In de buurt van het Didymos-systeem zal de Hera ruimtesonde ESA's eerste 'deep space' CubeSats in de ruimte stationeren om extra gegevens te verzamelen over de Dimorphos-asteroïde en zijn omringende omgeving. Tegelijkertijd moet Hera nieuwe satelliet verbindingstechnologieën testen voor toekomstige ruimtemissies. Elke CubeSat zal klein genoeg zijn om in een aktetas te passen terwijl de Hera ruimtesonde zelf de omvang heeft van een bureau. Leer aan de hand van dit artikel alles over de eerste Europese 'deep space' CubeSats!
CubeSats zijn nanosatellieten gebaseerd op gestandaardiseerde eenheden ter grootte van 10 cm. Hera zal twee 'zes-eenheden' CubeSat-missies naar het Didymos asteroïdensysteem afleveren. De eerste CubeSat metgezel heet Milani en is ontwikkeld door een Italiaans/Tsjechisch/Fins consortium. Milani zal gedetailleerde spectrale metingen uitvoeren van de oppervlakken van beide asteroïden door het zonlicht te meten dat ze weerkaatsen en de verschillende kleuren te ontleden om te ontdekken hoe deze asteroïden met de ruimte hebben omgegaan en om eventuele verschillen in samenstelling tussen beide asteroïden aan te wijzen. Daarnaast zal Milani monsters nemen van het stof rondom deze hemellichamen om vluchtige stoffen zoals water te detecteren, lichte organische stoffen te karakteriseren en eventuele moleculaire vervuiling van de CubeSat in de gaten te houden. De andere CubeSat heet Juventas en is ontwikkeld door het Deense bedrijf GomSpace en GMV in Roemenië. Het is de eerste radarsonde van het inwendige van een asteroïde. Juventas zal tot 100 m diep in het 160-meter Dimorphos lichaam kijken. In een baan rond Dimorphos zal Juventas samen met Hera radiowetenschappelijke experimenten uitvoeren en een laagfrequent radaronderzoek van het inwendige van de asteroïde uitvoeren, vergelijkbaar met het uitvoeren van een gedetailleerde 'röntgenscan' van Dimorphos om het inwendige te onthullen van dit hemellichaam. Het avontuur zal eindigen met een landing, waarbij de dynamica van het stuiteren wordt gebruikt om details van het oppervlaktemateriaal van de asteroïde vast te leggen.
Milani
Milani zal Dimorphos en het grotere Didymos-object waar de asteroïde omheen draait in een breder kleurengamma onderzoeken dan het menselijk oog kan zien, om de minerale samenstelling van de asteroïden en zelfs individuele rotsblokken die erop rusten te identificeren. Het zal ook de stofomgeving rond deze lichamen in kaart brengen. En het inter-satelliet verbindingssysteem tussen het Hera moederschip en zijn kleinere metgezellen zal kleine veranderingen in hun relatieve posities opsporen die het gevolg zijn van de zwaartekracht van de asteroïden, waardoor hun massa kan worden bepaald. Maar de miniatuur Milani is ook een volwaardig ruimtevaartuig op zichzelf, met een zichtbaar licht camera, laser hoogtemeter en ster trackers voor navigatie, plus een koud gas voortstuwingssysteem. Terwijl Hera op ongeveer 20-10 km van de asteroïden zal cirkelen, zal Milani lagere hoogtes riskeren, beginnend op 10 km en tot op 2 km afstand. Een traditionele baan om het Didymos-systeem is onpraktisch vanwege de extreem lage zwaartekracht. In plaats daarvan zal Milani een reeks 'hyberbolische bogen' vliegen in de buurt, zoals herhaalde vliegbewegingen waarbij de stuwraketten regelmatig van richting veranderen om zo dicht mogelijk in de buurt te blijven. Tenslotte zal Milani proberen te landen op Dimorphos. De gyroscopen en versnellingsmeters aan boord zullen waardevolle gegevens verzamelen over de landing en de daaropvolgende botsingen bij lage zwaartekracht, om inzicht te krijgen in de eigenschappen van het oppervlak van de asteroïde.
De Milani CubeSat - Foto: Tyvak International
Milani is een '6-unitXL' CubeSat van slechts 13 x 24,6 x 36,6 cm groot. Aan de ene kant van Milani zitten de vier sensoren van zijn belangrijkste ASPECT (Asteroid Spectral Imager) instrument, ontwikkeld door het VTT Technical Research Centre van Finland, dat de asteroïden in zichtbare, nabije en kortegolf infrarood banden zal afbeelden. “ASPECT is een hyperspectrale beeldvormer die zijn oorsprong vindt in een reeks instrumenten die op drones vlogen en die op verschillende manieren werden gebruikt voor het monitoren van landbouw, bosbouw en vervuiling”, legt Antti Näsilä uit, Principal Scientist en ASPECT projectmanager bij VTT. “De miniaturisatie betekende dat de overstap naar CubeSats eenvoudig was en in 2017 vloog een voorloper van het instrument op de eerste CubeSat van Finland, Aalto-1. Maar ondanks het kleine formaat van ASPECT is het extreem complex, met elk van de vier kanalen die elk ongeveer 50 controlesignalen vereisen die kriskras door het instrument lopen.” Het tweede instrument van MILANI is VISTA, Volatile In-Situ Thermogravimetre Analyser, een in Italië gebouwde stofdetector. Deze is gebaseerd op kwartsmicrokristallen waarvan de piëzo-elektrische respons iets verandert door de aanhechting van kleine stofdeeltjes.
