Terug naar de maan

Als de techniek en het weer een beetje meewerken, stuurt NASA op 29 augustus een raket naar de maan. Als die onbemande Artemis I-missie een succes is en NASA zich aan zijn planning houdt, lopen er in 2025 weer mensen rond op het zusje van de aarde. Voor het eerst in vijftig jaar tijd.

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 maakten. Vanaf het moment dat de kaars wordt aangestoken totdat hij in de ruimte is, levert hij bijna 4 miljoen kilo stuwkracht. Dik 15 procent meer dat de Saturnus V.

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 Orion-capsule die SLS omhoog schiet 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 nog meer spreekwoordelijke spinazie eten en 45.000 kilo aan lading naar het zusje van onze planeet brengen.

Een belangrijke test

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 zijn vroegst op 29 augustus de kans voor. Die testmissie moet bepalen of SLS, de Orion-capsule én de missieleiding en techniek op de grond (Exploration Ground Systems) volgens plan werken. Als dat zo is en de vlucht een succes blijkt, gaat het Artemis-programma zijn volgende fase in en wordt begonnen 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.

Maar eerst die testvlucht maar eens. Artemis I vertrekt vanaf het Kennedy Space Center in Florida. De SLS-raket wordt in aanloop naar die lancering met een Crawler-transporter, een enorm platform op rupsbanden, naar lanceerplatform 39B gereden. Zodra alle systemen gecheckt zijn, 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 seconden 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 na terugvondst opnieuw kunnen worden gebruikt. Een minuut daarna laat ook het omhulsel dat de Orion-capsule tijdens de eerste fase van de lancering moet beschermen los. Ook het launch abort system, een reddingssysteem dat de capsule in veiligheid kan brengen als er aan het begin van de rit iets misgaat, koppelt los. 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.

Zo’n 50 minuten na het begin van de lancering klapt de capsule zijn zonnepanelen uit. Ruim een half uur 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 weer terug op aarde. Die terugkeer is een van de belangrijkste onderdelen van de eerste Artemis I-missie, omdat hij als test dient voor de hitteschilden van de capsule. Die hitteschilden, die Orion moeten beschermen, krijgen bij de terugkeer in de dampkring een hitte van ruim 2700 graden Celsius te verduren.

De drijvende kracht

Hoewel het SLS in februari 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 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 missie. ‘In 2017 werd zelfs in de wet vastgelegd dat NASA in de toekomst mensen op Mars moet zetten’, vertelt Artemis Westenberg. Ze is mede-oprichter van Explore Mars, een stichting die hoopt in 2033 mensen op Mars te krijgen. Dat NASA nu eerst naar de maan gaat. komt volgens Westenberg door voormalig president Donald Trump, die in 2019 alle spreekwoordelijke pijlen op het zusje van onze planeet richtte. ‘Trump wilde de glory days 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 voorzien van hetzelfde type motor als degene die dertig jaar lang NASA’s diverse spaceshuttles de dampkring uit bracht. 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 shuttle-programma herbruikbaarheid voorop stond, werden de RS-25’s niet maximaal belast, zodat ze niet zouden beschadigen. In het Artemis-programma leveren de motoren een stuk meer vermogen, zodat ze Orion genoeg vaart geven om de maan te bereiken. Kanttekening is wel dat de RS-25’s daardoor ieder maar één keer te gebruiken zijn.

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 zitten opgeslagen. Wanneer die twee stoffen bij elkaar komen in de brandende motoren, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij die de raket omhoog duwt.

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, aluminium-poeder en een organisch bindmiddel van butadieen, acrylonitril, acrylzuur en een epoxyhars. De boosters zijn vergelijkbaar met vuurpijlen. Maar dan wel vuurpijlen met ieder een miljoen liter stuwstof.

