Vijftig jaar geleden deze maand, stond NASA's Apollo 8-missie menselijke ogen toe om voor het eerst de verre kant van de maan te bekijken. Het kraterland dat de bemanning zag terwijl ze rond de maan liepen, was volledig verborgen tot 1959, toen de Sovjet Luna 3-missie zwart-witbeelden van het grijze landschap uitzond, inactief en vrijwel onveranderd voor miljarden jaren. Maar het volgende hoofdstuk van verkenning op deze onbetreden grond zal naar verwachting een beetje van het al lang bestaande maanstof op gang brengen.
Vandaag heeft een Chinese Long 3B-raket een ruimteschip ingezet dat de eerste zachte landing op de maanzijde zal proberen: Chang'e-4. Verwacht wordt dat het vaartuig ergens tussen 1 en 3 januari zal landen na een vijfdaagse cruise naar de maan, maanbaaninvoer en enkele koerscorrecties ter voorbereiding op zonsopgang boven de vermoedelijke landingsplaats in de krater Von Kármán eind december.
Sinds het begin van zijn maanproject in de vroege jaren 2000, is China snel vooruitgegaan om de enige natie te worden die zacht landde (in tegenstelling tot opzettelijk beïnvloed) iets op de maan sinds de Sovjet Luna 24 monster-terugkeermissie in 1976. Na het succesvol afzetten de robotachtige Chang'e-3-lander en -rover op Mare Imbrium in december 2013, werd China alleen het derde land dat een maanlanding bereikte. Het succes stelde het land in staat om tegelijkertijd een back-up ruimtevaartuig te hergebruiken voor een nog ambitieuzere missie.
In 2015 kondigde China aan dat het reserve-ruimtevaartuig Chang'e-4, een lander en een kleine rover, zou worden gebruikt voor een baanbrekende missie om aan de andere kant van de maan te landen - een prestatie die nooit is geprobeerd vanwege de complexiteit ervan.
Een afbeelding van de Chang'e-3-lander op het oppervlak van de maan, gemaakt door de kleine rover, Yutu, die de lander na de landing heeft ingezet. (Chinese Academie van Wetenschappen / China National Space Administration / The Science and Application Center for Moon and Deepspace Exploration) Het ruimtevaartuig, met een gecombineerde massa van bijna vier ton, zal acht instrumenten en wetenschappelijke nuttige lading vervoeren. Deze tools zullen worden gebruikt in laagfrequente radio-experimenten, gebruik makend van de unieke radiostille verre zijde, beschermd door de maan tegen de kakofonie van terrestrische radiosignalen. Wetenschapsexperimenten op Chang'e-4 zullen ook interacties van zonnewinddeeltjes met het maanoppervlak onderzoeken, geologische analyses uitvoeren vanaf de grond en mineralogische studies uitvoeren van de regoliet en rots.
Deelnemen aan de rit is het eerste maanbiosfeerexperiment, ontworpen door studenten aan universiteiten in heel China, dat bestaat uit een bus met eieren van worm, aardappelzaden en Arabidopsis - een bloeiende plant die veel wordt gebruikt in ruimteonderzoek. Met water, lucht en voedingsstoffen voor de organismen bestuderen wetenschappers de ademhaling en fotosynthese van het eerste leven naar de oppervlakte van de overkant.
***
Het landen en besturen van een ruimteschip aan de andere kant van de maan is bijzonder uitdagend dankzij het fenomeen van getijdenvergrendeling. De invloed van de aarde op de zwaartekracht heeft in de loop van de tijd de rotatieperiode van de maan vertraagd tot de tijd die nodig is om een baan rond de aarde te voltooien. Het resultaat is dat dezelfde kant van de maan altijd wordt geconfronteerd met die van ons op de grond. Om opdrachten naar de andere kant te sturen, vereist een missie als Chang'e-4 enkele innovatieve communicatieoplossingen.
Om in contact te komen met het ruimtevaartuig tijdens en na de landing, lanceerde China in mei een relaissatelliet genaamd Queqiao met een grote parabolische antenne. De satelliet bevindt zich in een halo-baan op een stabiel punt ongeveer 65.000 tot 85.000 kilometer voorbij de maan, bekend als het tweede Earth-Moon Lagrange Point. Vanaf deze zitplaats heeft Queqiao een constante zichtlijn met zowel terrestrische grondstations als de landingsplaats van Chang'e-4.
