Pluim-oppervlakte-interactie: wat een raketmotor doet met de maanbodem
Stel je een helikopter voor die landt op een zanderige woestijnvlakte. Vlak voor het toestel de grond raakt, blaast de neerwaartse luchtstroom van de rotorbladen een dichte stofwolk op die de piloot tijdelijk het zicht ontneemt. Dit verschijnsel heet in de luchtvaart brownout. Iets vergelijkbaars, maar veel heftiger, gebeurt wanneer een ruimtevaartuig op de maan of een andere planeet zonder dichte atmosfeer landt. De hete uitlaatgassen van de landingsmotor slaan in op de losse stoflaag van het oppervlak en jagen die alle kanten op. Dat proces heet pluim-oppervlakte-interactie, in het Engels plume-surface interaction, afgekort PSI.
Het verschil met de helikopter op aarde is groot: op de maan is er vrijwel geen lucht die de opgeblazen deeltjes afremt. Stofkorrels en steentjes die door de motorstraal worden weggeslagen, kunnen daardoor met enorme snelheid en over grote afstanden wegvliegen, als kleine kogeltjes op een rechte baan. Ze kunnen een krater graven onder de lander, het zicht van de bemanning of camera's tijdens de laatste landingsseconden blokkeren, en zelfs andere apparatuur die al op het oppervlak staat beschadigen. Nu er weer serieus wordt gewerkt aan bemande en onbemande maanlandingen, is dit ooit obscure onderwerp uitgegroeid tot een belangrijk aandachtspunt binnen de ruimtevaarttechniek.
Wat is het precies?
Een landingsmotor stoot hete verbrandingsgassen uit met hoge snelheid. Op aarde wordt die straal, of pluim, door de atmosfeer afgeremd en in vorm gehouden. Op de maan is er nagenoeg geen lucht, waardoor de pluim zich in alle richtingen kan uitwaaieren zodra hij het oppervlak nadert. Die uitwaaierende gasstroom raakt de bovenste laag van de bodem: het regolith, een losse, fijnkorrelige laag stof, zand en steenbrokjes die de vaste rots bedekt.
Waar de gasstroom de regolith raakt, gebeurt in feite drie dingen tegelijk. Ten eerste wordt de bodem plaatselijk weggeblazen, waardoor er onder de lander een ondiepe krater kan ontstaan; dit heet erosie. Ten tweede worden losse deeltjes meegesleurd en weggeslingerd als ejecta: opgeworpen materiaal. Omdat er geen atmosfeer is om die deeltjes af te remmen, kunnen ze in het luchtledige met hoge snelheid over kilometers afstand vliegen, in een rechte, ballistische baan, ongeveer zoals een kogel. Ten derde ontstaat er een stofwolk die tijdens de laatste, kritieke landingsfase het zicht op de grond kan ontnemen, met alle risico's van dien voor een precieze landing.
Voor ingenieurs is dit een lastig te modelleren probleem, omdat het twee heel verschillende soorten natuurkunde combineert: de stroming van hete gassen enerzijds, en het gedrag van een wolk losse korrels anderzijds. Bovendien is de gasstroom vlak boven het oppervlak zo ijl dat de gebruikelijke rekenmethoden voor gasstromen, computational fluid dynamics of CFD, er niet goed op toepasbaar zijn. Onderzoekers gebruiken daarom vaak een andere aanpak, Direct Simulation Monte Carlo of DSMC, waarbij het gedrag van grote aantallen individuele gasdeeltjes statistisch wordt gesimuleerd in plaats van de gasstroom als een continu medium te behandelen. Dat maakt PSI-onderzoek rekenkundig zwaar en tijdrovend.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te omschrijven, ook al is het technisch lastig te realiseren: landingen op de maan en andere planeten veiliger en voorspelbaarder maken. Dat valt uiteen in een paar concrete deeldoelen.
Allereerst wil men voorkomen dat een landing zelf mislukt doordat de bemanning, of het automatische landingssysteem, tijdens de laatste seconden het zicht op de grond verliest door opgewaaid stof. Daarnaast wil men schade aan bestaande infrastructuur voorkomen. Naarmate er vaker en dichter bij elkaar op de maan geland wordt, bijvoorbeeld rond de zuidpool waar water-ijs vermoed wordt, groeit het risico dat de ene landing de apparatuur van een eerdere missie beschadigt door een zandstraal-effect. Ten slotte wil men, met het oog op toekomstige maanbases met meerdere landers, habitats en voertuigen dicht bij elkaar, van tevoren kunnen berekenen hoe ver de effecten van een landing reiken, zodat planners veilige afstanden en landingsroutes kunnen vaststellen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste en best gedocumenteerde voorbeeld van pluim-oppervlakte-interactie stamt nog uit het Apollo-tijdperk. In 1969 landde Apollo 12 welbewust op korte afstand van de onbemande sonde Surveyor 3, die daar twee en een half jaar eerder was geland. Astronauten liepen naar Surveyor 3 toe en namen onderdelen mee terug naar de aarde. Bij analyse bleek het oppervlak van de sonde beschadigd en met stof bewerkt te zijn, kennelijk door het materiaal dat de landingsmotor van Apollo 12 had opgeblazen. Dit incident geldt sindsdien als een van de weinige directe, fysieke bewijzen van hoe een landingspluim een ander object op afstand kan beschadigen, en wordt in latere studies nog altijd als referentiepunt gebruikt.
