Toen de Apollo-astronauten op de maan landden, ze brachten apparaten mee die retroreflectoren werden genoemd, die in wezen kleine arrays van spiegels zijn. Het plan was dat wetenschappers op aarde lasers op hen zouden richten en de tijd zouden berekenen die nodig was om de stralen terug te laten keren. Dit leverde uitzonderlijk nauwkeurige metingen van de baan en vorm van de maan op, inclusief hoe het enigszins veranderde op basis van de zwaartekracht van de aarde.

Onderzoek met deze maanretroreflectoren uit het Apollo-tijdperk gaat tot op de dag van vandaag door, en wetenschappers willen soortgelijke experimenten op Mars uitvoeren. NASA's Perseverance-rover - gepland om op 18 februari op de Rode Planeet te landen, 2021 - draagt ​​de Laser Retroreflector Array (LaRA) ter grootte van een handpalm. Er is ook een kleine aan boord van de InSight-lander van het bureau, genaamd Laser Retroreflector voor InSight (LaRRI). En een retroreflector zal aan boord zijn van de ESA (European Space Agency) ExoMars-rover die in 2022 wordt gelanceerd.

Hoewel er momenteel geen laser in de maak is voor dit soort Mars-onderzoek, de apparaten zijn gericht op de toekomst:met reflectoren zoals deze kunnen wetenschappers ooit in staat worden gesteld om de positie van een rover op het oppervlak van Mars te meten, zogenaamd laserbereikonderzoek, test Einstein's algemene relativiteitstheorie, en helpen toekomstige landingen op de Rode Planeet nauwkeuriger te maken.

"Laserretroreflectoren zijn glanzend, puntige positiemarkeringen, " zei Simone Dell'Agnello, die leiding gaf aan de ontwikkeling van alle drie de retroreflectoren bij het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica, die de apparaten bouwde in opdracht van het Italiaanse ruimteagentschap. "Omdat ze eenvoudig en onderhoudsvrij zijn, ze kunnen tientallen jaren werken."

Een doos met spiegels

De apparaten werken veel als een fietsreflector, licht terugkaatst in de richting van de bron. Doorzettingsvermogen's LaRA, bijvoorbeeld, is een 2 inch brede (5 centimeter brede) koepel gespikkeld met halve inch gaten met daarin glazen cellen. In elke cel, drie gespiegelde vlakken zijn in een hoek van 90 graden van elkaar geplaatst, zodat het licht dat de gaten binnenkomt, in precies dezelfde richting wordt teruggestuurd als het vandaan kwam.

LaRA is veel kleiner dan de retroreflectoren op de maan. De vroegste, geleverd door de Apollo 11 en 14 missies, zijn ongeveer zo groot als een typische computermonitor en ingebed met 100 reflectoren; die geleverd door Apollo 15 zijn nog groter en ingebed met 300 reflectoren. Dat komt omdat de lasers maar liefst 478 moeten reizen, 000 mijl (770, 000 kilometer) naar de maan en terug. Op de terugreis, de stralen zijn zo zwak, ze kunnen niet worden gedetecteerd door het menselijk oog.

De stralen die LaRA van Perseverance en LaRRI van InSight zijn gebouwd om te reflecteren, zouden in feite een veel kortere reis hebben, ondanks dat Mars op het verste punt van de aarde zo'n 249 miljoen mijl (401 miljoen kilometer) verwijderd is. In plaats van heen en weer te reizen van de aarde, waarvoor enorme retroreflectoren nodig zijn, de laserstralen zouden alleen heen en weer moeten reizen vanuit een toekomstige Mars-orbiter die is uitgerust met een geschikte laser.

