Radiografisch wetenschapsinstrument voor Exomars gereedgemaakt voor vertrek naar de rode planeet

Met circa 8 x 8 x 20 cm en een drietal antennes, is ESA's ''Lander Radioscience"-experiment, LaRa in het kort, iets groter dan een liter melkpak. Deze functioneert echter als een high-performing transponder, met de taak de instandhouding van een uiterst stabiele directe radiofrequente verbinding tussen Aarde en Mars gedurende een volledig martiaans jaar - twee aardse jaren - na de landing van ExoMars.  

Voorgesteld door de Koninklijke Sterrenwacht van België, is LaRa ontwikkeld via ESA’s PRODEX-programma – gericht op het ontwikkelen van wetenschapsexperimenten voor de ruimte – en gesponsord door Belspo, de Belgian Space Policy Office.

De laaste LaRa-test vond plaats in ESA’s Mechanische Systemen Laboratorium (MSL) bij ESTEC, ESA's technische hart in Noordwijk. Dit is een kleinschalige versie van het Test Centre bij ESTEC iets verderop, in staat om een uitgebreid aantal ruimtesimulatietests uit te voeren voor instrumenten voor ruimtevaartuigen, subsystemen of kleine satellieten in plaats van grootschalige missies.

Na het uitvoeren van trillingsproeven op een van de MSL-shakers om de harde condities van lancering, terugkeer naar de atmosfeer, afdaling en landing op Mars te simuleren werd LaRa bijna twee weken lang in een thermische vacuümkamer geplaatst ter uitvoering van functionele tests in zowel hete als koude temperaturen. 

Het instrument werd eerst in een hoog vacuüm geplaatst om rookwolken te 'ontgassen' die anders problemen zouden kunnen veroorzaken in de ruimte en om het gedrag in soortgelijke reiscondities naar Mars te testen. Vervolgens werd Lara onderworpen aan nagebootste martiaanse omstandigheden, waarbij 6 millibar koolstofdioxide aan de kamer werd toegevoegd, terwijl tegelijkertijd warme en koude temperaturen elkaar afwisselden.   

LaRa’s elektronische doos zal warm worden gehouden door de kachel van de ExoMars-lander. Echter, LaRa’s antennes zijn buiten deze thermisch gecontroleerde omgeving geplaatst en dienen extreme temperatuurwisselingen te doorstaan: 's nachts kan de temperatuur dalen tot -90°C, terwijl er overdag sprake is van een relatief aangename 10°C. Het nieuwe ontwerp van de antenne is een samenwerking tussen ESA en de Katholieke Universiteit Leuven.

Na het testen werd de thermische vacuümkamer geopend. Ingenieurs naderden het instrument met mondmaskers, overjassen en steriele handschoenen – net als bij een medische operatie – en gingen vervolgens verder met het verwijderen van testsensoren en -bekabeling voordat het instrument en de antennes in steriele zakken werden geplaatst.

Zoals alle hardware ontworpen voor interplanetaire missies, is LaRa onderhevig aan stricte planetaire beschermingsprotocollen ter preventie van microbiële besmetting.

“De oppervlakken van het instrument worden regelmatig schoongeveegd om te controleren of het niveau van de 'biologische belasting' nog steeds acceptabel is,” legt Lieven Thomassen uit van LaRa's hoofdaannemer Antwerp Space. “Het interieur, bestaande uit vier lagen printplaten, zijn al volledig gereinigd. Het is alles behalve veilig afgeschermd van de buitenwereld, met een ontluchtingsgat met een diameter van slechts 2 mm om overdruk bij het bereiken van de ruimte te voorkomen.”

LaRa is een van de twee instrumenten van ESA op het door Rusland gebouwde ExoMars Surface Platform. Beter bekend als Kazachok – voor ‘Kleine Kozak’ – is de primaire rol van het platform om zichzelf en de door ESA gebouwde Rosalind Franklin ExoMars rover veilig op de Oxia Planum laaglanden op Mars te laten landen. Wanneer de rover van het platform afrijdt, zal Kazachok zich vervolgens bezighouden met het uitvoeren van in totaal 13 onboard experimenten. Het Surface Platform is ontwikkeld door NPO Lavochkin onder Roscosmos-contract, in samenwerking met ESA.

LaRa zal een X-band radiosignaal ontvangen van de Aarde die het signaal vervolgens weer terug zal sturen. Door het mettertijd zorgvuldig meten van geringe Doppler-bewegingen van dit wederzijdse signaal, zullen onderzoekers in staat om op een gegeven moment minimale periodieke bewegingen in de positie van de Surface Platform te identificeren, wat zal resulteren in een onschatbaar inzicht op het binnenste van Mars.

