BepiColombo – De Europees-Japanse missie naar Mercurius

Bepicolombo ruimtesonde
De BepiColombo tijdens de reis naar Mercurius toe. Bij aankomst in een baan om de planeet zal de sonde in drieën splitsen waarna de Europese sonde en de Japanse sonde ieder hun weg gaan. Credit: ESA

BepiColombo is een Europees-Japanse missie naar de planeet Mercurius. BepiColombo is op 20 oktober 2018 gelanceerd vanaf de lanceerbasis Kourou in Frans-Guyana. De missie bestaat uit een ruimtevaartuig dat de Mercury Transfer Module (MTM) wordt genoemd. Deze module bevat de elektrische energie voor de reis, en twee aparte orbiters. De Mercury Planet Orbiter (MPO) wordt geleverd door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en de Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) wordt door het Japanse Aerospace Exploration Agency (JAXA) gebouwd.

De ruimtesonde heeft ongeveer 7 jaar nodig om bij Mercurius te komen en tijdens de reis zal er enkele keren een scheervlucht gemaakt worden langs planeten om de koers te veranderen en om de snelheid te beïnvloeden. In 2010 zijn er scheervluchten langs de Aarde en langs Venus, in 2021 zal wederom een scheervlucht langs Venus worden gemaakt en tussen 2021 en 2025 worden er scheervluchten langs Mercurius gemaakt. Uiteindelijk zullen al deze scheervluchten ervoor moeten zorgen dat de BepiColombo in december 2025 in een baan om Mercurius komt.

Tijdens de lange reis naar Mercurius toe zal de Japanse MMO slapen. De MMO zal alleen af en toe wakker worden gemaakt om te kijken of alles nog naar behoren functioneert. De Europese MPO zal met de Aarde communiceren en zal ook gebruikt worden op de MMO en de MTM te besturen tot de drie van elkaar zijn gescheiden.

Net voordat de BepiColombo in een baan om Mercurius komt zal de MTM worden losgekoppeld van de MPO en de MMO. De laatste twee zullen in afzonderlijke banen om Mercurius komen om van daaruit de planeet te gaan onderzoeken. De missie gaat minstens een aards jaar duren. Eén aards jaar komt overeen met vier Mercurius jaren. Als de twee ruimtesondes nog in goede conditie zijn en er zijn nog genoeg fondsen beschikbaar dan zal de missie mogelijk worden verlengd.

MMO wordt MIO

In 2018 schreef JAXA een wedstrijd uit om de MMMO een andere naam te geven. het is gebruikelijk dat Japanse ruimtesondes ook een naam krijgen die gerelateerd is aan de Japanse mythologie. JAXA heeft de MMO omgedoopt tot MIO naar “mio-tsukushi”. Historisch gezien zijn dit markeerpunten voor boten op rivieren en de zee. In de Japanse poëzie betekent mio-tsukushi hard werken en nooit opgeven. In de Japanse taal staat het woord “mio” ook voor waterweg of vaargeul.

Geschiedenis van de BepiColombo-missie

Het eerste voorstel voor een Europese missie naar Mercurius stamt uit 1993. Toen werd een ruimtesonde naar Mercurius toegevoegd als een van de drie mogelijke missies in het kader van het Horizon 2000 programma. Tot dit programma behoorde ook de Cassini die Saturnus en zijn manen onderzocht en de Huygens lander die op Titan landde.

In 2000 werd BepiColombo samen met de Gaia-missie die een driedimensionale kaart van ons sterrenstelsel moest gaan maken, goed gekeurd. In 2004 vroeg ESA voor wetenschappelijke voorstellen voor de MPO. De instrumenten voor de MPO werden later in dat jaar geselecteerd.

In 2007 werd Astrium GmbH geselecteerd als hoofdaannemer voor de BepiColombo. Oorspronkelijk had men de Sojoez-Fregat-raket willen gebruiken om de ruimtesonde te lanceren maar toen in 2008 bleek dat de ruimtesonde zwaarder zou worden werd gekozen voor de krachtigere Ariane-5 raket. In 2009 gaf ESA groen licht voor het aangepaste ontwerp.

De lanceerdatum is al verschillende keren naar achteren geschoven. In eerste instantie zou de lancering in juli 2014 plaatsvinden maar die werd vertraagd naar 2015 toen Astrium tegen vertragingen aanliep bij de ontwikkeling en de productie van o.a. de zonnepanelen en het elektrische voortstuwingssysteem. Later deden er zich nog meer vertragingen voor waardoor de lanceerdatum van 2016 naar 2017 naar 2018 werd verschoven.

Nadat er een groot probleem in het elektrische gedeelte van de MTM werd ontdekt werd de lancering die gepland stond voor april 2018 met zes maanden vertraagd tot oktober 2018.

Wetenschappelijk onderzoek BepiColombo

Volgens ESA zal een missie naar Mercurius wetenschappers niet alleen helpen om beter te begrijpen hoe de planeet is ontstaan maar moet de missie ook meer informatie opleveren over het ontstaan van het zonnestelsel in zijn algemeenheid. ESA heeft de doelen van de missie als volgt geformuleerd:

  • Het onderzoeken van het ontstaan en de evolutie van een planeet die zich dicht bij zijn ster bevindt.
  • Het bestuderen van Mercurius als planeet: zijn ontstaan, de interne structuur, geologie, samenstelling en kraters.
  • Het bestuderen van de exosfeer van Mercurius: de structuur en de dynamica
  • Het onderzoeken van de magnetosfeer van Mercurius: de structuur en de dynamica
  • Bepalen van de herkomst van het magneetveld van Mercurius
  • Het onderzoeken van de afzettingen aan de polen: hun samenstelling en herkomst
  • Het testen van de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein

