Wetenschap Maanlanding

De maan, een enorme krachtcentrale boven ons hoofd

Een tekening van de LCROSS-sonde die zich losmaakt van haar draagraket. De sonde liet in 2009 haar draagraket inslaan op de maan in zag dat er ijs opgeworpen werd. Beeld William Furlong/Nasa

Dat er water te vinden is op de maan, schept kansen. De maan kan een observatietoren zijn en een springplank naar Mars. En zelfs, denken sommigen, kunnen er fabrieken en datacentra gevestigd worden.

Als het een beetje meezit voor de mensheid heeft die over een paar honderd jaar vaste voet in het halve zonnestelsel. En als tegen die tijd iemand - mens, machine of iets er tussenin - de geschiedenis van die verovering schrijft, zal hij/zij/het zeker deze mijlpalen noemen: de eerste vlucht in een baan om de aarde van Joeri Gagarin, 1961; de eerste schreden op de maan door Neil Armstrong, 1969; en de ontdekking in 1994 door de maanverkenner Clementine, van water op de polen van de maan.

Vanwege dat water popelen de grote ruimtevarende landen - Rusland, China en de VS - om de 400.000 kilometer verre reis weer te maken. Het maakt de maan nog niet direct bewoonbaar, maar wel bedwingbaar. Op termijn, denken optimisten in de ruimtevaartwereld, buitengewoon bruikbaar. En volgens minstens één visionair zelfs onmisbaar voor het welzijn op de moederplaneet.

Van water was nog niets te bespeuren in de stenen en grondmonsters die de astronauten van Apollo 11 meenamen. Elke etmaal op de maan duurt een kleine maand en de helft van die tijd brandt de zon, nooit afgeschermd door wolken, niet getemperd door een atmosfeer. Het wordt er zo'n 120 graden.

Glasbolletjes die Apollo 15 meenam van de maan. Beeld NASA/JSC

Glasbolletjes bleken water te bevatten

Maar een paar vluchten later moest de conclusie dat de maan kurkdroog is al worden genuanceerd. Glasbolletjes die Apollo 15 ophaalde, bleken een heel klein beetje water te bevatten, vijf duizendste van een procent. Die bolletjes waren gestolde spetters van diepere lagen van de maan, opgeworpen door de inslag van een meteoriet. Kennelijk, berekenden geologen daaruit, bestaat de 'mantel' van de maan voor vijf honderdste van een procent uit water.

Daar heeft een maanexpeditie helemaal niets aan. Maar in de decennia na het vertrek van de laatste astronaut kwamen er van onbemande verkenners steeds duidelijker aanwijzingen dat er water aan de oppervlakte was, misschien zelf in winbare hoeveelheden. Op hogere breedten zat er wat water in en op het regoliet, de laag stof en steentjes die het maanoppervlak bedekt. En de gemeten hoeveelheid werd groter, hoe dichter bij de noord- of zuidpool je keek.

De waarnemingen van Clementine en latere ruimtesondes werden in 2009 spectaculair bevestigd toen de Amerikaanse LCROSS sonde zijn stuwraket van 2000 kilo in de krater Cabeus aan de zuidpool liet inslaan en zag wat voor materiaal er opgeworpen werd: ijs. Daaruit werd geconcludeerd dat de bodem op die plek gemiddeld vijf of tien procent water bevat, en misschien ook bedekt is met puur ijs.

De navelstreng met de aarde

Die voorraad, die naar schatting in de miljarden kubieke meters loopt, heeft de maan te danken aan een paar geografische toevalligheden. De aarde heeft een scheve draaiingsas ten opzichte van zijn baan om de zon - daarom gaat in de zomer in Nederland de zon niet zo lang onder, en op de Noordpool zelfs helemaal niet, en wordt in de andere helft van het jaar de Zuidpool constant beschenen. De maan staat in vergelijking daarmee bijna rechtop. Aan de polen staat de zon dus altijd net boven of net onder de horizon. Om in die omstandigheden water goed te houden, heb je alleen nog een diepe kuil nodig, want in de schaduw is het altijd diep onder nul. Zulke kuilen, groot en klein, zijn er op de maan in overvloed, dankzij de inslagen van meteorieten.

Hoe komt het water daar terecht? Een deel zou uit de maan zelf kunnen komen, verdampt na de inslagen die de door Apollo 15 gevonden glasbolletje maakten. Maar er komt vermoedelijk ook voortdurend nieuw water uit de ruimte: het zit in inslaande meteorieten en kometen.

