Mars Express – de Europese Marsverkenner

Mars Express
Artist impression van de Europese Mars Express in een baan om de rode planeet. Credit: ESA

De Mars Express is de eerste ruimtesonde van de ESA die een andere planeet onderzoekt. De Mars Express arriveerde, samen met de Beagle 2 lander, op 25 december 2003 bij Mars. Na 15 jaar draait de Mars Express nog steeds zijn rondjes om de rode planeet heen maar de Beagle 2 ging in december 2003 verloren toen kort voor de landing het contact werd verloren.

De Mars Express heeft o.a. methaan gevonden in de atmosfeer van Mars, de samenstelling van het poolijs in kaart gebracht en een mogelijk ondergrondse voorraad water gevonden onder de zuidelijke poolkap. Mars Express blijft minimaal actief tot eind 2020 en zal meehelpen om de ExoMars Trace Gas Orbiter en mogelijk ook de ExoMars rover die medio 2020 wordt gelanceerd, te ondersteunen.

Ontwikkeling

Enkele instrumenten van de Mars Express waren oorspronkelijk bedoeld voor de Mars 96-missie die kort na de lancering op 16 november 1996 mislukte. De stereoscopische hoge resolutie camera en de mineralogische spectrometer waren oorspronkelijk bedoeld voor de Mars 96. Ook enkele wetenschappelijke doelen van de Mars 96 werden geleend voor de Mars Express. ESA omschreef die wetenschappelijke doelen als volgt:

  • Planeet omvattende hoge-resolutie fotogeologie (waaronder topografie, morfologie, paleoklimatologie, etc) met een resolutie van 10 meter.
  • Super-resolutie fotogeologie van geselecteerde gebieden op de planeet met een oplossend vermogen van 2 meter per pixel.
  • Het op hoge resolutie in kaart brengen van de mineralogische samenstelling van het oppervlak met een oplossend vermogen van 1 kilometer tot enkele honderden meters.
  • Het op hoge resolutie in kaart brengen van de samenstelling van de atmosfeer en het bestuderen van de circulatie van de atmosfeer.
  • Het in kaart brengen van de structuur van de ondergrond op kilometer schaal tot aan de permafrost.
  • Het bestuderen van de interactie tussen het oppervlak en de atmosfeer en de interactie van de atmosfeer met de interstellaire ruimte.
  • Het bestuderen van het binnenste, de atmosfeer en de omgeving van de planeet m.b.v. radiostraling.
  • Geochemie en exobiologie aan het oppervlak

Er zijn twee soorten instrumenten aan boord van de Mars Express; instrumenten voor het oppervlak en de ondergrond en de atmosfeer en plasma instrumenten. De oppervlakte/ondergrond instrumenten zijn:

  • HRSC (High Resolution Stereo Camera)
  • OMEGA (Visible and Infrared Mineralogical Mapping Spectrometer)
  • MARSIS (Subsurface Sounding Radar Altimeter)

De atmosferische en plasma instrumenten zijn:

  • PFS (Planetary Fourier Spectrometer)
  • SPICAM (Ultraviolet and Infrared Atmospheric Spectrometer)
  • MaRS (Mars Radio Sciene Experiment)
  • VMC (Visual Monitoring Camera)
De noordpool van Mars
De noordpool van Mars. De rendering is gemaakt aan de hand van foto’s van de Mars Express en data van de MOLA aan boord van de Mars Global Surveyor.

Mars Express heeft zijn naam te danken aan zijn snelle ontwikkeling.  De ESA zocht een manier om het ontwikkelteam te verkleinen en gaf hoofdaannemer Astrium de belangrijkste verantwoordelijkheid. Om de ruimtesonde sneller te kunnen bouwen maakte het bedrijf gebruik van al aanwezige technologie. In 1996 kostte de orbiter slechts 150 miljoen euro.

 

Beagle 2 was een lander die voornamelijk door universiteiten en bedrijven in Engeland was ontwikkeld. De Beagle 2 kostte tussen de 65 en 90 miljoen dollar. De lander was vernoemd naar de HMS Beagle, het schip dat Charles Darwin gebruikte tijdens zijn reizen. Darwin gebruikte zijn waarnemingen van de natuur tijdens deze reizen als basis voor het formuleren van zijn theorie over natuurlijke selectie.

