Waarom is het zo moeilijk om op de maan te landen?

De recente maanlanding van Japan, waarbij het de vijfde natie werd die een zachte landing voltooide na India afgelopen augustus, toonde de uitdagingen van terugkeren naar de maan. De maan heeft natuurlijk geen atmosfeer, waardoor het onmogelijk is om een parachute te gebruiken. Alleen raketmotoren kunnen worden gebruikt, die nauwkeurige aanpassingen vereisen om een landing met bijna nul snelheid te bereiken. Het landen op de maan is een complexe taak die radar- en lasermetingen vereist om de hoogte te bewaken en brandstofverbruik zorgvuldig te beheren. Het doel is om vroegtijdige uitputting te vermijden en tegelijkertijd een veilige landing zonder horizontale verplaatsing te garanderen. En de delicate boordinstrumenten moeten worden beschermd tegen mogelijke schade bij de impact.

De uitdaging is zo groot dat de NASA ervoor heeft gekozen om het Artemis-programma uit te stellen en de bemande maanlanding uit te stellen tot ten minste 2026. Onbemande landers hebben ook vaak te maken gehad met mislukkingen. In het afgelopen decennium zijn er geen particulier gefinancierde pogingen geslaagd, waarbij alleen China en India succesvolle zachte landingen hebben gemaakt.

Wat gebeurde er met de meest recente mislukte landingen? Chandrayaan 2 crashte vanwege een fout in de software voor de afdaling. De Luna 25 van Rusland crashte vanwege een storing in het remmensysteem. De Beresheet van Israël ondervond een reset van de centrale computer op lage hoogte, waardoor herstel en herstart van de motor werden voorkomen. Het radarsysteem van de Hakuto-R van Japan interpreteerde de steilheid van een kraterwand verkeerd. De Amerikaanse Peregrine-maanlander had een brandstoflek door een vastzittend ventiel, wat leidde tot missie-uitval. Maar Chandrayaan 3 van India landde met succes op de zuidpool van de maan. Door eerdere mislukkingen te betreuren, herschreven de Indiase ingenieurs een groot deel van de software voor de landingsschema's. Ze namen de wet van Murphy als hun motto: "Alles wat mis kan gaan, zal mis gaan." Met deze premisse slaagden ze erin om het opmerkelijke feit te bereiken om het vijfde land te worden dat op de maan landde.

Waren er vroeger geen crashes? Absoluut. Het kostte de Sovjet-Unie een dozijn pogingen om de eerste capsule op de maan te laten landen. En het was een zeer eenvoudig voertuig dat een harde landing maakte, beschermd door airbags. Ook de eerste Amerikaanse pogingen eindigden in mislukking. De Ranger-serie van maanlanders deed zes pogingen voordat ze succes boekten, hoewel die ruimtevaartuigen bedoeld waren om te worden vernietigd bij impact met het oppervlak van de maan. Hoewel de NASA een succesvolle zachte landing bereikte met de Surveyor 1-sonde bij de eerste poging, mislukten twee van de zes daaropvolgende pogingen.

Het Chinese ruimteprogramma valt op door een indrukwekkend succesrecord. Ze hebben op hun eerste pogingen opmerkelijke prestaties geleverd, waaronder maan- en Marslandingen, roverinzet en de complexe taak om regoliet (losse rots en stof) monsters terug te brengen naar de aarde. De missies van China zijn uitgevoerd door autonome robots.

Kan een maanlanding vanaf de aarde worden bestuurd? Nee. Een maanlanding kan niet vanaf de aarde worden bestuurd, omdat radiosignalen iets meer dan een seconde nodig hebben om ons vanaf de maan te bereiken. Hetzelfde geldt voor signalen die vanaf de aarde naar het ruimtevaartuig worden gestuurd. Die drie seconden vertraging zijn te lang voor nauwkeurige operaties die worden gemeten in tienden van een seconde. Maanruimtevaartuigen moeten autonoom zijn en in een fractie van een seconde beslissingen nemen op basis van de voortgang van de afdaling.

Waarom doen de landers er nu maanden over om naar de maan te reizen? De Apollo-missies uit de jaren zestig en zeventig bereikten de maan in slechts drie dagen. De moderne raketten die nu worden gebruikt, hebben echter minder kracht dan de kolossale Saturnus 5. Om hun prestaties te optimaliseren, worden trajecten met lage energie gebruikt, waardoor de benodigde hoeveelheid brandstof wordt verminderd. Het compromis is langere vluchtduren.

De Apollo-missies volgden een directe route naar de maan, maar de huidige missies gebruiken langwerpige ellipsen, waarbij hun apogeum geleidelijk wordt vergroot door korte stuwraketten. Deze ellipsen strekken zich uit voorbij de baan van de maan, tot op afstanden van meer dan een miljoen kilometer. Recente missies maken gebruik van de zwaartekrachtsinteracties tussen de aarde, maan en zon om in de baan van de maan te komen, waarbij minimaal brandstof nodig is voor het afremmen als de berekeningen correct zijn.

Hoe verliep de landing van Japan's SLIM? De SLIM (Smart Lander for Investigating Moon) ruimtevaartuig dat op 19 januari op de maan landde, voerde een technische test uit. Het hoofddoel was om een nauwkeurige afdaling te bereiken, niet meer dan 100 meter van de beoogde landingsplek. Het navigatiesysteem moest de exacte landingsplek lokaliseren door onmiddellijk snapshots van kraters te vergelijken met afbeeldingen die in het geheugen waren opgeslagen. Kunstmatige intelligentie-algoritmen werden gebruikt om het doellandingsgebied te identificeren en zijwaartse bewegingen te maken om obstakels te vermijden.

De landingsomgeving was uitdagend - een helling van 15 graden die een traditionele sonde zou doen kantelen. SLIM was uitgerust met unieke, vijfbenige landingsgestellen aan de zijkanten. Dit landingsgestel was ontworpen om een verticale afdaling mogelijk te maken, maar bij contact met het maanoppervlak zou het kantelen om zijn instrumenten en de twee rovers die het droeg uit te zetten.

Terwijl de landing succesvol was, zei het Japanse ruimteagentschap dat de zonnecel van de SLIM geen energie genereerde en dat deze nog maar een paar uur batterijduur had. De prioriteit voor de SLIM zou zijn om zoveel mogelijk gegevens te verzamelen over zijn landing en de maan met de resterende batterij.

Welke robots waren aan boord van de SLIM? Er zijn twee soorten robots aan boord. De ene weegt twee kilo en maakt korte sprongen om zich te verplaatsen. Het is ook in staat tot directe communicatie met de aarde. Het tweede type is zo groot en zwaar als een tennisbal. Eenmaal op de grond opent het zich in twee helften die dienen als wielen en onthult een paar mini-camera's. Deze camera's zijn zo klein dat ze geen communicatieantennes hebben, dus ze sturen beelden via Bluetooth naar de grotere robot.

De gelijkenis van de camerarobot met een Transformer is geen toeval; het is geïnspireerd op de rijke Japanse traditie van vormveranderende robots. Gemaakt door een speelgoedfabriek in opdracht van het Japanse ruimteagentschap, is deze opmerkelijke robot een tweeling van degene die aan boord van de noodlottige Hakuto-R werd gestuurd. Als de batterij van de SLIM niet leeg was geweest, had dit charmante kleine apparaatje misschien het volgende must-have speelgoed over de hele wereld kunnen worden.