance een veilige landingsplek uitkiezen en automatisch bijsturen om obstakels te ontwijken.

21.54 - Loskoppeling back shell en parachute

De achterkant van de entry capsule, waar de parachute aan vastzit, wordt vlak voor de landing losgekoppeld. De descent stage stort nu naar beneden, maar activeert zijn remraketten om Perseverance langzaam naar de grond te brengen en naar de uitgekozen landingsplek te navigeren.

21.55 - Landing met sky crane-manouvre

De descent stage zweeft vlak boven het oppervlak en begint zijn sky-crane-manoeuvre. Perseverance is onder het landingsgestel bevestigd met drie nylonkabels, klapt zijn wielen uit en wordt voorzichtig naar beneden getakeld. Het is de bedoeling dat Perseverance met een snelheid van 2,7km/u voet aan de grond zet. Als dat is gelukt, vliegt de descent stage op, om verderop 'veilig' neer te storten.

Renders van landing Marsrover Perseverance. Afbeeldingen: NASA/JPL-Caltech

Zeven camera's leggen landing vast

Curiosity landde in 2012 met succes op Mars volgens een procedure die grotendeels gelijk is aan hoe Perseverance nu voet zal zetten op de rode planeet. We weten dat de Curiosity-landing lukte, maar hoe dat er precies uit zag, is onduidelijk. De Curiosity-missie maakte enkel naar beneden gerichte beelden van de landing. Alles wat zich boven de rover afspeelde tijdens de entry, descent and landing-fase kwam niet in beeld. Dat is deze keer anders; er zijn maar liefst zeven camera's geïnstalleerd die geen ander doel hebben dan het in beeld brengen van die procedure.

Om te beginnen zijn er drie parachute uplook cameras. Dat zijn 1,3-megapixelcamera's en die zijn op de beschermende back shell waaronder Perseverance afdaalt, geïnstalleerd. Zoals de naam verklapt, kijken de camera's omhoog en leggen ze de parachute vast tijdens de afdaling.

Op de descent stage, het landingsgestel met de sky crane die Perseverance op de grond zal zetten, zit een naar beneden gerichte 3,1-megapixelcamera. Die zal vastleggen hoe de sky crane de Marsrover aan nylon draden naar beneden takelt. Ook zal te zien zijn hoe de descent stage daarna weer opvliegt en een ontwijkende manoeuvre maakt, om verderop veilig te crashen.

De Marsrover zelf heeft ook drie 1,3-megapixelcamera's om de landing te filmen en fotograferen. De rover uplook camera kijkt naar boven en geeft daarmee zicht op de descent stage en sky crane boven zich. Onder de rover zit een rover downlook camera, die de afdaling naar het Marsoppervlak in kleur vastlegt. Daarnaast zit nog een neerwaartsgerichte camera. Dat is de lander vision system camera met een zwart-witsensor. Deze camera schiet beelden van de ondergrond en wordt gebruikt voor het navigeren tijdens de landing.

EDL-camera's	Aantal	Resolutie	Sensor	Locatie
Parachute Uplook Cameras	3	1,3 megapixel	Kleur	Back shell
Descent Stage Downlook Camera	1	3,1 megapixel	Kleur	Onderkant descent stage
Rover Uplook Camera	1	1,3 megapixel	Kleur	Bovenkant rover
Rover Downlook Camera	1	1,3 megapixel	Kleur	Onderkant rover
Lander Vision System Camera	1	1,3 megapixel	Zwart-wit	Onderkant rover

Deze zes kleurencamera's zijn niet nader gespecificeerde off-the-shelf-camera's. Dat zijn dus reguliere camera's die niet speciaal zijn ontwikkeld voor gebruik in de ruimte. Het zijn geen kritieke onderdelen voor de missie. Ze zijn volgens de NASA bedoeld om de betrokkenheid van het publiek te vergroten en om ingenieurs meer inzicht te geven in het proces van de landing.

Verbinding over honderden miljoenen kilometers afstand

Over de risico's bij het landen en de technieken die het mogelijk maken om veel nauwkeuriger te landen dan voorheen, schreef Tweakers eerder in een uitgebreid achtergrondartikel. Daarin komen de eigenschappen van Perseverance, zijn verschillende instrumenten en missie aan bod.

Nu Perseverance de rode planeet nadert, duiken we dieper in de technieken die de NASA gebruikt om te communiceren met de Marsrover en om data, zoals de beelden van de landing, terug naar aarde te sturen. Ook op dat vlak zijn er nieuwe ontwikkelingen.

Mars Relay Network en Deep Space Network

Gedurende de reis naar Mars stond de ruimtesonde die Perseverance naar de rode planeet brengt, in een directe verbinding met de aarde. Ook de descent stage, waarmee de Marsrover afdaalt naar het oppervlak, is voorzien van antennes en uiteraard heeft het Marswagentje zelf ook de nodige communicatiemogelijkheden.

