DUSTER: De geheimen achter maanstof

Heb jij je ooit afgevraagd welke verborgen geheimen er op het maanoppervlak liggen te wachten om ontdekt te worden door astronauten?

Dat deden Bryce Bettens, Paulina Morales Ruiz en Jan-Willem Burssens ook.
In het kader van hun cursus Wetenschapscommunicatie en Outreach, gegeven door prof. Katrien Kolenberg, werden deze drie studenten uitgedaagd om een immersieve video te maken voor jongeren tussen 12 en 18 jaar, als visuele ondersteuning bij het laatste nummer van Belspo's magazine Science Connection. Onder leiding van Wim De Vos, externe communicatieverantwoordelijke bij Belspo, kwamen ze Karolien Lefever interviewen over het DUSTER-project.

Het mysterie van de maan

V: Kunt u vertellen welke geheimen de maan volgens u heeft, die wachten om ontdekt te worden door toekomstige verkenningsmissies?

Veel mensen, waaronder zelfs een aantal wetenschappers, denken dat de Maan gewoon een grijze stenen bal aan onze hemel is en wetenschappelijk saai. Het tegendeel is echter waar.  Omdat de maan geen aardse atmosfeer heeft, blijft het oppervlak jarenlang vrijwel onveranderd. Het is net een geologische tijdcapsule... Zelfs de voetstappen van de Apollo-astronauten zijn nog zichtbaar op het oppervlak. Je zou kunnen zeggen: "Wat op de maan gebeurt, blijft op de maan... voor altijd".

In het begin van het zonnestelsel hebben asteroïden en kometen planeten en hun manen gebombardeerd. De meeste kraters die door zulke inslagen op Aarde zijn gevormd, zijn niet meer zichtbaar door erosie door wind en water. Maar op de maan zijn de meeste kraters al miljoenen jaren in ongeveer dezelfde staat bewaard gebleven. Dit kan ons veel leren over de geschiedenis van ons zonnestelsel en misschien zelfs over hoe water en leven op Aarde konden ontstaan.

Er valt nog zoveel te leren over de maan. Omdat we bijvoorbeeld vanaf de aarde altijd ongeveer dezelfde kant van de maan zien, zijn we pas sinds kort begonnen te ontdekken wat er aan de achterkant van de maan gebeurt. De helft van de maan moet nog worden verkend!

V: Waarom zouden we ons druk moeten maken over de maan? Welke rol zal de maan spelen in de toekomst van de ruimteverkenning?

Toekomstige menselijke ontdekkingsreizigers, naar Mars of naar de maan, zullen veel uitdagingen moeten aangaan. Ze zullen moeten omgaan met ruimtestraling, met hoge UV-straling van de zon, ze zullen manieren moeten vinden om zuurstof te maken om te ademen, ze zullen water moeten vinden om te kunnen drinken.

In de voorbereiding van verkenningsmissies naar Mars is de maan een geweldige tussenstap. Een ruimteschip doet er ongeveer 3 dagen over om naar de maan te reizen, terwijl een reis naar Mars minstens 7 maanden duurt. De nabijheid van onze maan maakt het een geweldige proeftuin voor technologieën die nodig zijn voor verkenning van de diepe ruimte.

In de afgelopen twintig jaar is er bijvoorbeeld waterijs ontdekt op de polen van de maan. Water is een van de belangrijkste ingrediënten om leven op een ander object in het zonnestelsel mogelijk te maken. We moeten nog leren hoe we dit water kunnen winnen en het kunnen omzetten in drinkwater voor toekomstige menselijke ontdekkingsreizigers.

Een ander voorbeeld: wetenschappers bestuderen onze Maan om te begrijpen hoe ruimtestraling en micrometeorietbombardementen astronauten kunnen beïnvloeden die lange perioden in de diepe ruimte leven, inclusief missies naar Mars.

NASA bereidt momenteel het internationale Gateway-station voor, dat in een baan om de maan draait. Het zal specifiek de langetermijneffecten van straling in de diepe ruimte op astronauten bestuderen.