De MPO van de ESA is uitgerust met de volgende instrumenten:

  • BELA – BepiColombo Laser Altimeter
  • ISA – Italian Spring Accelerometer
  • MPO-MAG – Magnetic Field Investigation
  • MERTIS – Mercury Radiometer and Thermal Imaging Spectrometer
  • MGNS – Mercury Gamma-Ray and Neutron Spectrometer
  • MIXS – Mercury Imaging X-ray Spectrometer
  • MORE – Mercury Orbiter Radio science Experiment
  • PHEBUS – Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy
  • SERENA – Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances (neutral and ionised particle analyser)
  • SIMBIO-SYS – Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory – HRIC, STC, VIHI
  • SIXS – Solar Intensity X-ray and particle Spectrometer

De MMO van Japan is uitgerust met de volgende instrumenten:

  • MERMAG-M/MGF – Mercury Magnetometer
  • MPPE – Mercury Plasma Particle Experiment
  • PWI – Mercury Plasma Wave Instrument
  • MSASI – Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager
  • MDM – Mercury Dust Monitor

Eerdere missies naar Mercurius

In de begintijd van de ruimtevaart zochten wetenschappers naar de meest geschikte manier om opnames te maken van Mercurius. Ofschoon de planeet de Aarde soms tot op 77 miljoen kilometer nadert, ongeveer een derde van de afstand tussen de Aarde en Mars, kost het enorm veel energie om een ruimtevaartuig af te remmen zodat het in een baan om Mercurius kan komen.

Studies uit de jaren ’50 en ’60 suggereerden dat een ruimtevaartuig de zwaartekracht van Venus zou kunnen gebruiken om naar Mercurius toe te slingeren en op deze manier zou er veel raketbrandstof bespaard kunnen worden. In 1970 en 1973 waren de posities van de onderlinge planeten gunstig om een dergelijke scheervlucht uit te voeren.

Hier komt de naamgeving van de BepiColombo-missie om de hoek kijken. Giuseppe “Bepi” Colombo was destijds een astronoom verbonden aan de Universiteit van Padua in Italië. Hij toonde aan dat nadat een ruimtesonde een scheervlucht langs Mercurius had gemaakt het in een baan om de Zon zou komen die 176 dagen duurt. Dit is het dubbele van de 88 dagen die Mercurius nodig heeft om eenmaal om de Zon te draaien waardoor het voor een ruimtesonde gemakkelijk zou zijn om herhaaldelijk langs Mercurius te scheren met slechts geringe baancorrecties. Het enige probleem was dat bij iedere scheervlucht hetzelfde deel van Mercurius belicht zou zijn en dus alleen dat deel onderzocht zou kunnen worden.

Dit was dan ook het plan voor de allereerste missie naar Mercurius. Mariner 10 werd op 3 november 1973 gelanceerd. In februari 1974 maakte de Mariner 10 een scheervlucht langs Venus en op 29 maart 1974 werd de eerste scheervlucht langs Mercurius gemaakt. Ofschoon de ruimtesonde vanaf de nachtzijde naderde werd het zonverlichte halfrond gefotografeerd toen de ruimtesonde achteruit keek.

Mariner-10
Mariner-10 was 30 jaar lang de enige ruimteverkenner die Mercurius heeft bezocht.

Op 21 september 1974 en 16 maart 1975 volgden nieuwe scheervluchten. Hoogtepunt van de Mariner-10 missie was o.a. de ontdekking van een magnetisch veld dat lijkt op dat van de Aarde. Mariner 10 bestudeerde het magneetveld en de effecten van de zonnewind (de constante stroom van geladen deeltjes die van de Zon af komt).

Het oppervlak van Mercurius kon worden onderverdeeld in vlaktes met kraters, gebieden zonder kraters en zwaar bekraterd terrein dat veel weg had van het landschap op de Maan. Het meest opvallende was, gedeeltelijk zichtbaar aan de terminator, was een gigantisch inslag bassin dat Caloris werd genoemd. Andere verrassingen waren steile kliffen en kloven van honderden kilometers lang die vermoedelijk ontstaan zijn toen de planeet kort na zijn ontstaan begon af te koelen en kromp.

Het Caloris Bekken op Mercurius
Het Caloris Bekken op Mercurius. Deze valse kleur opname laat duidelijk zien dat Mercurius vroeger stevig is gebombardeerd vanuit de ruimte. De opname is gemaakt door de MESSENGER. Credit: NASA/JPL

Jarenlang bleef de Mariner 10 de enige ruimtesonde die een bezoek aan Mercurius heeft gebracht maar dit veranderde toen op 3 augustus 2004 de Messenger (Mercury Surface, Space, Environment, GEochemistry and Ranging) -missie werd gelanceerd. MESSENGER bereikte na verschillende scheervluchten langs Mercurius, Venus en de Aarde zijn doel. In januari 2008, oktober 2009 en september 2009 werden er scheervluchten gemaakt langs Mercurius waarna de ruimtesonde tussen maart 2011 en april 2015 in een baan om Mercurius verbleef. Nadat de MESSENGER door zijn brandstofvoorraad heen was stortte de ruimtesonde neer op de planeet.

Enkele van de belangrijkste ontdekkingen van MESSENGER zijn het bewijs voor water in de permanent donkere kraters aan de polen van de planeet, uitgebreide vulkanische activiteit over de gehele planeet in het verleden van de planeet en het voorkomen van verzakkingen aan het oppervlak die tot nu toe alleen op Mercurius zijn aangetroffen.

Bronnen:

Eerste publicatie: 19 oktober 2018