Antennes van Perseverance. Afbeelding: NASA/JPL-Caltech

Tijdens de reis en de landing, wordt er met low-gain- en medium-gain-antennes gecommuniceerd op frequenties rond 8GHz via de X-band. Deze kleine antennes zijn niet geschikt voor de overdracht van grote hoeveelheden data, maar stellen NASA wel in staat om commando's naar Perseverance te sturen en om signalen te ontvangen over zijn status. Zo zal de Marsrover tijdens landingsproces bevestigingen sturen van verschillende te doorlopen fases.

Deze directe verbinding met aarde werkt ook als Perseverance eenmaal Mars heeft bereikt. Het ontvangen en verzenden van data gaat dan met een slakkengangetje van 160 tot 500 bits per seconde als de rover in contact staat met de Deep Space Network-schotels met een diameter van 34 meter. De snelheid loopt op tot 800 tot 3000 bits per seconde bij een verbinding met de grootste schotel met een diameter van 70 meter. De snelheid is afhankelijk van de stand van Mars ten opzichte van de aarde.

Deze snelheden zijn compleet ongeschikt om bestanden zoals foto's te versturen. Het zou dagen duren om een enkele foto van enige kwaliteit over te zetten, mede doordat er een line-of-sight-verbinding nodig is en er dus niet continue data verstuurd kan worden. Gelukkig staat Perseverance er niet alleen voor als het gaat om communicatie met de aarde.

Mars Relay Network

De Marsrover maakt gebruik van het Mars Relay Network, dat bestaat uit vijf ruimtesondes die zich al jarenlang in een baan om de rode planeet bevinden. Dat zijn NASA's Mars Reconnaissance Orbiter of MRO, Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN of Maven, Mars Odyssey, ESA's Mars Express, en de Trace Gas Orbiter of TGO.

De MRO is Perseverances belangrijkste compagnon. Deze satelliet vliegt al vijftien jaar op een korte afstand van zo'n 300km boven het Marsoppervlak en maakt iedere 112 minuten een rondje om de planeet. Daardoor kan de MRO veelvuldig contact maken met Perseverance en data uitwisselen. Ook hiervoor is een line-of-sight-verbinding nodig, tijdens iedere rondgang van de MRO is er zo'n acht minuten tijd om data te versturen.

Perseverance gebruikt hiervoor zijn ultra-high frequency-antenne, ofwel UHF-antenne. Hiermee communiceert de rover op een frequentie van zo'n 400MHz met de overvliegende sondes. De verbinding met de MRO is het snelst en die kan oplopen tot 2MBit/s. De oudere Mars Odyssey, die al sinds 2001 rond Mars vliegt, communiceert met rovers op de planeet met maximaal 256Kbit/s.

In de circa acht minuten dat Perseverance tijdens een overgang van de MRO in contact is met de satelliet, kan de Marsrover zo'n 960 megabit, ofwel 120 megabyte versturen. De MRO verstuurt de data vervolgens naar de aarde. De satelliet is voorzien van een high-gain-antenne met een diameter van drie meter en krachtige versterkers voor de radiosignalen. Via de X-band stuurt de MRO data met een snelheid van maximaal 3 a 4Mbit/s naar de aarde.

Het gros van de data van Marsrovers en -satellieten komt dan ook op aarde terecht via deze verbinding. In 2019, toen de MRO na dertien jaar in totaal 60.000 rondjes had gevlogen om de rode planeet, had de satelliet in totaal al 361 terabit, ofwel 45 terabyte aan data teruggestuurd naar de aarde.

De snelheid is afhankelijk van de stand van Mars ten opzichte van de aarde. De afstand tussen de twee planeten varieert veel, en daarmee ook de verbindingssnelheid. Als Mars en de aarde op de maximale afstand van elkaar staan, zo'n 400 miljoen kilometer, zakt de snelheid tot 500Kbit/s. De snelheid van 3 a 4Mbit/s wordt enkele maanden per jaar gehaald, als de afstand tussen de planeten een kleine 100 miljoen kilometer bedraagt.

MRO by the numbers — De Mars Reconnaissance Orbiter vormt de belangrijkste databrug tussen Mars en de aarde

MRO-update voor 'real-time' communicatie tijdens landing

Tijdens de laatste twee minuten van de landing, verdwijnt Perseverance achter de horizon gezien vanaf het perspectief van de aarde. Directe communicatie met de rover is dan niet meer mogelijk, omdat de line-of-sight-verbinding weg is. De MRO en Maven worden echter zo gepositioneerd, dat ze tijdens de landing de signalen van Perseverance kunnen oppikken.