“LaRa zal details onthullen van de interne structuur van de planeet en precieze metingen van de rotatie en oriëntatie mogelijk maken,” merkt Véronique Dehantop van de Koninklijke Sterrenwacht van België, de hoofdonderzoeker van het instrument.

“Het zal ook variaties detecteren tijdens impulsmomenten vanwege redistributie van massa, zoals de seizoensgebonden massaoverdracht in koolstofdioxide wanneer de atmosfeert gedeeltelijk bevriest. Tenslotte zal LaRa ook de mogelijkheid geven om de precieze landingspositie nauwkeurig te bepalen.”

Ter vergelijking, men kan aan de hand van een rondtollend ei bepalen of de binnenkant hard of zacht is.

De uitdaging is echter om de ultrastabiele directe radioverbinding gedurende LaRa's geplande werkschema - twee keer 1 uur durende sessies per week - te behouden. In het bijzonder geldt dit voor de maximale afstand  - 401 miljoen kilometer - wanneer Mars zich verwijdert van de Aarde. 

“Op Aarde zullen wij gebruikmaken van enorme 70-m klasse antennes afkomstig van NASA's Deep Space Network of het Russische equivalent bij Kalyazin of Beermeren, om het X-band radiosignaal uit te zenden naar Mars en om de vertraagde, uitgestuurde replica door LaRa en 'Dopper-getekend' door Mars op te vangen. Dit alles met een zeer lage 5W radiokracht gegenereerd door LaRa,” legt ESA's microwave ingenieur Václav Valenta uit, die het LaRa-project beheert.

“LaRa dient op Mars echter voldoende responsief te zijn om radiosignalen van enkele attowatts te detecteren - triljoensten van een watt. Wanneer Mars en Aarde naderbij komen – minimale afstand is 54,6 miljoen kilometer – zullen de Europese Estrack-grondstations ook in staat zijn om verbinding te maken met LaRa.

“Dergelijke scenario's zijn succesvol getest gedurende twee radiofrequente compatibiliteitstestcampagnes bij ESA's ESOC missiecontrolecentrum in Darmstadt, Duitsland.”

De schaarse martiaanse atmosfeer is een gecompliceerde factor. Aan de ene kant heeft convectie hierdoor de mogelijkheid om afvalwarmte weg te voeren. Alhoewel deze honderd keer dunner is dan de aardse lucht, is de interne radiofrequente werking nog steeds risicovol ten opzichte van ‘corona’-effecten – ionisatie van lokale gassen welke kan resulteren in inmenging en potentieel schadelijke bliksemachtige ontlading. 

“Om enig corona-risico uit te schakelen, onderging LaRa eerder grondige analyses en tests bij ESA's High Power Radio Frequency Laboratory in Valencia, Spanje,” voegt Václav toe.

“Het heeft ook testen doorstaan in ESTEC’s Maxwell-kamer voor elektromagnetische compatibiliteit, om te controleren of alle elementen als geheel samenwerken. Bovendien, is een gedediceerd schokmodel van LaRa ontwikkeld en getest bij ESTEC's Test Centre om de robuustheid van LaRa tegen mechanische schokken te verifiëren, geïnduceerd door de scheiding van de draagmodule en de afscherming van het hitteschild.”

Na voltooiing van de LaRa-test in het MSL, werd het instrumen naar ESA's Metrologielaboratorium gebracht, voor precieze metingen van de vlakheid van het oppervlak. Deze moet nauwkeurig zijn tot op een schaal van enkele tientallen micrometers - een duizendste van een millimeter - voor een optimale pasvorm en thermisch contact met de interface van de lander, waardoor een goede operationele temperatuur op Mars behouden blijft.  

Vanuit ESTEC zal LaRa worden vervoerd naar het Ruimteonderzoeksinstituut van de Russische Academie van Wetenschappen, IKI, voor de definitieve goedkeuringstest. Vervolgens zal deze worden verplaatst naar Cannes in Frankrijk voor installatie op het Surface Platform bij de rest van de lander en als geheel worden getest.

 “De mogelijkheid om te vliegen deed zich eind 2015 voor en de daadwerkelijke ontwikkelingen ten aanzien van het vluchtmodel begonnen slechts een jaar later. Het LaRa-team heeft zeer hard gewerkt om op dit punt te komen,” voegt Václav toe. ExoMars 2020 staat gepland voor lancering in juli 2020 met de Russische Proton-draagraket vanuit Bajkonoer in Kazachstan.