Voortbouwen op bestaande techniek

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

De Orion-capsule is de belangrijkste erfenis uit dat Constellation-programma. De door Lockhead Martin gebouwde capsule biedt plek aan maximaal zes bemanningsleden en kan tot zes maanden in de ruimte blijven. Het voertuig oogt nostalgisch. Met zijn kegelvormige uiterlijk doet hij denken aan de Apollo-capsules van een halve eeuw geleden. Die vorm zorgt ervoor dat Orion tijdens de lancering minder last heeft van luchtweerstand. Maar Orion heeft ook wat slimmigheden uit het Spaceshuttle-programma overgenomen: net als bij de shuttles is Orion voorzien van een hitteschild dat bij terugkeer in de dampkring verdampt. Daardoor is de capsule maximaal tien keer opnieuw te gebruiken. Nieuw hitteschild erop, alle noodzakelijke checks en tests doorlopen en gaan!

Dat er voor Orion veel inspiratie is gehaald uit eerdere NASA-programma’s, wil niet zeggen dat er voor de de capsule alleen maar ideeën gebruikt uit de Spaceshuttle- en Constellation-programma’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 gebaseerd op het Automated Transfer Vehicle (ATV) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Tussen 2008 en 2015 stuurde ESA vijf van die onbemande en zelfsturende goederenschepen naar de ruimte, om het ISS te bevoorraden. Hoewel de ESM gebaseerd is op de ATV, is het geen exacte kopie, aldus Philippe Berthe, een van de projectmanagers voor 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 gebruik maken van de expertise die we bij ATV hebben opgedaan.’

Zonder de servicemodule houden Orion en zijn bemanning het niet lang uit in de koude, kille ruimte. De door ESA ontwikkelde ESM levert naast energie water, zuurstof en stikstok aan de crewmodule, het deel van het ruimtevaartuig waar de bemanning zich bevindt. Daarnaast regelt de vier meter hoge ESM de temperatuur aan boord. De module telt daarnaast in totaal 33 motoren. Die worden van stuwstof voorzien door vier tanks, met ieder 2000 liter monomethhylhydrazine 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 Orion sturen en roteren.

De betere back-ups

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

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 Orion voor zijn energie niet afhankelijk van een aantal zelf meegebrachte brandstofcellen. Het voertuig wekt immers zijn eigen elektriciteit op met behulp van vier negentien meter lange, uitvouwbare vleugels met zonnecellen erop. En waar NASA bij de Apollo-missies 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 backup. We noemen dat double redundancy’, aldus 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.’

Opnieuw mensen op de maan

Als Artemis I een succes 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 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 hem 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 nog te bezien. Het toestel wordt nog ontwikkeld bij SpaceX, dat in april 2021 het contract voor de missie in de wacht sleepte. De maanlander moet een afgeleide worden van het Starship-ruimtevoertuig dat SpaceX aan het testen is. Starship HLS lijkt straks in ieder geval meer op een raket dan op de maanlanders uit het Apollo-tijdperk. 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 teveel maanstof omhoog blaast. 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. Aanzienlijk meer dan de 75 uur die de bemanning van Apollo 17 er verbleef. Maar zelfs die week verbleekt bij de plannen die NASA heeft voor de toekomst. Naast een ruimtestation in een baan om de maan (Gateway) wil de ruimtevaartorganisatie ook een vaste basis op de zuidpool van het zusje 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 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 zijn aangepast om vracht te vervoeren.

En dan is er daarna altijd nog Mars. Want hoewel het Artemis-programma eerst en vooral draait om de maan, staat een bemand bezoek aan de rode planeet nog altijd hoog op NASA’s verlanglijstje. De techniek die 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’, aldus Artemis Westenberg van Explore Mars. ‘De kennis die NASA, ESA en commerciële bedrijven opdoen met deze maanmissies, brengt ons straks ook naar Mars.’

Mijn gekozen waardering € -

Freelance journalist Nick Kivits (1984) schrijft voor Reporters Online over technologie, internet en de wetenschap.