In 2019 heeft NASA de baan van de Maven-satelliet om Mars al gewijzigd, ter voorbereiding van de komst van Perseverance. De satelliet vliegt nu dichter rond de planeet en passeert daardoor vaker de Marsrover. Maven maakt in 24 uur nu 6,8 rondjes om Mars. Dat is wel minder dan de MRO, die bijna 13 rondjes haalt in hetzelfde tijdsbestek.

NASA heeft de Mars Reconnaissance Orbiter vorig jaar van een softwarematige update voorzien, waardoor de satelliet bijna real-time data kan versturen. De MRO had die mogelijkheid nog niet. Voor het versturen van beeldmateriaal is dat geen probleem, maar om de landing op de voet te kunnen volgen, is dat nodig.

Als NASA om 21:55 het signaal ontvangt dat Perseverance is geland, is dat bericht afkomstig van de MRO die het signaal van de Marsrover heeft opgevangen. De orbiter kan na de update telemetrie gegevens versturen in pakketjes met data van vijf seconden, met een latency van zestien seconden. Het duurt nog altijd ruim elf minuten voordat die data de aarde heeft bereikt, maar de gegevens worden dus vrijwel direct verstuurd.

Maven ontvangt ook de data van de Perseverance-landing, maar kan die niet direct terugsturen. Deze satelliet zal meer data verzamelen en die later naar de aarde sturen, zo zullen er in de uren na de landing steeds meer details ingevuld kunnen worden over hoe alles is verlopen.

Het Mars Relay Network is al jarenlang actief en er is een uitgekiende choreografie om de verschillende satellieten samen te laten werken en contact te laten onderhouden met de diverse rovers op Mars. De gebruikelijke schema's zijn flink aangepast om Perseverance tijdens de landing zoveel mogelijk te kunnen ondersteunen. Op NASA's Eyes-website is een 3d-visualisatie met de positie van alle MRN-satellieten te zien en is ook te zien welke verbindingen actief zijn.

Deep Space Network

Data die vanaf Mars richting aarde wordt gezonden, wordt opgevangen door de schotelantennes van het Deep Space Network. Dat heeft drie locaties: in Madrid in Spanje, Goldstone in Californië in de Verenigde Staten en Canberra in Australië. De grondstations zijn zo over de aardbol verdeeld dat er zoveel mogelijk dekking is.

De grote schotelantennes van het Deep Space Network worden gebruikt om signalen uit de ruimte op te vangen en om bijvoorbeeld commando's naar satellieten te sturen. Op NASA's DSN Now-website is de status van alle schotelantennes te zien en kan in real-time bekeken worden waar ze op gericht zijn en welke verbindingen er actief zijn.

In Madrid staat antenne DSS 63 al gericht op Perseverance. Deze schotelantenne met een diameter van 34 meter zal primair gebruikt worden om de data van de Marslanding te ontvangen. Het Goldstone-complex in Californië wordt ook op de Marsrover gericht en dient als back-up.

Deep Space Network Now — Op DSN Now is te zien waar de schotelantennes van het Deep Space Network op zijn gericht

NASA's eigen satellieten rond Mars communiceren enkel met het Deep Space Network. De twee ESA-satellieten staan ook in verbinding met het Estreck, een Europees netwerk van schotelantennes wereldwijd. ESA's Trace Gas Orbiter vliegt bijvoorbeeld vier uur na de landing van Perseverance voor het eerst boven de Jezero-krater en zal dan data verzamelen en naar de aarde sturen.

Eerste beelden en voorbereiding

We weten nu hoe de beelden vanaf Mars op de aarde terecht komen, maar wanneer krijgen we de spectaculaire landing daadwerkelijk te zien? Het zal meerdere dagen duren voordat al het beeldmateriaal naar de MRO en andere satellieten gestuurd is en vervolgens de aarde bereikt. Het sturen van foto's is wel een van de eerste activiteiten die de Marsrover onderneemt na een succesvolle landing, maar dat begint met andere plaatjes.

Perseverance maakt enkele minuten na de landing foto's met zijn hazard cameras, ofwel de Hazcams. Die zitten aan de voor- en achterkant van de rover en hebben een grote beeldhoek om de directe omgeving vast te leggen, inclusief de wielen. De eerste foto's worden gemaakt terwijl de doorzichtige beschermende lenskappen nog op de camera's zitten. Thumbnails van die foto's worden meteen naar de MRO verzonden, zodat die de afbeeldingen naar aarde kan sturen.

Update, donderdag 22:00: Perseverance heeft de eerste thumbnails naar de aarde gestuurd:

Eerste foto's van Marsrover Perseverance

Het is de verwachting dat deze eerste wazige plaatjes nog op de dag van de landing beschikbaar komen, maar in onze tijdzone zal dat vermoedelijk in de nacht van vrijdag zijn. Bovendien hangt dit er ook vanaf of de MRO nog binnen het zicht is van de Marsrover als die de foto's heeft gemaakt. Vlak na de landing verdwijnt de satelliet waarschijnlijk onder de horizon. Het duurt dan weer een kleine twee uur voordat een volgende passage plaatsvindt.