De eerste foto die ooit is gemaakt van de andere kant van de maan, met oppervlakkenmerken die aanzienlijk verschilden van de nabije kant. De afbeelding is gemaakt door het Sovjet-ruimtevaartuig Luna 3 op 7 oktober 1959. (Public Domain) Maar de extra moeite om er te komen moet het waard zijn. Niet alleen zal de missie ruimteobservaties mogelijk maken zonder elektromagnetische interferentie van de aarde, maar de maanzijde belooft ook inzichten in de geschiedenis en evolutie van de maan en de aarde. Al tientallen jaren onderzoeken wetenschappers het uitgestrekte gebied dat bekend staat als het Zuidpool-Aitken-bekken (SPA), dat zich uitstrekt van de Zuidpool tot de Aitken-krater.
Het SPA-bekken heeft een diameter van ongeveer 2500 kilometer en is 12 kilometer diep, waardoor het een van de grootste en oudste inslagkraters van het zonnestelsel is. De grond in dit gebied zou blootgesteld materiaal kunnen bevatten van de diepere maanmantel, die gedurende de grote impact miljarden jaren geleden naar het oppervlak werd gestuwd. En aangezien veel astronomen geloven dat de maan is gevormd uit hetzelfde materiaal als de aarde, zou het SPA-bekken potentieel informatie kunnen geven over hoe de proto-aarde eruit zag, net na de theoretische botsing die de maan vormde. Enige tijd na die botsing schoot het leven wortel, en de andere kant van de maan kan een paar stukjes aan die puzzel toevoegen.
De landingsplaats, hoewel niet officieel bevestigd, wordt gezien als de zuidelijke verdieping van de krater Von Kármán. Bradley Jolliff, hoogleraar aard- en planeetwetenschappen aan de Washington University in St. Louis, merkt op dat de geselecteerde locatie binnen Von Kármán relatief soepel is vanwege de oude lavastroom, waardoor een veiligere landing mogelijk is.
Meng Zhiguo, professor aan het College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, en co-auteur van papers over de Chang'e-4 kandidaat-landingsplaatsen, is met name geïnteresseerd in de mogelijke inzichten die de missie zou kunnen bieden in de samenstelling van de maanzijde mogelijk gemaakt door twee spectrometers die op het ruimtevaartuig vliegen, de zichtbare en bijna-infrarood beeldvormende spectrometer (VNIS) en de laagfrequente spectrometer (LFS).
"De composities van de kraterbodem met merrie basalt zullen direct bewijs leveren over het merrie-vulkanisme van de maanzijde, wat nuttig is om het verschil van het merrie-vulkanisme tussen de nabije en de verre zijde verder te begrijpen, " zegt Meng.
De kleine rover, Yutu (wat in het Chinees Jade Rabbit betekent), nadat hij was ingezet vanuit de Chang'e-3-lander. (Chinese Academie van Wetenschappen / China National Space Administration / The Science and Application Center for Moon and Deepspace Exploration) De nabije kant van het maanoppervlak heeft veel uitgestrekte basaltvlaktes die maria worden genoemd. Elke merrie is gemaakt door vulkaanuitbarstingen in het verre verleden en ze kunnen worden gezien als donkere vlakke gebieden met het blote oog. De andere kant heeft echter relatief weinig maria. Het unieke landschap dat Chang'e-4 zal tegenkomen betekende extra uitdagingen bij zowel het selecteren van locaties als het uitvoeren van de landing.
De missie zou ook ons begrip van de vorming van rotsachtige lichamen en de ontwikkeling van lagen zoals korst, mantel en kern kunnen bevorderen. "De composities kunnen [zijn] ontstaan uit de verschillende diepte van de ondiepe laag van de maan, " zegt Meng, "wat belangrijk is om de procedure van de geschiedenis van de maan-magma-oceaan en de globale differentiatiehypothese te begrijpen, " (dat is de hypothese dat proto-aarde in botsing kwam met een lichaam ter grootte van een Mars dat bekend staat als Theia, waardoor het aarde-maansysteem zich vormt uit het puin).
