Bij Antarctica wordt een op aliens jagende onderzeeër getest

Toen president Trump eerder dit jaar zijn begrotingsvoorstel indiende, kwamen ruimte-enthousiastelingen er tot hun schrik achter dat er geen geld werd vrijgemaakt voor de missie van NASA om een landingsvoertuig op Europa te zetten. Het is maar één van de 67 manen van Jupiter, maar Europa heeft waarschijnlijk als enige een oceaan van vloeibaar water. Die ligt alleen wel onder een ijzige, korst vol rode aderen die het oppervlak bedekt. Dit maakt deze maan de meest waarschijnlijke plek waar we buitenaards leven zouden kunnen vinden in ons zonnestelsel.

Gelukkig is nog niet alle hoop dat we de oppervlakte van Europa gaan verkennen verloren. Vorige week presenteerden NASA en de European Space Agency (ESA) samen een missievoorstel voor een nieuw landingsvoertuig dat Europa moet gaan onderzoeken.

Dit is bijzonder goed nieuws voor de mensen bij Stone Aerospace. Ze zijn de laatste jaren bezig geweest met de ontwikkeling van ARTEMIS, een zelfsturende onderzeeër die als prototype dient voor de technologie die, zo hopen ze, op een dag de oceaan van Europa kan verkennen. In 2015 werd ARTEMIS voor het eerst getest voor de kust van Antarctica en die resultaten werden vorige week gepresenteerd op de NASA's conferentie voor astrobiologie. De missie was in elk opzicht een gigantisch succes.

De onderzeeër is onderdeel van een miljoenenaanbesteding van NASA. Hij is meer dan vier meter lang, weegt meer dan 1200 kilo, en kan 4,5 kilometer zelfstandig varen voordat hij op moet opladen. Zo'n groot vaartuig zou natuurlijk belemmerend zijn voor iedere ruimtemissie naar Europa. ARTEMIS werd dan ook gemaakt van standaardonderdelen en was bedoeld om de autonome navigatie en het vinden van monsters te testen. De uiteindelijke onderzeeër zal helemaal op maat gemaakt moeten worden om z'n massa te verkleinen.

Bij het ontwikkelen van de systemen van ARTEMIS moest rekening worden gehouden met de bijzonder barre omstandigheden op Europa. De maan heeft geen atmosfeer, wat betekent dat parachutes niet werken. Het heeft een oppervlaktetemperatuur die nooit boven de -160 °C uitkomt en is bedekt met een ijskorst van onbekende dikte (NASA schat dat die tussen de 15 en 25 kilometer dik is). Verder weet nog niemand iets over de chemische samenstelling van de oceaan onder de ijslaag. Als Europa Clipper-missie aan het einde van de jaren 20 van deze eeuw er voorbij vliegt zal meer over de samenstelling bekend worden.

Het eerste technische probleem waar een landingsvoertuig mee te maken krijgt op z'n weg naar de vloeibare oceaan van Europa, is hoe door de dikke ijslaag van de maan te komen. Hiervoor is Stone een autonome cryobot genaamd SPINDLE aan het ontwikkelen. De cryobot is eigenlijk gewoon een grote, door kernenergie aangedreven soldeerbout met een onderzeeër erin, die met krachtige lasers een gaat door het ijs smelt.

Tot dusver heeft een vroeg prototype van de SPINDLE-cryobot, genaamd VALKYRIE, twee keer succesvol de boortechnologie getest bij een gletsjer in Alaska. Volgens Evan Clark, een robotwetenschapper bij Stone, is het "nagenoeg onmogelijk" om toestemming te krijgen om een kernreactor in een gletsjer te laten zakken, dus de VALKYRIE-robot maakte gebruik van een laser van 5 kilowatt om door het ijs heen te smelten.

"Er is maar een manier om qua energie door de ijslaag van Europa heen te komen en dat is met kernenergie," zei Clark bij de astrobiologieconferentie van NASA. "Je kunt kernenergie gebruiken, maar hoe ga je het toepassen? Je kent doen door middel van contactsmelten, het gebruiken om de boor aan te drijven, of zoals het SPINDLE-project heeft ontdekt, gewoon een laser direct op het ijs afvuren."

