Snel maanstof kan de toekomst van menselijke missies naar de maan vertroebelen

Mensen op de maan laten landen is een smerige ervaring – een les die de Apollo-astronauten op de harde manier hebben geleerd. Het gebruik van een raketmotor om een groot ruimtevaartuig naar het maanoppervlak te laten dalen, doet een heleboel snel bewegend stof opwaaien dat zich ver en wijd kan verplaatsen en dat ruimtevaartuigen op en rond de maan kan raken en zelfs beschadigen. Het is een probleem dat sommige ingenieurs zeggen dat we nu moeten aanpakken, vooral als we in de komende tien jaar meer mensen op de maan willen laten landen.

Ruimteverkenners hebben de unieke omgeving van de maan te danken aan dit stoffige na-effect. Onze maanbuurman is ongeveer een kwart zo groot als de aarde, en heeft een zesde van de zwaartekracht van onze planeet. Hij heeft ook geen atmosfeer, waardoor kleine objecten gemakkelijk enige tijd over het oppervlak kunnen zweven voordat ze weer naar beneden komen. Dus als je een raketmotor voor langere tijd op de maan richt – wat je meestal moet doen om iets naar het oppervlak te laten zakken – kan het gemakkelijk maanvuil versnellen tot snelheden van duizenden meters per seconde, waardoor ze honderden kilometers ver weg worden gestuurd.

De handvol Apollo-landingen die in de jaren zestig en zeventig werden uitgevoerd, waren niet krachtig of frequent genoeg om paniek te veroorzaken over dit opgestoven stof. Maar nu wil de NASA terug naar de maan, deze keer om te blijven. Om een langdurige menselijke aanwezigheid op het maanoppervlak te handhaven zullen er veel landingen nodig zijn – om mensen, vracht, habitats en meer naar de maan te vervoeren. Zonder grote veranderingen in de infrastructuur zal dat de kans vergroten dat er stof wordt opgeworpen dat schade kan toebrengen aan ruimtetuigen rond de maan, de historische Apollo-locaties of zelfs de maanbasis die de NASA wil bouwen en onderhouden. Het zou ook kunnen leiden tot spanningen tussen landen die ruimtevaartuigen in de buurt van elkaar hebben.

“Er is potentieel voor ernstige internationale conflicten vanwege dit,” zegt Phil Metzger, een planetaire fysicus aan de Universiteit van Centraal Florida die vroeger bij NASA werkte om de effecten van raketontploffingen op planetaire lichamen te bestuderen.

Lunar stof bleek een beetje een nachtmerrie voor de Apollo-astronauten te zijn. Het kleefde zich aan alles vast. De astronauten kregen stof over hun pakken, wat het materiaal na verloop van tijd aantastte. De stofdeeltjes verstopten zelfs veel van de apparatuur die de astronauten gebruikten, zoals camera’s, radiatoren, knoppen en meer. En het stof dat tijdens de afdaling naar het maanoppervlak naar buiten werd geblazen, maakte het voor de astronauten moeilijk om te zien waar ze naartoe gingen. “Ik denk dat waarschijnlijk een van de meest vervelende, beperkende facetten van het maanoppervlak onderzoek het stof is en zijn hechting aan alles, ongeacht wat voor soort materiaal, of het nu huid, pak materiaal, metaal, maakt niet uit wat het is,” Apollo 17 astronaut Gene Cernan zei tijdens een debriefing na de missie in 1973. Omgaan met dit vuil zal een groot probleem zijn voor toekomstige maanverkenningsmissies – vooral als we daarboven habitats willen plaatsen.

Nog voordat mensen uit de deur van een maanlander stappen, zal het stof een probleem zijn, vanaf het moment dat de landingsmotor aangaat. Als je hier op aarde een raketmotor op een hoop stof, grind en stenen richt, zou de dikke luchtatmosfeer die onze planeet omringt de kleinere deeltjes het eerst afremmen, terwijl de grotere deeltjes door de windweerstand heen zouden breken en de grootste afstanden zouden afleggen. Op de maan is het precies andersom. Er is geen lucht rond het maanoppervlak, alleen vacuüm. Dus als een stel deeltjes tot hoge snelheden zou worden opgevoerd, zouden de kleinere deeltjes het snelst en over de grootste afstanden reizen, terwijl de grotere stenen al snel door de zwakke zwaartekracht van de maan zouden worden geveld.