Verhelderende wetenschap

Zo'n orbiter zou de precieze positie van een retroreflector op het oppervlak van Mars kunnen bepalen. En aangezien Perseverance mobiel zal zijn, het zou meerdere referentiepunten kunnen bieden. In de tussentijd, de positie van de orbiter zou ook vanaf de aarde worden gevolgd. Dit zou wetenschappers in staat stellen om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen, zoals ze hebben met retroreflectoren op de maan. De baan van elke planeet wordt sterk beïnvloed door de kromming in de ruimte-tijd die wordt veroorzaakt door de grote massa van de zon.

"Dit soort wetenschap is belangrijk om te begrijpen hoe zwaartekracht ons zonnestelsel vormt, het hele universum, en uiteindelijk de rollen van donkere materie en donkere energie, " merkte Dell'Agnello op.

In het geval van de InSight-lander, die op 26 november landde, 2018, laser-afstandswetenschap zou ook kunnen helpen bij de kernmissie van het ruimtevaartuig om het diepe interieur van Mars te bestuderen. InSight vertrouwt op een radio-instrument om subtiele verschillen in de rotatie van de planeet te detecteren. Door van het instrument te leren hoe de planeet in de loop van de tijd wiebelt, wetenschappers kunnen eindelijk bepalen of de kern van Mars vloeibaar of vast is.

En als het wetenschappelijke team de retroreflector van de lander kon gebruiken, ze zouden zelfs nauwkeurigere positiegegevens kunnen krijgen dan de radio van InSight biedt. LaRRI kon ook detecteren hoe het terrein InSight in de loop van de tijd op verschuivingen zit en in welke richting, onthullen hoe de korst van Mars uitzet of samentrekt.

Betere landingen op Mars

Marslandingen zijn zwaar. Om Perseverance veilig aan de oppervlakte te krijgen, de missie zal steunen op Terrain-Relative Navigation, een nieuwe technologie die foto's die tijdens de afdaling zijn gemaakt vergelijkt met een kaart aan boord. Als het ruimtevaartuig zichzelf te dicht bij gevaar ziet komen (zoals een klif of zandduinen), het kan wegslaan.

Maar in zo'n missiekritieke gebeurtenis, je kunt nooit teveel back-ups hebben. Toekomstige missies die naar het oppervlak van de Rode Planeet razen, kunnen de reeks referentiepunten van laserretroreflectoren gebruiken om de prestaties van hun Terrain Relative Navigation-systemen te controleren - en misschien zelfs hun nauwkeurigheid opvoeren tot enkele centimeters. Wanneer het verschil tussen een succesvolle landing in de buurt van een verleidelijke geologische formatie of het naar beneden glijden van de steile helling van een kraterwand in slechts voeten kan worden gemeten, retroreflectoren kunnen van cruciaal belang zijn.

"Laserbereik zou nieuwe soorten Mars-verkenning kunnen openen, ' zei Dell'Agnello.

Meer over de missie

Een belangrijk doel van de missie van Perseverance op Mars is astrobiologie, inclusief het zoeken naar tekenen van oud microbieel leven. De rover zal ook het klimaat en de geologie van de planeet karakteriseren, de weg vrijmaken voor menselijke verkenning van de Rode Planeet, en wees de eerste planetaire missie om Mars-rots en regoliet (gebroken rots en stof) te verzamelen en te cachen. Volgende missies, momenteel in behandeling bij NASA in samenwerking met de European Space Agency, zou ruimtevaartuigen naar Mars sturen om deze opgeslagen monsters van het oppervlak te verzamelen en terug te sturen naar de aarde voor diepgaande analyse.

Beheerd voor NASA door JPL, een divisie van Caltech in Pasadena, Californië, de Mars 2020 Perseverance rover maakt deel uit van een groter programma dat missies naar de maan omvat als een manier om voor te bereiden op menselijke verkenning van de Rode Planeet. Belast met het terugbrengen van astronauten naar de maan tegen 2024, NASA zal tegen 2028 een duurzame menselijke aanwezigheid op en rond de maan tot stand brengen via NASA's Artemis-maanverkenningsplannen.