China's Chang'e-maanlanders, die sinds de jaren 2010 meerdere keren op de maan zijn geland, hebben eveneens gegevens opgeleverd over hoe landingsmotoren de bodem plaatselijk verstoren; beelden van de Amerikaanse maanverkenner Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) laten rond verschillende landingsplekken een merkbaar donkerder of verstoord gebied zien, wat wijst op weggeblazen en herverdeeld oppervlaktemateriaal.
Actueler is de zorg rond NASA's Artemis-programma, dat mensen terug naar de maan moet brengen, met een geplande landing in de buurt van de zuidpool. Het bijbehorende landingsvoertuig, het Human Landing System, gebaseerd op een aangepaste versie van SpaceX' Starship, heeft aanzienlijk krachtiger motoren dan de Apollo-landers. Grotere motoren betekenen mogelijk een sterker en verder reikend PSI-effect, wat de vraag oproept hoeveel schade zo'n landing kan toebrengen aan nabijgelegen apparatuur of, op termijn, aan een maanbasis.
Ook in het commerciële CLPS-programma (Commercial Lunar Payload Services) van NASA, waarbij private bedrijven zoals Astrobotic en Intuitive Machines in opdracht onbemande landers naar de maan sturen, wordt pluim-oppervlakte-interactie als ontwerprisico meegenomen: bij het bepalen van landingsplekken en de afstand tot eerder geplaatste apparatuur wordt rekening gehouden met mogelijke stof- en ejectaschade.
Hoe ver is de techniek?
Pluim-oppervlakte-interactie is geen opgeloste techniek, maar een actief onderzoeksveld met nog behoorlijk wat open vragen. Het belangrijkste knelpunt is een gebrek aan grootschalige, realistische testdata. Op aarde is het vrijwel onmogelijk om tegelijk het vacuüm van de ruimte, de zwaartekracht van de maan, die ongeveer een zesde van die van de aarde is, en de precieze korrelige eigenschappen van maanstof na te bootsen. Laboratoriumtests gebeuren daarom meestal op kleine schaal in vacuümkamers met een simulant van maanstof, waarna de resultaten met rekenmodellen worden opgeschaald naar de afmetingen van een echte lander. Die opschaling is een van de grootste bronnen van onzekerheid, zeker voor de veel krachtigere motoren van nieuwe landers als het Human Landing System, waarvoor eenvoudigweg nog geen directe praktijkervaring bestaat.
Om de modellen te toetsen, gebruiken onderzoekers ook indirect bewijs, zoals foto's van bestaande landingsplekken die door orbiters zoals de LRO zijn vastgelegd, en historische gegevens uit het Apollo-programma. Dat helpt, maar dekt niet alle situaties: elke landingsplek heeft een eigen bodemsamenstelling en hellingsgraad, en de meeste beschikbare data komt van relatief kleine, oudere landers. Voor grotere motoren, andere delen van de maan, of andere hemellichamen zoals Mars, is er veel minder ervaring om op te bouwen. Kortom, de rekenmodellen worden steeds beter, maar niemand kan op dit moment met volledige zekerheid voorspellen hoe ver het weggeslingerde materiaal van een grote lander reikt of hoe diep de krater eronder wordt.
Wie werken eraan?
Binnen NASA houden verschillende centra zich bezig met dit onderwerp, waaronder het Marshall Space Flight Center en het Kennedy Space Center, waar in het zogeheten Swamp Works-laboratorium onder meer onderzoek naar maanstof en oppervlaktetechnieken plaatsvindt. Ook onderzoekscentra als Ames Research Center dragen bij aan simulaties en testopstellingen.
Aan de academische kant doen Amerikaanse universiteiten met een langlopende traditie in maanbodemonderzoek, zoals de University of Central Florida, onderzoek naar de eigenschappen van regolith en hoe dat reageert op een motorpluim. Commerciële bedrijven die landers bouwen, waaronder de partijen binnen het CLPS-programma en de ontwikkelaars van het Human Landing System zoals SpaceX en Blue Origin, moeten dit risico in hun ontwerp meenemen en werken daarvoor vaak samen met NASA-onderzoekers.
Internationaal speelt vooral China een rol, via zijn ruimtevaartorganisatie CNSA en het Chang'e-programma, dat inmiddels meerdere succesvolle landingen en gegevens over oppervlakte-effecten heeft opgeleverd. Ook Europese en Japanse ruimtevaartorganisaties volgen dit onderzoeksveld, met het oog op hun eigen toekomstige maanmissies.