En er wordt mogelijk water aangemaakt door de zonnewind, een stroom deeltjes die de zon uitblaast. Daar zitten protonen bij, de deeltjes waaruit atoomkernen onder andere zijn opgebouwd. Eén proton is in feite al de kern van een waterstofatoom. In de mineralen op het maanoppervlak zitten zuurstofatomen. Zo nu en dan wordt zo'n atoom losgeslagen en combineert met twee protonen: daar wordt H2O geboren, oftewel een watermolecuul. Vaak verdwijnt zo'n molecuul meteen de ruimte in, maar een deel blijft kennelijk gebonden in de bodem, migreert naar de polen en raakt daar verzeild op ijskoude kraterbodems.

In de plannen voor nieuwe bemande vluchten naar de maan heeft met name de zuidpool daarom een hoofdrol, om precies te zijn de krater Shackleton. Want als een maanexpeditie over water beschikt, kan die in theorie de navelstreng met de aarde doorsnijden.

Hoe ziet een internationaal maandorp eruit

Zo'n expeditie kan om te beginnen meer nuttige lading meenemen omdat er geen water van de aarde hoeft te komen. Op lange termijn kunnen reizen naar de maan zelfs gemaakt worden zonder brandstof voor de terugreis. Immers, uit water kun je ook weer waterstof en zuurstof maken, een perfecte combinatie voor raketmotoren.

Je hebt dan natuurlijk wel energie nodig voor het splitsen van het water - maar ook daarvoor is een pool van de maan de ideale plek. De zon gaat er immers niet of nauwelijks onder. Twee negentiende-eeuwse Duitse astronomen bedachten al dat je vanaf een flink hoge berg in de buurt van de pool zelfs dag en nacht de zon zou moeten kunnen zien - en dus met zonnecellen energie winnen, voegen eenentwintigste-eeuwse ingenieurs daaraan toe. De topografie van de zuidpool maakt die belofte niet helemaal waar, maar enkele bergtoppen aan de zuidpool hebben zo'n inderdaad zo'n 80 procent van de tijd daglicht. In combinatie lukt het wel: op elk moment zou een van hen in staat zijn, de energie van de zon op te vangen.

Net als op aarde betekent de lage zonnestand aan de pool dat het er nooit zo warm wordt als elders - of zo koud. Doorgaans een graad of vijftig onder nul. Dat maakt het een gemakkelijker om verblijven te bouwen waarin mensen zich prettig voelen dan op plekken waar het schommelt tussen 120 boven en 170 onder nul.

Daar zijn al ontwerpen voor. Aangemoedigd door de Europese ruimtevaarorganisatie ESA organiseert sinds 2017 de Moon Village Association onderzoek naar hoe een internationaal 'maandorp' er uit moet zien. De gedachten gaan uit naar een aantal modules van vier verdiepingen. In het begin van een soort tentmateriaal, later met een harde schil, door 3D-printers met behulp van maanwater gemaakt van maanmateriaal.

Behalve met het uitbouwen van het dorp zullen de bewoners zich in het begin vooral met wetenschap bezighouden. Er is nog veel te onderzoeken op de maan. Hoe oud zijn al die kraters, groot en klein, en wat zegt dat over de tijdstippen waarop de aarde en andere planeten werden gebombardeerd in de geschiedenis van het zonnestelsel? Kun je aan diepere lagen van het regoliet aflezen hoe hard de zonnewind in vroeger tijden waaide?

Lees verder onder de infographic.

De reis naar de maan Beeld Sander Soewargana/Trouw

Het centrum van een water-economie

Wetenschappers zullen de maan ook willen gebruiken als observatiepost. Op de achterkant is bijvoorbeeld niets te vernemen van al het radioverkeer op de aarde - de ideale plek om een radio-telescoop neer te zetten die de frequenties ontvangt die de atmosfeer van de aarde moeilijk passeren.

In het begin zullen wetenschappelijke doelen belangrijke argumenten zijn om naar de maan te gaan. En nationale trots natuurlijk. En het nut van de maan als oefenterrein voor Mars. Want Mars is te ver weg om er eventjes heen te gaan en dan snel weer terug, zoals de maanreizigers deden. Voor het weken of zelfs maanden overleven op een droge planeet met vrijwel geen atmosfeer is de maan de ideale oefenplek.

Maar de maan kan meer zijn dan een observatietoren en springplank. Al die zonne-energie, al dat water, al die grondstoffen in de bodem, wat daar boven ons hoofd draait is in potentie een gigantische krachtcentrale, fabriek en datacentrum, denkt ruimtevaart-deskundige Philip Metzger van de University of Central Florida.

Om dat te bereiken, moet het maandorp volgens hem het centrum worden van een 'water-economie'. Dankzij de goede beschikbaarheid van water en energie kan er op te beginnen raketbrandstof worden gemaakt, en kunnen uit de bodem metalen worden gewonnen. In het begin zal er nog veel technologie van de aarde nodig zijn, maar geleidelijk aan zullen fabrieken op de maan bijna alles zelf kunnen maken, en zullen robots ook gestaag nieuwe fabrieken bouwen, en zelfs robots fabriceren die nieuwe fabrieken gaan bouwen. Dat is een centraal punt in zijn plan: de productiecapaciteit op de maan zal dan exponentieel stijgen, en al gauw die van de aarde evenaren.