Thumbnails van foto's die zijn gemaakt tijdens een oefening van de landing. Foto's: NASA/JPL-Caltech.

Later op vrijdagochtend verwacht NASA de eerste beelden te ontvangen van de Hazcams met de lenskappen verwijderd. Die beelden worden in een kwart van de oorspronkelijke 20-megapixelresolutie gestuurd en zullen daarmee de eerste scherpe beelden van de Jezero-krater opleveren.

Daarna wordt er een foto in hoge resolutie van de wielen gestuurd, om die te kunnen inspecteren. Ook die wordt gemaakt met de Hazcams. Tegelijkertijd wordt dan een eerste afbeelding van de descent stage downlook camera naar de aarde gestuurd. Dat zal de eerste blik geven op de landing van Perseverance. Deze beelden zijn naar verwachting vrijdagmiddag te zien.

In de daaropvolgende dagen en het weekend maakt Perseverance meer foto's van zijn omgeving, met verschillende camera's. De eerste beelden van de Navcams en Mastcam-Z zullen naar de aarde gestuurd worden en ondertussen zal de Marsrover ook meer beelden van de landingsprocedure verzenden.

Marsrover Perseverance — Render van Perseverance in actie op Mars. Afbeelding: NASA/JPL-Caltech

Start van de missie

Als Perseverance succesvol is geland en het bewijs daarvan naar de aarde heeft gestuurd, beginnen de voorbereidingen voor de missie. Daar zal de Marsrover goed de tijd voor nemen; er zijn dertig Marsdagen ingeruimd om een flinke checklist af te werken.

Na het checken van de wielen wordt de mast met daarop verschillende camera's en instrumenten uitgeklapt. Met die camera kan de bovenkant van de rover en de landingszonde worden geïnspecteerd. NASA-ingenieurs op de aarde sturen daarna nieuwe software naar de rover, voor zijn komende missies.

Vervolgens worden er checks uitgevoerd van alle instrumenten aan boord en zal Perseverance een eerste rijtest maken en daarbij zo'n vijf meter verplaatsen. Bij die bewegingsoefeningen hoort ook het uitklappen van de robotarm en testen daarvan.

Daarna zal Perseverance zich ontdoen van een beschermstuk aan de onderkant van de rover, die het Sample Caching System en de bijbehorende interne robotarm beschermde tijdens de landing. Ook de beweging van die systemen zal getest worden en de PIXL- en Sherloc-instrumenten zullen foto's maken om zich te kalibreren.

Perseverance-instrumenten — De instrumenten en experimenten aan boord van Perseverance

Het is de verwachting dat Perseverance na ongeveer een maand klaar is met al deze checks en voorbereidingen en op pad kan gaan om zijn missies te volbrengen. Het doel is onder andere om grondmonsters te verzamelen in buisjes. Die kunnen met toekomstige missies opgehaald worden en weer teruggezonden worden naar aarde.

Ook heeft Perseverance een kleine helikopter aan boord, waarmee NASA wil testen of het mogelijk is om te vliegen in de zeer ijle lucht van Mars. Die tests worden ongeveer 2,5 maanden na de landing van Perseverance uitgevoerd, als alles volgens plan verloopt. Het uiteindelijke doel is om 300 meter te vliegen op een hoogte van maximaal vijf meter.

Helikopter Ingenuity - Foto's © NASA/JPL-Caltech — Helikopter Ingenuity die aan boord is van Marsrover Perseverance. Foto: NASA/JPL-Caltech

Zoektocht naar leven en menselijke verkenning voorbereiden

De missie van Perseverance borduurt voort op de vondsten van eerdere Marsrovers. Die vonden aanwijzingen dat er bouwstenen van leven aanwezig zijn op de rode planeet en Perseverance gaat nu op zoek naar tekenen van leven zoals bijvoorbeeld fossielen.

Ook moet de nieuwe rover voorbereidingen treffen voor toekomstige bemande missies naar Mars. Dat doet de Marsrover bijvoorbeeld met het Moxie-experiment; een klein fabriekje dat zuurstof gaat produceren uit het koolstofdioxide in de Marsatmosfeer.

De missie van Perseverance duurt 'minimaal' twee jaar. De hoop is dat de nieuwe rover net als zijn voorganger Curiosity veel langer mee zal gaan dan dat tijdsbestek. Ook Curiosity had een missie van twee jaar, maar die wist van geen ophouden en is na ruim acht jaar nog altijd actief op de rode planeet.