Permanent beschaduwd gebied: de eeuwige duisternis van de maanpolen
Stel je een put voor die honderden meters diep is en waarvan de rand precies zo hoog is dat er nooit een zonnestraal op de bodem valt, jaar in jaar uit, al miljarden jaren. Zoiets bestaat echt, en niet op aarde maar op de Maan. Wetenschappers noemen dit een permanent beschaduwd gebied, vaak afgekort als PSR naar het Engelse "permanently shadowed region". Het gaat om kraterbodems en dalen nabij de noord- en zuidpool van de Maan waar al miljarden jaren geen zonlicht is gekomen.
Dat klinkt misschien als een detail voor astronomen, maar het is een van de belangrijkste redenen waarom ruimtevaartorganisaties nu juist naar de polen van de Maan willen, in plaats van naar het middengebied waar de Apollo-astronauten ooit liepen. In die eeuwige koude en duisternis kan namelijk waterijs bewaard zijn gebleven, een grondstof die van levensbelang kan zijn voor toekomstige bemande missies. Dit artikel legt uit wat permanent beschaduwde gebieden precies zijn, waarom ze zo belangrijk zijn, en hoe ver de zoektocht naar hun geheimen inmiddels is gevorderd.
Wat is het precies?
De Maan draait, net als de aarde, om een eigen as. Het verschil is dat de aardas flink scheef staat (zo'n 23,5 graden), wat onze seizoenen veroorzaakt, terwijl de maanas nauwelijks kantelt: slechts ongeveer 1,5 graden ten opzichte van het vlak waarin de Maan om de zon draait. Daardoor staat de zon op de maanpolen altijd bijna precies aan de horizon, en schijnt nooit recht van boven zoals bij de evenaar.
Dat heeft een opmerkelijk gevolg. Op vlakke grond nabij de polen strijkt het zonlicht nog wel over het oppervlak, laag en schuin. Maar in diepe kraters, die overal op de Maan door inslaande asteroïden en kometen zijn ontstaan, werpt de kraterrand een schaduw die de bodem nooit verlaat. De rand is simpelweg altijd hoger dan de invalshoek van het licht toelaat. Het resultaat: kraterbodems die al zo'n twee miljard jaar, sommige onderzoekers denken zelfs vanaf het ontstaan van de Maan, geen enkele zonnestraal hebben gezien.
Zonder zonlicht koelt zo'n plek extreem af. De Maan heeft vrijwel geen atmosfeer om warmte te vast te houden of te verspreiden, dus wat niet direct beschenen wordt, verliest zijn warmte de ruimte in. Metingen met het Diviner-instrument aan boord van de Amerikaanse ruimtesonde Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) registreerden temperaturen van rond de -238 graden Celsius, en in sommige kraters, zoals de Hermite-krater bij de noordpool, zelfs richting de -248 graden Celsius. Dat zijn temperaturen die dicht in de buurt komen van het absolute nulpunt en behoren tot de koudste die ooit ergens in ons zonnestelsel zijn gemeten, kouder zelfs dan het oppervlak van de dwergplaneet Pluto.
Wat wil men ermee bereiken?
Die extreme kou is precies waarom deze gebieden zo interessant zijn. Al in 1961 opperden de Amerikaanse wetenschappers Kenneth Watson, Bruce Murray en Harrison Brown dat zulke "koudevallen" (cold traps) ijs zouden kunnen vasthouden. Het idee: wanneer een komeet of ijshoudende meteoriet op de Maan inslaat, of wanneer waterdamp via andere processen over het oppervlak zwerft, kunnen watermoleculen die toevallig in een permanent beschaduwd gebied belanden, daar voor onbepaalde tijd bevriezen. Buiten die schaduwplekken zou de zon het ijs binnen de kortste keren laten verdampen.
Waterijs op de Maan is om meerdere redenen waardevol. Het kan worden gesplitst in waterstof en zuurstof, met behulp van elektrolyse, wat zowel drinkwater als ademlucht als raketbrandstof oplevert. Voor toekomstige maanbases zou dat een enorme besparing betekenen: water vanaf de aarde meenemen is peperduur, terwijl water dat al op de Maan aanwezig is, ter plekke gebruikt kan worden. Daarnaast is het wetenschappelijk interessant: het ijs functioneert als een soort tijdscapsule die iets kan vertellen over de geschiedenis van kometeninslagen en de verspreiding van vluchtige stoffen in het binnenste zonnestelsel.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste harde aanwijzingen kwamen in 2009, toen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA met de LCROSS-missie een uitgebrande raket liet inslaan op de Cabeus-krater nabij de zuidpool. De opgeworpen stofwolk werd geanalyseerd door een volgend ruimtevaartuig en bevatte duidelijke sporen van waterijs.
In hetzelfde jaar leverde het Amerikaanse instrument Moon Mineralogy Mapper (M3), meegevlogen op de Indiase sonde Chandrayaan-1, aanwijzingen voor watermoleculen en hydroxylgroepen verspreid over grote delen van het maanoppervlak, niet alleen in de permanent beschaduwde gebieden.