Iedereen werkt voortaan in ‘the cloud’ boven je hoofd

Dat gaat een revolutie geven op onze eigen planeet. Met alleen maar goede kanten, voor zover Metzger kan bedenken. Zo moeizaam als het gaat om vanuit de aarde, met zijn sterke zwaartekracht, dingen naar de maan te brengen, zo weinig raketbrandstof kost het in omgekeerde richting. Dankzij de automatisering en gratis grondstoffen zal productie op de maan de voorkeur krijgen. Dat zal de druk op de leefomgeving op aarde sterk doen verminderen.

De maan kan volgens hem ook een oplossing zijn voor een komende crisis in de informatie-technologie. Hij citeert zorgelijke voorspellingen over de groei van het dataverkeer en het energieverbruik van computers. Ook dat kan volgens hem op den duur naar de maan worden verhuisd: daar worden de computers gemaakt en vindt het meeste rekenwerk plaats. Een netwerk van radiosatellieten zorgt voor de verbindingen tussen de computers op de maan en de beeldschermen en toetsenborden op aarde. Iedereen werkt voortaan in 'the cloud'. Maar dan een die je gewoon boven je hoofd kunt zien, een broeinest van economische activiteit, allemaal dankzij dat water.

De geheimen van de maanstenen

Het was een kleine stap voor een mens, maar een reuzensprong voor de maanwetenschap. Er waren hypotheses, nu waren er feiten.

De stenen en boorkernen die de astronauten mee naar de aarde namen, konden via hun gehalte aan radioactieve elementen worden gedateerd. Ze waren tussen de 3,2 en 4,6 miljard jaar oud. Op aarde zijn de oudste gesteenten, op enkele uitzonderingen na, rond de 3 miljard jaar oud. Dat komt doordat op aarde geologische processen het oppervlak voortdurend vernieuwen. Daardoor zijn nog maar weinig inslagkraters te vinden.

Op de maan wel, het meest in de gebieden die volgens de daar opgeraapte stenen het oudst zijn. En het minst in lavabassins die doorgaans minder dan 3,5 miljard jaar geleden stolden. Op zich is dat logisch: hoe langer een stuk maanoppervlak er ongewijzigd bij ligt, hoe groter de kans dat er ooit een meteoriet is ingeslagen. Dankzij de gedateerde stenen konden daar getallen aan worden geplakt.

Het aantal inslagen is niet constant geweest in de tijd. Zo’n vier miljard jaar geleden werden de maan en ook de aarde en de andere binnenplaneten Mars, Venus en Mercurius, getroffen door wat het ‘late zware bombardement’ wordt genoemd. Die meteorieten kwamen vermoedelijk uit de gordel van planetoïden en kleiner ruimtegruis tussen de banen van Mars en Jupiter. Dat ze niet in die baan bleven, moet te maken hebben met veranderingen in de banen van met name de grote planeten, Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus.

Het bombardement is een belangrijke toets voor pogingen tot reconstructie van de jonge jaren van het zonnestelsel. De maanstenen lieten ook zien dat de maan grotendeels uit dezelfde elementen bestaat als de aarde. Er zijn wel verschillen. De maan is bijvoorbeeld relatief arm aan ijzer. Theorieën over het ontstaan van de maan kunnen alleen kloppen als ze die overeenkomsten en verschillen in samenstelling verklaren.

De wetenschappelijke oogst van de Apollo-expedities is nog lang niet uitgeput. Al een halve eeuw wordt laserlicht gestuurd naar spiegels die Apollo 11, 14 en 15 hebben achtergelaten. Daarmee kan de afstand tussen maan en aarde op de millimeter nauwkeurig worden gemeten: die wordt elk jaar 3,8 centimeter groter.

Op aarde hebben de meegenomen stenen ook nog niet al hun geheimen prijsgegeven. Een aantal is na aankomst opgeborgen op een manier waarvan gehoopt werd dat ze onveranderd blijven: in vacuüm, in helium of diepgevroren, in afwachting van betere analysemethoden waarvan onderzoekers in 1969 alleen nog maar konden dromen. In maart maakte de Nasa bekend dat de tijd rijp is ze voor de dag te halen.

Meer lezen over de eerste man op de maan? Kijk op trouw.nl/maanlanding.

Lees ook:

De nieuwe race naar de ruimte

De ruimtevaartwedloop tussen de Amerikanen en de Russen heeft zich verplaatst naar Azië. In China gaat het ‘superhard’, maar ook India maakt indruk.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden