Voordracht van Eddy Neefs (BIRA) op vrijdag 21 oktober 2016

BIRA of het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie mag nu Koninklijk zijn omdat het 50 jaar bestaat.
(weg naar) staat tussen haakjes, omdat ondertussen de missie is aangekomen en gezien de laatste ontwikkelingen zou het nu “BIRA rond Mars” moeten worden.
BIRA bevindt zich in Ukkel, naast het KMI waarvan het in de jaren zestig werd afgesplitst. In eerste instantie onderzocht het de atmosfeer van de aarde, maar dit werd uitgebreid naar de atmosfeer van andere planeten en de zonnewind.

Vandaag werd het dus Mars, het kleine broertje van de aarde; op Venus, het kleine zusje van de aarde was men al bedrijvig.
Na enkele planetologische en geologische (of marsologische?) eigenschappen, waaruit blijkt dat Mars vergelijkbaar is met de aarde, kwamen de klimatologische eigenschappen van Mars aan bod die voor de missie het belangrijkste zijn omdat ze zich afspelen in de atmosfeer. Deze is zeer ijl, de atmosferische druk is 1/180 van de atmosferische druk op aarde en is vooral samengesteld uit C02 (95%), N2 (2,7%) en O2 (0,13%). Er is weinig of geen ozon zodat de UV-stralen ongehinderd het oppervlak bereiken zodat we kunnen stellen dat er geen leven aanwezig zal zijn aan het oppervlak.
De planeet is koud, gemiddeld ca -63°C, er zijn poolkappen van vooral C02-ijs die wisselen naargelang de seizoenen. Aan de polen is ook waterijs gevonden en waarschijnlijk zit er water in de bodem. Er zijn sporen gevonden van vloeibaar water, pekelwater, dus heel zout. Er kunnen wolken optreden van waaruit het kan sneeuwen. Er komen blauwe bolvormige structuren voor die ook wijzen op aanwezigheid van water.

Naar Mars
Verblijven op Mars zal niet eenvoudig zijn:
koud, geen O2, zeer lage luchtdruk;
geen ozon: veel UV-stralen;
er zou wel water zijn.
Toch is het doel van het project om te zoeken of er leven aanwezig is en/of er leven geweest is? Men heeft plaatsen vastgesteld met verhoogde methaanaanwezigheid alhoewel UV-stralen methaan afbreken. Er wordt dus methaan aangemaakt.
Maar is het van biologisch of van geologisch oorsprong? Op aarde is 90% van het methaan afkomstig van biologische processen. Vooral van koeien. De methaanvorming wordt dan ook uitgedrukt in aantal koeien. Geologisch methaan wordt gevormd door vulkanisme en bij warmwaterbronnen.
Men heeft echter nog andere hypotheses voor de vorming van methaan: we keren terug naar de blauwe bolletjes die olivijn zouden bevatten dat met water en koolzuurgas serpentijn vormt, de serpentinatie, waardoor methaan gevormd wordt. Als derde hypothese denkt men aan opgeslagen methaan van vroeger biologisch leven en als laatste en vierde hypothese een vorm van leven.

Meten is weten:
ExoMars, Exo betekent leven buiten de aarde. Dus ExoMars: leven op Mars.
TGO is de Trace Gaz Orbiter: trace is spoor, en afkorting verwijst dus naar sporen van methaangas.
We krijgen dan een overzicht van de recente geschiedenis van het onderzoek naar leven. Eerst werd er gezocht naar water, dan van 2001-2013 werd gezocht naar leefbare omstandigheden en daarna is men beginnen zoeken naar sporen van leven. De toekomst brengt ons naar 2020 als het roovertje zal gelanceerd worden dat tot 2m diep kan boren om daar naar sporen van leven te zoeken.

ExoMars was eerst een samenwerking tussen ESA en NASA, maar het is een samenwerking geworden tussen ESA en Roscosmos (rusland). We krijgen beelden van de voorbereidingen tot de lancering van de module en een filmpje van de lancering zelf in Bajkonoer. De Russische lanceringen zijn minder performant en hebben niet zo een hoog percentage van gelukte lanceringen. Het was dus spannend.

Hoe geraak je op Mars? De aarde draait op 1 jaar rond de zon, Mars op ca. 2 jaar, het is dus om de twee jaar dat beide dicht bij elkaar staan en er een gunstig moment komt om te lanceren. Dit lanceringsvenster duurt slechts een maand. Na die maand moet men weer twee jaar wachten. We krijgen een filmpje van de vlucht met de plaatsen waar bepaalde ingrepen moesten gebeuren zoals de Near Earth commissioning phase waar de satelliet van de lanceerinrichting wordt gescheiden en getest wordt of alle instrumenten nog werken; het Deep-space manoeuvre opdat de satelliet Mars zou onderscheppen; de mid-cruise checkout; het losmaken van Schiaparelli en het brengen van de satelliet in een hogere baan: de Mars waiting orbit wat een zeer elliptische baan is.
Nadien gaat de baan kleiner gemaakt worden, de deorbiting: de satelliet zal door de atmosfeer van Mars gestuurd worden om hem zo zonder al te veel energieverbruik af te remmen. Het gaat ongeveer een jaar duren eer de satelliet in zijn definitieve baan zal gebracht geworden geweest zijn. Hij zal later in 2020 ook gebruikt worden als doorgeefstation voor de roover.
Voor schiaparelli krijgen we een filmpje van hoe de landing had moeten gebeuren maar zoals het niet gebeurd is. Volgens dat we weten zou de parachute te vroeg zijn losgekoppeld en vielen de trusters veel te snel uit waaruit wordt afgeleid dat het toestel gecrasht is. De Belgische camera (DECA) heeft zelfs geen tijd gehad om een foto te nemen. We krijgen wel een beeld van de weg die door schiaparelli door de atmosfeer werd afgelegd, met alle tijdstippen en waar alles perfect verloopt, alleen het laatste kleine stukje (5%) liep het fout. Het weerstation dat 7 dagen moest werken is stuk, de DECA (descend camera) is stuk alsook de OIP-sensor. Probleem is nu of er nog subsidies gaan komen voor de lancering van het roovertje in 2020.
We krijgen nog enkele beelden die tonen hoe alle onderdelen van de lander speciaal moesten behandeld worden om er geen stof noch bacteriën op achter te laten die Mars zouden kunnen besmetten.
Belangrijker is echter dat de satelliet wel exact gewerkt heeft en in een baan rond Mars werd gebracht, zodat de NOMAD, het Belgische instrument, wel zijn werk zal kunnen doen. Schiaparelli was trouwens een minder belangrijk onderdeel van de missie.
Er worden enkele beelden getoond van de livestream in de conrolekamer zoals het doppler profiel, de metingen die gebeurden met de Doppler hoogtemeter tijdens de afdaling van Schiaparelli, en het profiel van de TGO dat eerst ruis vertoont vanwege zijn passage langs de achterzijde van de planeet en dan plots het signaal toont als hij er vanachter vandaan komt. Door de huidige afstand van Mars tot de aarde is dit signaal 10 minuten onderweg.

De TGO heeft vier instrumenten aan boord. We zien twee gouden Russische elementen die niet van goud zijn, maar afgeschermd zijn door een goudkleurige folie. Het zijn de FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) en de ACS (Atmospheric Chemistry Suite). Aan de andere kant vinden we de Belgishe NOMAD spectrometer en de Zwitserse CaSSIS (Camera and Stereo Surface Imaging System).
Een foto toont de satelliet in de witte kamer. Alle rode elementen die we zien worden nog weggehaald voor het vertrek. De hoofdonderzoeker is dit keer een Belgische vrouw, Ann Van Daele.

De NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) heeft 23 000 000 euro gekost en bestaat uit drie spectrometers, twee voor infrarood en een voor ultraviolet, en de daarbij horende elektronica. Op een foto kunnen we de delen onderscheiden zoals het diffractierooster. Over het instrument komt een thermisch deken om het te beschermen tegen achtergrondinvloeden.
Als het instrument klaar is moet het getest worden zoals zijn weerstand tegen trillingen op een raketsimulator; hoe het reageert in het luchtledige; of andere instrumenten geen storingen geven en ook omgekeerd of het instrument zelf geen storingen verwekt; ten slotte moet ook de weerstand tegen de schok die wordt teweeggebracht door het afstoten van laatste trap worden getest.

De spectrometers kunnen een groot bereik aan van infrarood tot ultraviolet. Het licht van de zon dat opgevangen wordt moet door de atmosfeer schijnen wat gebeurd bij zonsopgang en zonsondergang. De aanwezige deeltjes absorberen bepaalde lichtfrequenties zodat het opgevangen spectrum hiaten vertoont. We zien dan op de grafiek lijntjes die naar beneden geplooid zijn: de spectraallijnen die verklikken door welke deeltjes het licht werd onderschept. Zo kunnen we weten welke stoffen in de atmosfeer aanwezig zijn zoals bv. water of koolzuurgas.

Het belangrijke element bij de bouw van het instrument is het filtertje waarmee we kunnen bepalen welk frequentiestukje van licht dat we gaan bestuderen: de AOTF ((Acousto-Optical Tunable Filter). Het bestaat uit synthetisch tellurium dioxide, een kleurloze doorschijnende stof met een hoge brekingsindex waarvan de eigenschappen elektronisch kunnen gewijzigd worden. Bij de eerste test van de NOMAD werd het op het trillingsrooster volledig verbrijzeld tot wit poeder.

Het diffractierooster bestaat uit trapjes die er voor zorgen dat er kleurschifting van het invallende licht ontstaat. Zo een trapjesrooster kost 200 000$ en de levertermijn is 1 jaar. Er is ook een detector die wordt gekoeld tot op 80K.

De laatste keer dat het instrument getest werd was tijdens de mid-cruise checkout in juni door het spectrum van de zon in beeld te brengen. De volgende keer zal dit gebeuren op 21 november.

Landen op Mars:
In 2020 moet dan het roovertje naar Mars vertrekken en de landing moet ongeveer op dezelfde manier gebeuren als dat schiaparelli had moeten landen. De roover staat op een landingsplatform en zit in een uitklapbaar systeem dat als bloemblaadjes uit elkaar moet klappen. Het zal boren in de grond tot 2m diep op zoek naar methaan of water.

Methaan:
Dit is het belangrijkste gas dat de missie gaat onderzoeken. In het eerste deel dat gaat beginnen als ExoMars in zijn definitieve baan is gebracht gaat men op zoek naar methaanbronnen en in het tweede gedeelte gaat men boren. De vraag is of het methaan dat aanwezig is op Mars van biologische of geologische oorsprong is en de NOMAD is instaat om beide vormen van elkaar te onderscheiden want de absorpstielijnen van beide zijn licht verschillend.
Het spectrum van de zon wordt tweemaal onderzocht, een keer doorheen de atmosfeer, bij zonsopgang en zonsondergang, maar ook met nadirwaarnemingen, dus loodrecht naar beneden, waarbij het gereflecteerde zonlicht wordt onderzocht.