Op de lange termijn zou de lage zwaartekrachtbarrière van de maan het ook een efficiënt raketplatform kunnen maken om door het zonnestelsel te reizen.

V: Kunt u uitleggen wat de waarde is van het onderzoeken van maanstof?

Stof is een van de grootste uitdagingen voor toekomstige astronauten op de maan. Het heeft niet alleen invloed op de gezondheid van astronauten, omdat het diep kan doordringen in de ademhalingswegen en longen van astronauten, maar ook op de technologie aan het oppervlak. Maanstof is zeer 'statisch' en kleeft aan elk oppervlak. De ruimtepakken van de Apollo-astronauten waren bedekt met het stof, het belemmerde hun zicht, maar het bedekt ook zonnepanelen; het kan sommige mechanismen blokkeren; ...

Er zijn echter nog zoveel dingen die we niet weten over de stofdeeltjes van de maan. Hun grootteverdeling, hun elektrische oplaadeigenschappen, hoe ze interageren met het ultraviolette licht van de zon, met de zonnestraling en de ruimtestraling, hoe ze worden opgetild en getransporteerd, hoe goed ze aan elkaar kleven.

Om er op de juiste manier mee om te kunnen gaan (hun nadelige effecten verminderen), moeten we ze goed karakteriseren.

De uitdaging

V: Waarom is stof op de maan zo'n grote bedreiging?

Wat stof op de aarde en op de maan gemeen hebben, is dat stofdeeltjes heel vervelend kunnen zijn en dat we er over het algemeen het liefst vanaf willen.

Op aarde is dat vrij eenvoudig: we gebruiken een stofzuiger of een stofdoek, of we vegen het af met onze handen.

Op de Maan is dat niet zo eenvoudig. Het stof is elektrisch geladen en kleeft aan elk oppervlak. We kunnen het er niet met onze handen afvegen. Het blijft er gewoon aan plakken. Het is zelfs gevaarlijk om dat te doen.

Op aarde worden kiezels na verloop van tijd afgerond door de natuurlijke elementen, waardoor ze gemakkelijk te hanteren zijn. Maanbodems staan echter niet bloot aan erosie. Maanstof ontstaat door inslagen van micrometeorieten (iets meer dan 100 kg/jaar), die de bovenste laag van het maanoppervlak in steeds kleinere stukjes breken, bijna als poeder, maar ze heel scherp (als glas) en hoekig achterlaten, met verse breukvlakken door de afwezigheid van regen of wind. Omdat ze zo klein zijn (ze kunnen minder dan 20 micron groot zijn, zo dun als een haar), kunnen ze erg schadelijk zijn op manieren die we op aarde niet zien. Zoals gezegd, als astronauten lucht inademen die gevuld is met zulke scherpe deeltjes, kun je je voorstellen wat voor schade dat kan aanrichten. Wanneer ze instrumenten blokkeren, die soms nodig zijn voor de veiligheid van de menselijke ontdekkingsreizigers.

Op aarde bereiken de meeste van deze micrometeorieten nooit de grond, ze verbranden al in de atmosfeer. We kunnen ze zien als vallende sterren.

V: Kunt u op een eenvoudige manier uitleggen wat de elektrostatische kracht van stof op de maan is?

In tegenstelling tot op aarde is stof op de maan niet opeengepakt. Elke activiteit op het oppervlak kan emmers vol stof doen opwaaien, maar zelfs zonder dat er astronauten op het oppervlak rondlopen of een maanmodule voeten op de grond zet, zijn er stofdeeltjes en wolken gezien die enkele centimeters tot meters boven het oppervlak zweven. Ondanks het feit dat er geen wind of water over het oppervlak stroomt om ze op te tillen! Kleine stofdeeltjes kunnen op de maan zelfs over enorme afstanden worden getransporteerd. Wetenschappers schrijven de mobilisatie van stof toe aan elektrostatische krachten.

Hoewel we de fysische en dynamische processen achter het optillen en transporteren van stof nog niet helemaal begrijpen, weten we dat stof op de maan er anders uitziet en zich anders gedraagt, afhankelijk van de plaats op het oppervlak ten opzichte van de zon (de zenithoek van de zon).

