211service.com
De toekomst van Mars-verkenning kan op een zweefvliegtuig rusten
NASA/JPL-Caltech
In de afgelopen decennia is Mars de meest onderzochte planeet in het zonnestelsel (na de aarde) geworden. Het heeft tientallen bezoekers ontvangen. Er zijn momenteel acht missies actief op en rond de Rode Planeet. De oudste hiervan arriveerde in 2001 - de Mars Odyssey-orbiter, die naar verwachting tot 2025 operationeel zal blijven. Er zijn meer missies gepland terwijl NASA en misschien andere ruimteagentschappen werken aan het doel om Mars-monsters naar de aarde terug te sturen en uiteindelijk mensen te sturen.
Voor beide doelen zijn veel gedetailleerdere kaarten van de grond nodig. Rovers bieden dit soort details, maar kunnen slechts een paar meter per dag reizen. NASA's Opportunity-rover legde tijdens zijn missie een indrukwekkende 45 kilometer af, maar deed er bijna 15 jaar over.
Daarom zoeken planetaire wetenschappers naar manieren om het oppervlak van de planeet sneller te verkennen. Een idee is om een vliegtuig in de atmosfeer van Mars te lanceren met een motor die het in de lucht kan houden. Zo'n missie zou grote afstanden kunnen afleggen, maar zou duur zijn en meer dan $ 350 miljoen kosten.
Een goedkopere benadering is meeliften op een grotere missie. Dus een ander idee is dat een Marsrover een quadcopter vervoert die de omgeving kan overzien. Maar dergelijke vluchten zullen kort zijn en een beperkt bereik hebben.
Wat nodig is, is een voertuig dat klein genoeg is om mee te liften op een andere missie en toch grote afstanden kan overbruggen.
Vandaag zeggen Adrien Bouskela, Aman Chandra en collega's van de Universiteit van Arizona dat ze precies zo'n missie hebben bedacht. Hun idee is om een niet-aangedreven zweefvliegtuig in de atmosfeer van Mars te lanceren en het in de lucht te houden door gebruik te maken van thermische opwaartse luchtstromen - stijgende kolommen van warme lucht - om hoogte te winnen. Het zweefvliegtuig zal opblaasbaar zijn en in een volume kunnen worden verpakt dat klein genoeg is om als secundaire lading te worden vervoerd op een grotere missie naar Mars.
Eerst wat achtergrond. Het ruimtevaartuig dat momenteel in een baan om Mars draait, kan beelden maken met een resolutie van 30 centimeter per pixel. Planetaire wetenschappers assembleren deze geleidelijk tot een kaart met een relatief hoge resolutie van het oppervlak van Mars.
Maar ze hebben afbeeldingen met een hogere resolutie nodig om toekomstige landermissies te plannen. Tot nu toe zijn de meeste rovers geland op relatief vlakke vlaktes, waar de kans om een rotsblok of krater te raken klein is. Deze gebieden zijn wetenschappelijk doorgaans minder interessant. In plaats daarvan zouden planetaire geologen graag de valleien en bergkammen bezoeken die door water lijken te zijn gevormd. Om veilig op dergelijke plaatsen te landen, zijn beelden nodig die kleine rotsen en kraters kunnen oplossen die het vaartuig bij een botsing kunnen beschadigen.
Landers bieden dit soort detail, omdat ze in staat zijn om foto's te maken met een resolutie van 1 centimeter per pixel over het gebied van 100 meter eromheen. Maar ze zijn niet in staat om de grote afstanden af te leggen die nodig zijn om interessante gebieden te bereiken. Daarom hebben wetenschappers hun aandacht gericht op vliegmachines.
Vliegen op Mars is een lastige zaak. Hoewel de zwaartekracht laag is, ongeveer een derde van die van de aarde, is de atmosfeer slechts een honderdste zo dicht. Dat maakt het moeilijk om lift te genereren.
De vleugels van het nieuwe zweefvliegtuig zullen dus enorm moeten zijn in verhouding tot zijn gewicht. Het zweefvliegtuig zal een 5-megapixelcamera, een radiocommunicatieset, een boordcomputer en een set zonnepanelen met batterijen bevatten om overdag voldoende stroom op te slaan om het 's nachts in leven te houden. Bouskela en co berekenen dat naast de opblaasbare vleugels en het roer, het zweefvliegtuig 5 kilogram zal wegen - ongeveer de massa van een steenarend.
Ze berekenen verder dat om deze massa in de lucht te houden, de vleugels een spanwijdte van bijna 6 meter (20 voet) moeten hebben en met snelheden van ongeveer 100 meter per seconde moeten vliegen. Ter vergelijking: steenarenden kunnen op aarde in de lucht blijven met een spanwijdte van 2 meter terwijl ze met een snelheid van 15 meter per seconde vliegen.
