Jupiters maan Europa is beslist een vreemde plaats. Ontdekt in 1610 door Galileo Galilei, het werd pas in de late jaren zeventig voor het eerst in detail gezien, nadat ruimtevaartuig het joviaanse systeem bezocht.

Iets kleiner dan onze eigen maan, Europa kon nauwelijks anders lijken. Beide hebben een interieur van rock en metal. Maar Europa is gehuld in een wereldwijde zoutwateroceaan en bedekt met een heldere ijslaag. De schaal is getekend met scheuren en fouten en gevlekte plaatsen waar het ijs is doorbroken door vloeistof van onderaf.

Wetenschappers speculeren al tientallen jaren wat er in die oceaan ligt. Het is groter in volume dan alle oceanen van de aarde bij elkaar.

Een door de NASA gefinancierde seismometer in ontwikkeling aan de Arizona State University belooft te landen op Europa's ijsschelp - en ernaar te luisteren.

De seismometer zou Europa's natuurlijke getijden en andere bewegingen gebruiken om de dikte van de schelp te ontdekken, kijk of het waterzakken - ondergrondse meren - in het ijs bevat, en bepaal hoe gemakkelijk en hoe vaak, oceaanwater zou kunnen stijgen en naar het oppervlak zou kunnen stromen.

"We willen horen wat Europa ons te vertellen heeft, " zei Hongyu Yu, van ASU's School of Earth and Space Exploration. "En dat betekent een gevoelig 'oor' op het oppervlak van Europa leggen."

Exploratiesysteemingenieur Yu leidt een team van ASU-wetenschappers, waaronder seismoloog Edward Garnero, geofysicus Alyssa Rhoden, en chemisch ingenieur Lenore Dai, directeur van de School for Engineering of Matter, Transport en energie in de Ira A. Fulton Schools of Engineering.

Technologie investering

Hoewel er momenteel geen plannen zijn om een ​​lander naar Europa te sturen, het team heeft een subsidie ​​ontvangen van NASA om een ​​miniatuur seismometer te ontwikkelen en te testen die niet groter is dan ongeveer 10 centimeter aan een kant, die van cruciaal belang kunnen zijn bij het bevorderen van toekomstige Europa-exploratie. passend, gezien waar het wordt gemaakt, het project is getiteld Seismometers for Exploring the Subsurface of Europa, of SESE.

De meeste seismometers, voor gebruik op aarde of andere planeten, vertrouwen op een massa-en-veersensorconcept om passerende aardbevingsgolven te detecteren. Maar dat type seismometer, zegt Yu, rechtop moet worden neergezet, het moet voorzichtig op zijn plaats worden geplaatst zonder grote schokken of schokken, en de kamer waar de sensor werkt, heeft een volledig vacuüm nodig om nauwkeurige metingen te garanderen.

"Ons ontwerp vermijdt al deze problemen, " legt Yu uit. De SESE-seismometer maakt gebruik van een micro-elektromechanisch systeem met een vloeibare elektrolyt als sensor. "Dit ontwerp heeft een hoge gevoeligheid voor een breed scala aan trillingen, en het kan onder elke hoek ten opzichte van het oppervlak werken.

"En als het nodig is, " hij voegt toe, "ze kunnen bij de landing hard de grond raken." Yu merkt op dat het team het prototype heeft getest door er met een voorhamer op te slaan. Het heeft het overleefd.

Behalve dat het extreem robuust is, de SESE-seismometer belooft ook de stand van de techniek op het gebied van sensoren vooruit te helpen. "We zijn verheugd over de mogelijkheid om elektrolyten en polymeren te ontwikkelen die hun traditionele temperatuurlimieten overschrijden, ", zegt teamlid Dai. "Dit project is ook een voorbeeld van samenwerking tussen disciplines."

Stevige touchdown nodig

Het vermogen om een ​​harde landing te weerstaan ​​is een grote hulp, zegt teamlid Garnero. "Seismometers moeten verbinding maken met de vaste grond om het meest effectief te werken." Zittend op losse oppervlaktematerialen kan het instrument isoleren van seismische golven die door het lichaam van de maan of planeet gaan - of, op Europa, zijn ijskap.

Landers, die seismometers zou dragen, "hebben meestal vier of zes poten, " zei Garnero. "Als elk been een seismometer draagt, deze kunnen bij de landing in de oppervlakte worden geduwd, goed contact maken met de grond."

In aanvulling, hij zei, het hebben van een aantal sensoren op een lander geeft wetenschappers de mogelijkheid om de gegevens die bij elk zijn geregistreerd te combineren. Hierdoor kunnen ze de variabele seismische trillingen overwinnen die door elk instrument worden geregistreerd, en het stelt wetenschappers in staat om te vertellen uit welke richting aardbevingsgolven komen.

"We kunnen ook hoogfrequente signalen van langere golflengten sorteren, " legde Garnero uit. Hoe breder het spectrum dat het instrument kan waarnemen, hoe meer verschijnselen het zal detecteren. "Bijvoorbeeld, kleine meteorieten die niet te ver weg het oppervlak raken, zouden hoogfrequente golven produceren, en getijden van zwaartekrachtsleepboten van Jupiter en de naburige manen van Europa zouden lang duren, langzame golven."

So what would Europa sound like?

Garnero laughed. "I think we'll hear things that we won't know what they are."

Maar, hij zei, "ice being deformed on a local scale would be high in frequency—we'd hear sharp pops and cracks. From ice shell movements on a more planetary scale, I would expect creaks and groans."

Ocean world

Europa can be glimpsed in binoculars from the backyard as it circles Jupiter once every 85 hours. But it's just a point of light, looking no different from what Galileo saw when he discovered it.

The Europa that scientists study today, echter, is more properly considered an ocean world. This is because of two flyby spacecraft (NASA's Voyager 1 and 2) and an orbiter (NASA's Galileo) that spent eight years at Jupiter. Long-distance observations of Europa also have come from the Hubble Space Telescope orbiting Earth, which detected plumes of water vapor erupting from the shell in 2012 and 2016.

"At Europa, we're trying to use seismometers to determine where the liquid water lies within the ice shell, " team member Rhoden said. "We want to know how active the ice shell is."

The answers to these questions are important to the future exploration of this moon and its habitability, ze zei. "An active shell with pockets of water creates more niches for life and more ways to transport nutrients from the ocean to the surface."

Locating these pockets on Europa would allow future lander missions to possibly sample ocean water brought up through the ice shell.

Just how active is Europa?

"We don't know, " Rhoden said. The surface is geologically young, with an approximate age (based on numbers of craters) of 50 to 100 million years. "It may have undergone an epoch of activity early in that period and then shut down." But it's equally possible, ze zegt, that the shell is experiencing fractures, uplifts, offsets, and melt-throughs today.

"Hubble's recent plume observations last fall appear to support that."

As Europa orbits Jupiter, it gets repeated tugs from the gravity of neighbor moons Io and Ganymede. These tugs keep Europa's orbit from becoming circular and that lets Jupiter stress the shell—and then let it relax—over and over, endlessly. Dus, Rhoden said, seismometers on the surface should detect any ongoing activity in the shell.

The team developing the SESE seismometer has its sights on Europa, but they are also looking beyond, because the design is robust and adaptable. This could let it become something of a universal instrument for seismology on other worlds.

As team leader Yu explains, "With modification to fit local environments, this instrument should work on Venus and Mars, and likely other planets and moons, too."