Tot dusver heeft de cryobot van Stone een maximale penetratiesnelheid van ongeveer 22 meter per uur gehaald, maar ontdekken hoe je door de ijslaag van Europa heen boort is nog maar het halve probleem. Vanwege de ijskoude temperaturen op het maanoppervlakte hersluit het boorgat zichzelf constant achter de SPINDLE terwijl hij zich dieper de korst in smelt. Elektromagnetische golven geleiden niet goed door ijs, wat het ophalen van waardevolle data van de op aliens jagende onderzeeër onmogelijk maakt.

Om dit probleem te omzeilen, zei Kristof Richmond, projectmanager van ARTEMIS, dat een cryobot op Europa waarschijnlijk radio-ontvangstboeien in het ijs achter zich los zou laten tijdens zijn afdaling. Hoewel die ontvangers in het ijs vast zouden komen te zitten, zullen ze dicht genoeg bij elkaar liggen om radiosignalen van ontvanger naar ontvanger te laten springen tot ze het oppervlak bereiken. Vanaf hier kunnen ze naar de satelliet worden gezonden en vervolgens terug naar de Aarde.

Zodra de ijspenetrator van de cryobot vloeibaar water bereikt, laat het de autonome onderzeeër los. De onderzeeër moet autonoom zijn vanwege de vertragingstijd tussen Jupiter en de Aarde (tussen de 30 minuten en een uur). En dan is het ook nog eens lastig om te communiceren met een vaartuig ondergedompeld in water. Daarom zijn Richmond en zijn collega's bij Stone een geavanceerd autonoom geleidingssysteem aan het ontwikkelen. Hiermee kan het vaartuig veilig navigeren in de oceaan onder de korst terwijl het monsters afneemt van het ijs en het omliggende water.

Aangezien radiogolven niet goed geleiden onder water, zal een autonome onderzeeër op Europa niet kunnen vertrouwen op standaard radiocommunicatie of gps-satellieten. Om deze problemen te omzeilen, zocht het team van Stone zijn heil bij een navigatiesysteem dat op twee manieren werkt. Het gebruikt een gyroscoop om de richting van de onderzeeër te bepalen. De snelheid wordt vergeleken met het plafond van het ijs, en dat gebeurt met een Doppler-snelheidslogboek. Door stromingen ontstaan kleine navigatiefoutjes die zich opstapelen. Dit zorgt ervoor dat de onderzeeër maar tot binnen een straal van een kilometer van dat kleine gaatje in het ijs terug kan keren.

Op dit punt treedt het tweede deel van het navigatiesysteem van de ARTEMIS in werking: een akoestisch baken op het aankoppelingsstation van de ARTEMIS wat het vaartuig in staat stelt te navigeren tot binnen 6-9 meter van het station. Het kan een aan het station bevestigde witte lichtstaaf zelfs in het pikkedonker van de oceaan onder het ijs zien en gebruikt een zichtalgoritme om zichzelf naar het licht te navigeren.

Vooralsnog is het team van ARTEMIS de gegevens nog aan het verwerken van de Antarctische missie, die in december 2015 eindigde. Er zijn nog wat obstakels in het ontwikkelen van een toekomstige ruimte-onderzeeër, maar er is nog tijd. De meest recente missie voor een landingsvoertuig op Europa heeft het nog maar net tot de eerste planningsfase gehaald. Dus zelfs als NASA en de European Space Agency verder gaan met hun gezamenlijke plannen, is het onwaarschijnlijk dat de missie eind van de jaren 20 van deze eeuw van start gaat. En Richmond hoopt dan hun onderzeeër mee mag.

"We proberen om al deze dingen op een technisch niveau in de basis klaar te hebben," vertelde Richmond. "Als we dan ontbrekende informatie van de langsvlieg- en landingsmissies van Europa krijgen, kunnen we de knop omzetten zodat we klaar zijn om te vertrekken."