Dat is precies wat er gebeurt als je een raketmotor gebruikt om je naar het maanoppervlak te laten zakken. Dankzij wat we hebben geleerd van de Apollo-missies, hebben ingenieurs ontdekt dat een grote lander ongeveer zo groot als de Apollo maanlander – in staat om gas uit te spuwen met een snelheid van ongeveer 2400 meter per seconde – stenen en deeltjes ter grootte van grind kan voortstuwen tot 10 à 100 meter per seconde, waardoor ze enorme afstanden kunnen afleggen (tot zes voetbalvelden ver). Maar het fijne stof en zand kunnen tot 1.000 meter per seconde versnellen, waardoor ze honderden kilometers ver worden voortgestuwd – of zelfs over de hele maan worden verspreid.

Als machines zich op het pad van deze snelle deeltjes bevinden, kunnen ze een ernstige explosie of schade oplopen. “Het kan een ruimteschip in een baan om de maan ruïneren als het toevallig op het verkeerde moment op de verkeerde plaats is,” zegt Metzger. De Apollo 12-astronauten zagen dit effect toen ze in november 1969 op de maan landden. Ze landden opzettelijk in de buurt van een robotsonde, Surveyor 3 genaamd, die de NASA in 1967 op de maan had laten landen. Toen ze stukken van de sonde mee terugnamen naar de aarde, ontdekten onderzoekers dat Surveyor 3 grondig gezandstraald was door stof van de landing.

“We kunnen zien dat de maangronddeeltjes diep in het oppervlak zijn doorgedrongen over de hele Surveyor,” zegt Metzger, die een team leidde dat delen van de Surveyor 3 sonde bestudeerde die terugkeerden van Apollo 12. “We kunnen zien dat de verf allemaal gebarsten is.”

Het probleem kan nog groter worden als NASA ernaar streeft om mensen terug naar de maan te sturen, omdat sommige van de landers die zijn voorgesteld door particuliere bedrijven zoals Blue Origin, Lockheed Martin en SpaceX veel groter zouden zijn dan de Apollo-landers. Het resultaat van al deze landers die op de maan neerkomen: nog meer stof en grote deeltjes die met hogere snelheden worden uitgeblazen.

“Het zal nog erger zijn,” zegt Metzger. “Het zal zandachtig spul zijn dat volledig van de maan wordt geblazen in een baan rond de zon. Grotere deeltjes zoals grind zullen over grotere afstanden worden verspreid.” Logistiek gezien zou dat slecht nieuws kunnen zijn voor eventuele toekomstige habitats die NASA of andere ruimtevaartorganisaties op de maan zouden willen bouwen. “Als je te dicht bij je buitenpost landt, zou het kunnen zijn alsof je je buitenpost bekogelt met grind dat met de snelheid van kogels reist,” zegt Metzger.

Het is ook een probleem voor historisch behoud. Ruimte archeologen zijn geïnteresseerd in het zo ongerept mogelijk houden van de Apollo landingsplaatsen, om ze mogelijk in de toekomst te bestuderen. “Er valt archeologisch nog veel te leren van deze vroege sites,” vertelt Beth O’Leary, een ruimte-archeoloog aan de New Mexico State University, aan The Verge. O’Leary is bijvoorbeeld geïnteresseerd in het mogelijk vergelijken van de technologie van de vroege Sovjet-robotruimtevaartuigen die op de maan landden met de vroege ruimtevaartuigen van Amerikaanse makelij, maar dat kan alleen worden gedaan als de onderdelen hetzelfde blijven als toen ze in de jaren zestig landden.

“Je zou dat alleen kunnen doen door te kijken naar de artefacten van de site in ,” zegt O’Leary. “Want als je iets weghaalt, kun je het vastleggen, je kunt het bewaren in een museum, maar je neemt de integriteit van de site weg.”