Ernesto Palomba van het Italiaanse Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, hoofdonderzoeker van VISTA, legt uit: “Op aarde wordt deze zelfde precisietechnologie gebruikt in analytische laboratoria en bij het controleren van dunne filmafzettingsprocessen. VISTA zal het gebruiken om water en andere vluchtige stoffen rond de asteroïden te identificeren, evenals de aanwezigheid van stof. We hopen dat ons instrument zelfs op het oppervlak van Dimorphos kan blijven werken.”
Juventas
Juventas, vernoemd naar de Romeinse naam voor de dochter van Hera, mag dan klein zijn, maar heeft een grote technische voetafdruk. Het laagfrequente radarinstrument, het kleinste radarsysteem dat in de ruimte vliegt, is ontworpen door het Franse Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble van de Université Grenoble Alpes en de Technische Universiteit Dresden, met elektronica van EmTroniX in Luxemburg. De radarsignalen worden uitgezonden door een kwartet van 1,5 m lange antennes, langer dan het Juventas-ruimtevaartuig zelf, die zijn geleverd door Astronika in Polen.
De Juventas CubeSat is slechts 37x23x10 cm groot en is voor ESA ontworpen door het Luxemburgse bedrijf GomSpace. De integratie van het ruimtevaartuig vond plaats op het hoofdkantoor van GomSpace in Denemarken. Het bedrijf is gespecialiseerd in CubeSats, kleine, low-budget satellieten die worden samengesteld uit gestandaardiseerde dozen van 10 cm, maar meestal zijn deze bestemd voor een baan om de aarde. Jan Persson leidt het Juventas-project voor GomSpace: “Dit is een heel andere missie dan de gebruikelijke CubeSats die we maken en vliegen. Verder gaan dan een baan om de aarde en de diepe ruimte in is een zeldzame kans, die extreem precieze aandacht voor details vereist. Juventas heeft ook een voldoende behendig navigatiesysteem nodig om zelf rond een asteroïde te vliegen.”
De Juventas CubeSat - Foto: GomSpace
“Het Juventas Radar, of JuRa, instrument is uniek en zal de wetenschappelijke gemeenschap een zeldzaam inzicht geven in het ontstaan van een asteroïde,” legt Jan Persson uit. “Het is sterk geminiaturiseerd om in de CubeSat te passen. De grootste uitdaging was dat het instrument veel warmte genereert in het ruimteschip, maar ons thermisch ontwerpteam bij GomSpace heeft hard gewerkt om dit op te lossen.” Hera systeemingenieur Franco Perez Lissi voegt hieraan toe: “Om zelf te vliegen, heeft Juventas ook een zichtbaar licht camera, lidar, startrackers voor navigatie en een koud gas voortstuwingssysteem aan boord, plus de inter-satelliet radioverbinding om zijn positie en gegevens terug te delen met Hera.” Om zijn radaronderzoek van de kleinere asteroïde uit te voeren, zal Juventas in een unieke 'Self-stabilised Terminator Orbit' rond Didymos gaan. Dit houdt in dat de baan parallel aan de dag-nacht terminatorlijn van de asteroïde wordt gemaakt, waarbij de zwakke zwaartekracht van de asteroïde in evenwicht wordt gebracht met de zwakke maar constante druk van het zonlicht zelf - zonnestralingsdruk. In feite is de zwaartekracht van Didymos zo laag dat Juventas met een snelheid van slechts centimeters per seconde rond de asteroïde zal draaien. JuRa zal gebruik maken van deze lage snelheid om hetzelfde gecodeerde signaal meerdere keren naar de asteroïde te sturen, waardoor de signaal-ruisverhouding van het instrument zal toenemen. De teruggekaatste signalen worden gedecodeerd en omgezet in een 3D-beeld op aarde.
Illustratie: GomSpace
Zodra Juventas klaar is met zijn radaronderzoek, zal hij in een baan om Dimorphos gaan draaien om aan de volgende fase van zijn missie te beginnen: landen op de kleinere asteroïde. Jan Persson merkt op: “We zijn nog aan het analyseren wat de beste manier is om dit te doen, maar onze snelheid zou laag genoeg moeten zijn, in de orde van centimeters per seconde, zodat Juventas naar beneden zal komen zonder helemaal terug de ruimte in te stuiteren. Versnellingsmeters en gyroscopen aan boord zullen vanaf dat moment gegevens verzamelen om meer te weten te komen over de eigenschappen van het oppervlak. Wanneer Juventas uiteindelijk tot rust komt, willen we dat het in een stabiele configuratie is om de tweede wetenschappelijke lading van het ruimteschip, de GRASS gravimeter, te bedienen.” Het eerste instrument dat de zwaartekracht op het oppervlak van een asteroïde rechtstreeks meet, de Gravimeter for Small Solar System Objects, GRASS, is ontwikkeld door de Koninklijke Sterrenwacht van België (ROB) in samenwerking met het Spaanse bedrijf EMXYS. Het is de bedoeling dat het registreert hoe de zwaartekrachtniveaus op Dimorphos veranderen in de loop van zijn baan rond Didymos.
Bron: ESA