De kant die naar de zon is gericht (de dagkant) wordt bijvoorbeeld voortdurend blootgesteld aan zonnestraling. Bestraling van materiaal op het oppervlak in het UV- en röntgenbereik resulteert in foto-emissie van elektronen (d.w.z. het vrijkomen van negatief geladen deeltjes). Dit zorgt ervoor dat het stof aan de dagzijde een lichte positieve elektrische lading heeft, met een potentiaal van ongeveer +10 V, wat betekent dat het zich overal aan vastklampt - zoals statische effecten hier op aarde.

Aan de nachtzijde veroorzaken interacties tussen geladen deeltjes een negatieve potentiaal, die normaal gesproken tussen -100 V en -200 V ligt.

Nabij de terminator, het gebied tussen de schaduwzijde en de zonverlichte zijde, zijn sterke elektrische velden aanwezig vanwege de snelle overgang van positieve naar negatieve potentialen. Dit elektrische veld zou de oorzaak kunnen zijn van elektrostatische levitatie en horizontaal transport van maanstofkorrels, wat leidt tot de netto afzetting van stof van het donkere naar het zonverlichte halfrond.

Het DUSTER-project

V: Kunt u het project introduceren? Hoe kan het bijdragen aan de oplossing van het stofprobleem?

DUSTER is een project dat wordt geleid door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie, in samenwerking met het Instituto de Astrofisica de Andalucia (CSIC-IAA), ONERA (het Franse lucht- en ruimtevaartlaboratorium) en Thales Alenia Space in Spanje, en wordt gefinancierd door de Europese Commissie via haar Horizon Europe programma.

DUSTER (wat staat voor 'Dust Study, Transport, and Electrostatic Removal for Exploration Missions') heeft als doel de fysische eigenschappen van maanstof te bestuderen, in het bijzonder de elektrostatische lading en hechting van stofkorrels aan het maanoppervlak, wat cruciaal is om het stoftransport te begrijpen. In eerste instantie doen we dat met maanstofsimulanten in de laboratoria van ONERA. Met behulp van een speciale opstelling waarin we een maanomgeving simuleren, proberen we het elektrische veld aan het oppervlak van de stoflaag te meten, geladen korrels aan te trekken en te verplaatsen door een elektrisch veld toe te passen, de resulterende stroom te meten en de elektrische lading die door de gemobiliseerde korrels wordt gedragen.

Op basis van deze resultaten ontwikkelen we een instrument dat deze metingen in-situ kan uitvoeren, op het maanoppervlak, in een ongecontroleerde omgeving. We hopen het te kunnen installeren op een toekomstige maanlander om de risico's van stofvervuiling te beoordelen en manieren te vinden om de gevaren ervan efficiënt te beperken.

Maangeheimen ontsluieren

V: Wat betekent het vergroten van onze kennis over maanstof voor de toekomst?

De Apollo-astronauten bleven niet lang genoeg op het maanoppervlak om ernstige en onomkeerbare gezondheidsproblemen te krijgen door hun blootstelling aan maanstof. Het werd echter duidelijk dat de effecten van het stof op het menselijk lichaam en op veiligheidskritische apparatuur waren onderschat.

Als we het maanstof beter begrijpen, kunnen we manieren vinden om problemen in verband met de negatieve effecten ervan te overwinnen, bijvoorbeeld op een landingsplaats op de maan. We zouden het stof effectief kunnen verwijderen uit de ruimtepakken van de astronauten en uit de ruimte-instrumenten.

V: Hoe kan stof nieuwe mogelijkheden openen voor wetenschappelijke ontdekkingen en ruimteverkenning?

Door de technologie te ontwikkelen die nodig is om stofkorrels op een gecontroleerde manier elektrostatisch te verplaatsen, is het een eerste stap in de richting van een gevoelig apparaat voor oppervlaktereiniging, maar ook in de richting van stofmonsterverzamelaars, omdat je stof kunt aantrekken of afstoten. Het zou het leven van toekomstige ruimteverkenners enorm vergemakkelijken, zowel op de maan als op Mars.