Voorbereiding van een ruimteweermissie naar Mars

2023-2024
In 2021 lanceerde het Europese Ruimtevaartagentschap ESA een oproep voor voorstellen voor haar middelgrote M7 wetenschappelijke missie. Van de 27 ingediende voorstellen selecteerde ze er 10 om een meer gedetailleerde beschrijving in te dienen. Eind 2022 kozen ze daaruit 5 kandidaten voor een fase 0 voorstudie. Slechts 3 daarvan gingen eind 2023 door naar fase A.

Wetenschappers van het BIRA waren vanaf het begin betrokken bij meerdere voorstellen, in het bijzonder één gericht op ruimteweerwetenschap bij Mars.

Body text

De geselecteerde M-MATISSE ruimtemissie

M-MATISSE, staat voor “Mars Magnetosphere ATmosphere Ionosphere and Space-weather SciencE”, is een van de drie kandidaten voor M7 die naar fase A gaan. Deze missie focust op het bestuderen van de plasma-omgeving van Mars – van het oppervlak tot in de ruimte – en zal metingen ter plaatse combineren met waarnemingen vanop afstand.

De missie bestaat uit twee satellieten, toepasselijk “Henri” en “Marguerite” genoemd die identieke sets van wetenschappelijke instrumenten dragen. Het doel is om inzicht te krijgen in de keten van processen die het ruimteweer op Mars beheersen. Deze kennis is van groot belang omdat ruimteweerfenomenen ernstige risico’s vormen voor ruimtevaartuigen en mensen. Betrouwbare ruimteweervoorspellingen zijn daarom essentieel voor de verkenning van de Rode Planeet.

De missie is gepland voor lancering in 2037, met een voorziene duur van 1 Marsjaar.

Het bestuderen van de ruimteomgeving rond Mars met COMPASS

Binnen de M-MATISSE missie draagt het BIRA bij door het voorzien van elektrische sondes, als onderdeel van het COMPASS-consortium. Dit consortium wordt geleid door het Zweedse Instituut voor Ruimtefysica in Uppsala, en omvat teams uit Frankrijk , Duitsland, Tsjechië en Polen.

De COMPASS-instrumenten zijn ontworpen om de plasma-omgeving rond Mars te onderzoeken. De elektrische sondes maken metingen van de plasmadichtheid en temperatuur mogelijk en het detecteren van elektrische velden en golven.

Het BIRA bouwt voort op zijn ervaring met de ontwikkeling van elektrische sondes voor het Comet Interceptor DFP/COMPLIMENT-instrument. Deze sondes kunnen worden gecombineerd met de magnetometersensoren, waardoor een zeer krachtige, maar compacte suite van instrumenten ontstaat.

Het verfijnen van het ontwerp van de missie in fase 0

Tijdens de fase 0-studie in 2023 werd de missie – net als zijn concurrenten – grondig geëvalueerd in ESA’s Concurrent Design Facility. Hier brengt ESA zijn experts op het gebied van baanontwerp, ruimtevaartuigplatforms, navigatie, systeemontwerp, satellietenergiebeheer, thermisch ontwerp en telemetrie enkele weken samen om tot een ruw maar volledig missieontwerp te komen.

De wetenschappers nemen deel aan frequente teleconferenties waarin vragen kunnen worden gesteld en keuzes worden gemaakt. Het uiteindelijke doel van deze fase is om potentiële showstoppers -technische of wetenschappelijke obstakels- in een vroeg stadium op te sporen. Deze fase werd afgesloten met een Mission Definition Review, een evaluatiemoment waarop beslist wordt welke missies voldoende potentieel hebben om door te gaan naar een fase A-studie.

Verfijning van de ruimtevaartuig- en instrumentconcepten in fase A

Met de start van fase A ontving het BIRA ESA-financiering via het PRODEX-mechanisme, na goedkeuring door het Belgische Federale Wetenschapsbeleid.

In deze fase worden zowel het ruimtevaartuig als de instrumenten verder uitgewerkt en geoptimaliseerd. Voor de elektrische sondes is er al een solide ontwerp beschikbaar en is er niet zoveel werk meer nodig. Toch vereist de integratie met het specifieke satellietplatform van M-MATISSE nog bijkomende aandacht. Zo moeten de sondes een geheel andere thermische omgeving rond Mars moeten ondergaan: kunnen ze die doorstaan? Ze zullen ook blootgesteld worden aan atomair zuurstof in de hoge atmosfeer van Mars, wat de coating van de elektrische sondes kan beschadigen: kunnen ze dat verdragen?

Deze vragen moeten opgelost raken tegen midden 2026, wanneer ESA een definitieve beslissing neemt over welke missie geselecteerd wordt voor M7.

M-MATISSE missie logo

Figure 2 body text

Figure 2 caption (legend)

Een elektrische sonde zoals dewelke wordt ontwikkeld voor M-MATISSE/COMPASS (Afbeelding: Tim Van Asselberghs/BIRA-IASB)

Figure 3 body text

Figure 3 caption (legend)

Model van de plasmadichtheid rond Mars op het ogenblik dat een coronale massa-uitstoot van de Zon de planet bereikt. De banen van beide satellieten worden eveneens getoond (bron: ESOC)