***
Helaas, zegt Jolliff, zal een van de belangrijkste redenen om dit gebied van de maan te bezoeken niet worden aangepakt. "Een belangrijk wetenschappelijk doel van een missie naar het SPA-bekken dat al lang bestaat, is om de leeftijd en [de] samenstelling van de originele materialen te bepalen, die mogelijk rotsen bevatten die diep in de maan zijn gegraven, mogelijk de mantel ervan, " zegt hij . "Helaas is de CE-4-missie niet uitgerust om deze problemen aan te pakken, noch gaat het naar een bijzonder goede locatie binnen SPA om deze problemen aan te pakken."
Het type missie dat echt een beeld zou kunnen geven van wat de andere kant is, zou een monsterretour vereisen. Jolliff heeft een dergelijke SBZ-monster-retourmissie voorgesteld via het NASA New Frontiers-programma, maar vanaf nu is een dergelijke missie niet goedgekeurd voor financiering.
China bereidt een maanmonsterretour aan de nabije kant voor met Chang'e-5, die gepland was te lanceren vóór Chang'e-4 in november 2017. Echter, een mislukte lancering in juli van dat jaar van 5 maart - een zware liftraket vereist voor de grotere lading - heeft de missie op zijn vroegst vertraagd tot eind 2019.
Als alles goed gaat met de vlucht van Chang'e-5 naar de regio Bergen Rümker in Oceanus Procellarum, kan de back-up, Chang'e-6, proberen een monster terug te sturen aan de andere kant van de maan, of mogelijk aan de zuidpool van de maan, in de begin 2020. De uitbreiding van Chinese plannen voor robotachtige maanverkenning leidt naar de doelstellingen die Jolliff en anderen nastreven, maar voor de missie van vandaag draait het allemaal om het vasthouden van de landing.
“Ik zou het belang van de verre landing willen benadrukken, iets dat geen van de andere ruimtevaartlanden heeft gedaan. Commando en controle van de missie vanaf de aarde, op afstand via een communicatiesatelliet, is absoluut een springplank voor het Chinese ruimtevaartprogramma ”, zegt Jolliff en merkt op dat Chang'e-5 snel zal volgen. "Deze missies vinden snel achter elkaar plaats, en dat bewijst ook de vastberadenheid van dit programma om vooruit te komen naar het uiteindelijke doel om Chinese astronauten op het maanoppervlak te plaatsen."
Een deel van de maanzijde, afgebeeld door de bemanning van Apollo 8 op 24 december 1968. (NASA) Terwijl China zich voorbereidt op drie missies naar het oppervlak van de maan in het volgende half decennium of zo, zal de natie waarschijnlijk een belangrijke wereldleider worden in maanverkenning. Meng zegt dat de gegevens van de Chang'e-4-missie beschikbaar zullen worden gesteld aan wetenschappers buiten China en dat het ruimtevaartuig instrumenten uit Duitsland en Zweden vervoert als onderdeel van een internationaal partnerschap met Nederland en Saoedi-Arabië.
"Succesvolle voltooiing van deze missie zal China tot een leider maken in de internationale verkenning van de maan", zegt James Head, een professor in de geologische wetenschappen aan de Brown University. “[Ze] hebben het gebruik van hun relaissatellietinfrastructuur al aangeboden aan de internationale ruimtevaartgemeenschap”.
De maanmissies van China staan aan het front van een hernieuwde belangstelling voor onze hemelse buur, waarbij NASA, het Europees Ruimteagentschap, Rusland en India de komende jaren allemaal werken aan verschillende robot- en bemanningsmissies. De plannen van China krijgen echter definitief vorm met een lancering eerder vandaag, en plannen zijn al in de maak voor Chang'e-7, een technologiedemonstrator om de haalbaarheid van langetermijndoelen te testen, zoals het gebruik van in-situ hulpbronnen van waterijs of metalen.
“Elke nieuwe missie naar de maan biedt verrassingen, zegt Head. "Chang'e 4 zal niet alleen een monumentale technische prestatie zijn, maar zal ongetwijfeld nieuwe ontdekkingen en verrassingen brengen."
Andrew Jones is een journalist die rapporteert over het ruimtevaartprogramma van China, schrijft voor SpaceNews, Gbtimes en bijdraagt aan gastblogs bij de Planetary Society. Hij is gevestigd in Finland.