Daarnaast is O’Leary niet alleen bezorgd over hardware-artefacten, maar ook over de kenmerken die de Apollo-astronauten in de bodem hebben achtergelaten – met name hun maanvoetafdrukken. “Alles wat een kenmerk op de maan is, loopt echt het risico te worden verstoord door de wind, door allerlei eroderende krachten,” zegt O’Leary. “En de manier waarop ruimtevaartuigen in de toekomst zouden kunnen landen, of waar ze zouden landen, zou deze in wezen uitwissen.”

Eén manier om al deze voertuigen en machines te behouden, is door ver genoeg weg te landen, zodat waardevolle hardware intact blijft. Maar onderzoekers weten niet wat de beste minimumafstand is. In 2011 probeerden Metzger en een team van onderzoekers richtlijnen op te stellen voor hoe ver weg van de Apollo-sites andere entiteiten zouden moeten landen, om zo min mogelijk schade aan te richten. Het team kwam uit op een afstand van 2 kilometer, maar Metzger zegt dat dit getal arbitrair is – er is echt geen veilige minimumafstand. Aangezien landers de potentie hebben om wereldwijd stof te verspreiden, hangt het allemaal af van hoeveel schade als “oké” wordt beschouwd. Maanrobots kunnen een zekere hoeveelheid bombardement aan – in feite valt er voortdurend interplanetair stof op de maan – maar het is onduidelijk wanneer schade een aansprakelijkheid wordt.

“Op een bepaalde afstand zou de hoeveelheid schade die je gaat veroorzaken te verwaarlozen zijn in vergelijking met wat de natuur doet,” zegt Metzger. “Maar we zijn niet slim genoeg om erachter te komen wat die afstand is.”

Om het risico op schade te verminderen, zegt Metzger dat NASA en andere commerciële bedrijven die naar de maan gaan, serieus moeten overwegen om landingsplatforms op het maanoppervlak te maken voordat landingen routine worden. Maar ook die oplossing kent valkuilen. Het naar boven brengen van een geprefabriceerd metalen landingsplatform om op het oppervlak te installeren zou enorme hoeveelheden brandstof en grote sommen geld vergen. Een andere optie is het gebruik van microgolven of andere verhitte gereedschappen om de maanbodem tot een plat oppervlak te smelten, maar dat vereist het gebruik van experimentele technologie.

Uiteindelijk zal elke landingsplatformoptie nieuwe geavanceerde technologieën vereisen, en kan het maanmissies complexer en duurder maken. Gezien de nu al hoge kosten van terugkeermissies naar de maan, is het heel goed mogelijk dat NASA en andere commerciële bedrijven deze stap overslaan. Daarom betoogt Metzger dat het tijd is dat landen tot een soort overeenkomst komen dat schade aan hun maanruimtevaartuigen een zeer reële mogelijkheid zal zijn.

Naast de Apollo-locaties van de Verenigde Staten hebben China en Rusland beide robots naar de maan gestuurd, en andere landen, waaronder India en Japan, hebben ruimtevaartuigen op het maanoppervlak laten crashen. Deze voertuigen, of hun overblijfselen, kunnen in de vuurlinie liggen, ongeacht waar een grote menselijke lander neerploft. “Ik denk dat we een internationale overeenkomst moeten hebben dat we het er allemaal over eens zijn dat we elkaars hardware mogen zandstralen,” zegt Metzger. “Als we het daar niet over eens kunnen worden, dan betekent dat dat je bepaalde plekken op de maan gewoon niet kunt landen. En dat betekent dat landen in staat zullen zijn om effectief grondgebied te claimen.”

De VS zijn nog vele jaren verwijderd voordat mensen met regelmaat van en naar de maan zullen reizen, dus er is nog genoeg tijd om hierover na te denken voordat er internationale spanningen ontstaan. Maar als het de NASA en de particuliere ruimtevaartindustrie werkelijk ernst is om naar de Maan te gaan en daar te blijven, zullen deze organisaties zeer vertrouwd moeten raken met de deeltjes die het maanoppervlak bedekken. Want hun voertuigen zullen overal op de maan maanstof sproeien, of ze dat nu willen of niet.

Bekijk alle verhalen in Wetenschap