De orbiter en de lander werden op 2 juni 2003 vanaf de lanceerbasis Baikonoer in Kazachstan gelanceerd en bereikten op 25 december 2003 de rode planeet.

Het verlies van de Beagle 2

Beagle 2 had op Mars moeten landen om op zoek te gaan naar oude sporen van astrobiologie of buitenaards leven. Ofschoon de lander op één plek zou blijven was hij wel uitgerust met een robotische arm die samples kon nemen en foto’s van de omgeving kon maken.

ESA verloor tijdens de afdaling op 25 december 2003 het contact met de Beagle 2. Men bleef contact zoeken met de lander maar zonder resultaat en in februari 2004 werd de Beagle 2 officieel als verloren beschouwd.

Een onderzoekscommissie stelde dat de lander vermoedelijk een probleem had met de airbag die of met de hoofdparachute in botsing was gekomen of de lander op het verkeerde tijdstip had losgelaten. De commissie oordeelde dat onzorgvuldig management, risico evaluatie en fondsenwerving hadden bijgedragen aan de mislukking.

In januari 2015 vond de hoge-resolutie camera van de Mars Reconnaissance Orbiter de Beagle 2 lander, zijn hitteschild en mogelijk tekenen van een parachute op Mars terug. De Beagle 2 lag ongeveer 5 kilometer buiten het centrum van zijn beoogde landingszone in Isidis Planitia.

Er was bewijs geleverd dat de Beagle 2 het oppervlak had gehaald maar zich niet goed had ontvouwen, aldus het Britse ruimtevaartagentschap.

De eerste dagen op Mars

Olympus Mons Caldera
De caldera van Olympus Mons gefotografeerd door de Europese Mars Express

Beagle 2 begon dus nooit aan zijn missie maar de Mars Express wel. De ruimtesonde deed zijn eerste belangrijke ontdekking al voordat de sonde in zijn definitieve baan was gekomen. Op 23 januari 2004 ontdekte de Mars Express waterijs en koolstofdioxide ijs aan de zuidpool van de planeet. Dit betekende dat binnen een maand na bereiken van zijn bestemming al een van de doelstellingen was behaald.

De ontdekking van water werd in maart 2004 bevestigd toen het team van de Mars Express stelde dat de zuidpoolkap in het centrum voor ongeveer 85% uit CO2-ijs bestaat en voor 15% uit waterijs.

Een aantal weken later werd de tweede belangrijke ontdekking bekend gemaakt; men vond methaan op Mars. Wetenschappers waren opgewonden want methaan blijft niet lang aanwezig in de atmosfeer en dit betekent dat er ergens aan het oppervlak een bron moest zijn voor die methaan. Wetenschappers filosofeerden over vulkanen die methaan uitstoten maar zeiden er meteen bij dat dit nog nader onderzocht moest worden. Sinds die tijd zijn er variërende hoeveelheden methaan in de atmosfeer gemeten, ook door de Mars Curiosity Rover die in 2012 landde op Mars.

In april 2004 waren er problemen voor de Mars Express toen MARSIS, een radarinstrument, ontvouwd moest worden. Simulaties die op het laatste moment werden gedaan lieten zien dat als het ontvouwen niet met de uiterste zorg zou gebeuren dit een negatief effect zou kunnen hebben op de stabiliteit van de ruimtesonde. Het ontvouwen van MARSIS werd uitgesteld totdat er meer testen waren gedaan.

In mei 2005 ging men verder met het ontvouwen van MARSIS waarbij een deel van een antenne niet volledig uitklapte zoals gepland. In juni 2005 werd MARSIS volledig operationeel.

Mars in HD

Eén van de sterke punten van de Mars Express is de hoge resolutie van de instrumenten. Camerabeelden leverden de beste opnames tot nu toe op van Mars waardoor wetenschappers veel meer informatie verkregen.

Een bekend voorbeeld is het beroemde “gezicht op Mars”. Dit werd op 25 juli 1976 voor het eerst door de Viking 1 gefotografeerd. Het zijn rotsen en schaduwen in het Cydonia-gebied die doen lijken op een menselijk hoofd. NASA waarschuwde al vanaf het begin dat door het samenspel van licht en schaduw de formatie op een gezicht leek maar het helemaal niet was. Complotdenkers dachten hier echter héél anders over.