Sinds 2009 brengt de LRO-orbiter met instrumenten als Diviner (temperatuur) en LAMP (ultraviolet licht) de omvang en omstandigheden van deze gebieden in kaart. In 2022 lanceerde de Zuid-Koreaanse ruimtevaartorganisatie KARI, in samenwerking met NASA, de orbiter Danuri (KPLO) met aan boord de camera ShadowCam: een extreem lichtgevoelig instrument dat erin slaagt om, met alleen het zwakke licht dat via kraterwanden wordt teruggekaatst, toch beelden van de duistere kraterbodems te maken.
In augustus 2023 landde de Indiase missie Chandrayaan-3 met de Vikram-lander en de Pragyan-rover dicht bij de zuidpool van de Maan, in een gebied waar zulke schaduwkraters relevant zijn, al ligt de landingsplek zelf niet in permanente duisternis. NASA bouwde bovendien de VIPER-rover (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), specifiek ontworpen om aan de rand van permanent beschaduwde kraters bij de zuidpool te rijden en er metingen te doen. Deze missie werd in juli 2024 door NASA geannuleerd wegens kostenoverschrijdingen en vertragingen, tot teleurstelling van veel planeetwetenschappers, ook al was de rover toen al grotendeels gebouwd.
Hoe ver is de techniek?
Het bestaan en de omvang van permanent beschaduwde gebieden zijn goed in kaart gebracht via satellietwaarnemingen. Schattingen op basis van LRO-data komen uit op een totale oppervlakte van enkele tienduizenden vierkante kilometers verspreid over beide polen, ruwweg vergelijkbaar met de oppervlakte van een klein land. Ook is met grote zekerheid vastgesteld dat er waterijs aanwezig is, al blijft onduidelijk hoeveel, hoe diep het zit en hoe gelijkmatig het verspreid is: is het aaneengesloten ijs, of eerder verspreide korrels vermengd met stof en regoliet, het losse gesteentepoeder dat de maanbodem bedekt?
Directe verkenning ter plekke is echter nog niet gelukt. Geen enkel voertuig heeft tot nu toe daadwerkelijk in een permanent beschaduwd gebied gereden of geboord. Dat is technisch lastig: zonder zonlicht werkt zonne-energie niet, waardoor voertuigen op batterijen of andere energiebronnen moeten varen, navigatie zonder visueel licht is ingewikkeld, en elektronica moet bestand zijn tegen extreme kou. De annulering van VIPER laat zien hoe moeilijk en kostbaar dit soort missies is; NASA onderzocht daarna alternatieve manieren om de reeds gebouwde rover alsnog te gebruiken, bijvoorbeeld via samenwerking met commerciële of internationale partners, maar op het moment van schrijven is er geen nieuwe, bevestigde lancering.
Het Amerikaanse Artemis-programma noemt de aanwezigheid van waterijs in deze gebieden een belangrijke reden om voor een bemande landing juist de zuidpoolregio te kiezen, in plaats van de evenaar zoals bij Apollo. De planning voor de eerste bemande landing, Artemis III, is echter herhaaldelijk opgeschoven, onder meer vanwege vertragingen bij de landingscapsule en het pak voor ruimtewandelingen; lezers doen er goed aan de actuele NASA-planning te raadplegen voor de meest recente datum. Ook China heeft aangekondigd interesse te hebben in de zuidpoolregio, onder meer met de Chang'e 7-missie, die vluchtige stoffen zoals waterijs in permanent beschaduwde kraters moet onderzoeken.
Wie werken eraan?
De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA speelt een hoofdrol, met missies als LRO, LCROSS en het Artemis-programma, uitgevoerd in samenwerking met partners als het Applied Physics Laboratory van Johns Hopkins University en het Lunar and Planetary Institute in Houston. India's ruimtevaartorganisatie ISRO heeft met Chandrayaan-1 en Chandrayaan-3 belangrijke bijdragen geleverd. Zuid-Korea's KARI bouwde en beheert de ShadowCam-missie, in samenwerking met NASA en het Amerikaanse Malin Space Science Systems dat de camera ontwikkelde. China's ruimtevaartorganisatie CNSA werkt aan eigen zuidpoolverkenning via het Chang'e-programma. Ook de Europese ruimtevaartorganisatie ESA volgt en ondersteunt internationale maanplannen, onder meer via samenwerkingen binnen het Artemis-programma.
Permanent beschaduwde gebieden bestaan overigens niet alleen op de Maan. Ook op Mercurius, dat vrijwel geen aksale kanteling heeft, zijn zulke koude kraterbodems bij de polen gevonden. Al in de jaren negentig lieten radarwaarnemingen vanaf de aarde, met de Arecibo-telescoop op Puerto Rico, ongewoon heldere reflecties zien op de polen van Mercurius, wat wees op ijs. De Amerikaanse ruimtesonde MESSENGER bevestigde dit later met eigen metingen vanuit een baan om de planeet.