Het zweefvliegtuig zal worden ingezet tijdens de binnenkomst van de hoofdmissie in de atmosfeer van Mars en op een hoogte van ongeveer 2 kilometer van de belangrijkste lading worden afgeworpen. Een stikstofgenerator zal het zweefvliegtuig in minder dan 10 seconden opblazen en onder druk brengen, en zijn vleugels zullen in het volgende uur of zo hard worden als ze worden genezen door het zonlicht van Mars.
Dergelijke opblaasbare technologie is al getest op Mars. Zowel de Mars Pathfinder-lander als de Mars MER-rovers vertrouwden op airbags die werden opgeblazen toen het vaartuig door de atmosfeer afdaalde en vervolgens hun impact op de grond dempten. Ze worden ook ontwikkeld voor kleine satellieten als communicatieantennes, zeggen Bouskela en co.
Een belangrijk onderdeel van de missie zal het autonome vermogen zijn om stijgende stromingen in de atmosfeer van Mars te exploiteren. Dergelijke systemen op aarde hebben aangetoond dat ze weken of maanden in de lucht kunnen blijven.
Als Mars een windprofiel heeft zoals dat van de aarde - dat wil zeggen een vergelijkbare verandering in windsnelheid met hoogte - dan zou een vergelijkbare aanpak ook moeten werken op de Rode Planeet. Het team heeft inderdaad numerieke simulaties gemaakt van dit soort vluchten op Mars.
De resultaten suggereren dat dit soort autonoom vliegen het zweefvliegtuig gedurende lange perioden in de lucht zou kunnen houden, op voorwaarde dat er een voldoende grote verandering in windsnelheid met hoogte is. Er zal meer onderzoek nodig zijn om te bepalen of dat het hele jaar door en aan de oppervlakte ook daadwerkelijk het geval is op Mars.
Desalniettemin kan zelfs een paar uur vliegen waardevolle gegevens opleveren. De camera aan boord zou een grondresolutie hebben van ongeveer 10 centimeter en met een snelheid van 100 meter per seconde zou het zweefvliegtuig vele honderden kilometers kunnen afleggen. Het zweefvliegtuig zou de beelden naar een ronddraaiend relaisstation sturen, zoals de Mars Reconnaissance Orbiter, die ze vervolgens naar huis zou sturen.
Zo'n missie zou licht kunnen werpen op een aantal opmerkelijke Mars-mysteries. Een daarvan zijn de raadselachtige lijnen die zich op sommige hellingen van Mars vormen als ze opwarmen als de zomer aanbreekt. Men denkt dat deze zijn ontstaan door de stroming van zout water, maar betere waarnemingen zijn hard nodig.
Het zweefvliegtuig kan ook helpen om mogelijke landingsplaatsen voor toekomstige missies te peilen. Het hier voorgestelde Mars-zweefvliegtuigconcept biedt een geheel nieuwe weg voor het versnellen van de verkenning van het oppervlak van Mars tegen een fractie van de kosten van eerdere Mars-vliegtuigconcepten, zeggen Bouskela en co.
Een ding dat het team echter mist, is een gevoel voor Hollywood. De meest succesvolle missies zijn vaak de missies die iconische beelden opleveren. Denk aan Neil Armstrong die bij een Amerikaanse vlag op het oppervlak van de maan staat, of de sterman van Elon Musk die in een Tesla langs planeet Aarde rijdt. Dat soort afbeeldingen spelen een veel grotere rol in de publieke perceptie van succes dan welke dataplot dan ook.
Wat dit zweefvliegtuig nodig heeft, is een kleine groothoekcamera op zijn staartroer of vleugeltip die beelden van het voertuig zelf tijdens de vlucht terugstuurt. Het geldschot zou het zweefvliegtuig zijn dat over de Valles Marineris - de Grand Canyon van Mars - zweeft met een Marszon boven een buitenaardse horizon en misschien een lichtblauwe stip in de buurt. Inderdaad, het team heeft precies zo'n afbeelding gemaakt om zijn voertuig te promoten!
Het imago van Neil Armstrong kostte een aanzienlijk deel van de Amerikaanse economie. Dus voor een prijs van slechts $ 36 miljoen - kippenvoer voor planners van Mars-missies - lijkt dit Mars-zweefvliegtuigbeeld een redelijk goede prijs-kwaliteitverhouding. En als Bouskela en co verwachten dat het Amerikaanse publiek zal betalen voor deze missie, is het minste wat ze kunnen doen een ansichtkaart naar huis sturen.
Referentie: https://arxiv.org/abs/1902.02083 : Houdingscontrole van een opblaasbaar zweefvliegtuig voor verkenning van Mars