In 1998 maakte de Mars Reconnaissance Orbiter nogmaals een foto van het “gezicht” en toen werd echt duidelijk dat het gezicht werd veroorzaakt door schaduwen en een slechte resolutie van de Viking 1 camera. Mars Express fotografeerde dit gebied opnieuw en bevestigde de bevindingen van de MRO.

De hoge resolutie camera’s van de Mars Express werden ook gebruikt om de definitieve landingsplaats voor de Mars Curiosity missie te bepalen. De resolutie van 100 meter per pixel werd door de planners gebruikt om de definitieve landingszone van de Curiosity af te bakenen.

De Curiosity landde op 6 augustus 2012 slechts 2,4 kilometer van het centrum van de bedoelde landingszone.

Het binnenste in kaart gebracht

Mars Express kan niet alleen maar de buitenkant van de planeet bestuderen. MARSIS, die nu prima functioneert, kan het binnenste van de planeet in kaart brengen maar kan ook dingen in de buurt bestuderen.

Zo scheert de Mars Express periodiek langs Phobos, een van de twee kleine maantjes van Mars. In 2013 passeerde de Mars Express op slechts 45 kilometer om zo meer te leren over het binnenste van Phobos waarvan men aanneemt dat die voornamelijk uit lege ruimte bestaat.

De aardappelvormige maan heeft een diameter van slechts 22 kilometer. Uitgaande van gegevens van de Mars Express denken astronomen dat de maan is ontstaan na een inslag van een komeet of een meteoriet in een ver verleden. Er waren meer waarnemingen gepland tijdens de Russische Phobos-Gruntmissie maar die ging kort na zijn lancering in november 2011 verloren.

In 2012 nam de Mars Express een mogelijke oude oceaan waar op Mars: sedimenten op de noordelijke vlaktes van de planeet vertoonden grote overeenkomsten met die we in de oceanen op Aarde ook aantreffen. De informatie was afkomstig van twee jaar aan data van de MARSIS maar ondersteunde eerdere waarnemingen waar mogelijke kustlijnen in dat gebied zichtbaar waren.

Tien jaar op Mars en verder

In 2013 had de Mars Express er 10 jaar bij Mars opzitten. Ter gelegenheid van dit jubileum werden er verschillende kaarten vrijgegeven met daarop de plaatsen waar mineralen waren gevonden die door water zijn ontstaan en waar mineralen door vulkanische activiteit zijn verspreid. De kaarten lieten ook interessante plekken voor toekomstige landingen zien zoals gebieden met mogelijke ijsafzettingen.

In oktober 2014 scheerde komeet Siding Spring op slechts 137.000 kilometer langs Mars. Verschillende ruimtesondes die in de buurt waren, waaronder de Mars Express deden waarnemingen aan de komeet. De hoge resolutiecamera van de Mars Express maakte verschillende foto’s en de spectrometer onderzocht de samenstelling van de komeet.

In september 2016 werd een verrassende ontdekking gedaan toen bleek uit gegevens van de Mars Express (en andere ruimtesondes) dat sommige stromen en meren op Mars pas 2 tot 3 miljard jaar geleden waren ontstaan. Astronomen hadden dit niet verwacht want men nam aan dat de planeet het merendeel van zijn atmosfeer al veel eerder was kwijtgeraakt.

In oktober 2017 fotografeerde de Mars Express wolken op grote hoogte. Samen met modellen en andere datasets gaven ze details prijs over hoe de atmosfeer en de seizoenen wolken kunnen veranderen. Gegevens van de Mars Express speelden ook een belangrijke rol in het schitterende mozaïek van de noordpool dat in februari 2017 werd vrijgegeven.

In juli 2018 kondigden wetenschappers aan dat radarwaarnemingen van de MARSIS die over verschillende jaren waren verzameld lieten zien dat er mogelijk water aanwezig is onder de zuidpool van Mars. Niet alle wetenschappers waren het met deze interpretatie eens maar het onderzoeksteam zei destijds dat ze redelijk overtuigd waren van het resultaat. MARSIS was in staat om echo’s van beneden de zuidelijke poolkap van Mars te detecteren die sterker waren dan echo’s van het oppervlak. Op Aarde is dit alleen mogelijk als er zich subglaciaal water bevindt zoals in Antarctica op plaatsen als het Vostok meer, aldus de onderzoekers.

 

Eerste publicatie: 22 september 2018