Toen Galileo zijn telescoop 400 jaar geleden op Jupiter richtte, zag hij drie lichtvlekken rond de gigantische planeet, waarvan hij aanvankelijk dacht dat het vaste sterren waren. Hij bleef kijken en uiteindelijk zag hij een vierde klodder en merkte dat de klodders bewogen. Galileo's ontdekking van objecten in een baan om iets anders dan de aarde - die we ter ere van hem de Galileïsche manen noemen - was een klap voor het Ptolemeïsche (geocentrische) wereldbeeld van die tijd.

Galileo had het tijdperk van ruimteverkenning waarin we nu leven niet kunnen voorzien. 400 jaar vooruit, en hier zijn we dan. We weten dat de aarde geen centraal punt inneemt. We hebben duizenden andere planeten ontdekt, en velen van hen zullen hun eigen manen hebben. Galileo zou hier versteld van staan.

Wat zou hij denken van robotmissies om een ​​van de lichtvlekken die hij zag te verkennen?

Jupiters maan Europa is het meest overtuigende doelwit in de zoektocht naar leven in ons zonnestelsel. Europa is bedekt met een ijsschil van 15 tot 25 kilometer (9 tot 15 mijl) dik. Onder het ijs is een oceaan tussen 75 en 85 kilometer (46 tot 53 mijl) dik.

Dat betekent dat deze maan, de kleinste van de vier Galileïsche manen, drie keer meer water zou kunnen hebben dan de aarde. Het water is warm en zout, en dat betekent dat Europa een eenvoudig leven zou kunnen hebben.

NASA stuurt de langverwachte Europa Clipper naar de bevroren maan in 2024 (gepland) om zijn levensondersteunende potentieel te verkennen. Het zal geen sonde naar de oppervlakte sturen, en in feite zal het niet echt in een baan om Europa zelf draaien; in plaats daarvan zal het in een baan om Jupiter draaien en een reeks langsvluchten van Europa uitvoeren.

Maar op een dag zullen we een robotverkenner naar het oppervlak van Europa sturen. En het enige dat beter is dan één robot te sturen om Europa te verkennen, is een zwerm robots sturen om het te doen. Dat is het idee achter het Sensing With Independent Micro-Swimmers (SWIM)-concept.

Een robotica-ingenieur bij NASA's JPL ontving $ 600.000 aan financiering van een NASA-programma om het concept te ontwikkelen. De ingenieur is Ethan Schaler, en dit is de tweede financieringsronde die NASA's Innovative Advanced Concepts (NIAC) hem heeft toegekend. In fase 1 van het NIAC-programma ontving hij $ 125.000.

Het basisidee achter het SWIM-concept is om het bereik van de gegevensverzameling van een Europa-missie uit te breiden en een grotere steekproefomvang te verzamelen.

Het SWIM-concept van Schaler beschrijft hoe een ruimtevaartuig dat naar Europa of een andere vergelijkbare bestemming zoals Saturnusmaan Enceladus is gestuurd, een zwerm robots zou kunnen gebruiken voor meer effectiviteit. Een lander zou het oppervlak bereiken en een cryobot inzetten die is ontworpen om door de ijsschelp naar de oceaan te reizen. Eenmaal daar zou de cryobot ongeveer vier dozijn kleine robots ter grootte van een mobiele telefoon inzetten. De cryobot zou ruimte hebben voor deze onafhankelijke robots, plus voldoende volume om zijn eigen instrumenten te hosten, die gegevens zouden verzamelen tijdens de lange afdaling door het ijs en in de oceaan.

De cryobot zou via een communicatiekabel met de lander zijn verbonden en de stationaire oppervlaktelander zou het communicatiepunt zijn voor op aarde gebaseerde missiecontrollers. Maar de kleinere SWIM-bots zouden onafhankelijk zijn.

Volgens Schaler lossen de onafhankelijke bots een deel van de problemen op die gepaard gaan met een missie naar Europa door meer robuuste gegevens te verzamelen.

"Mijn idee is, waar kunnen we geminiaturiseerde robotica nemen en ze op interessante nieuwe manieren toepassen om ons zonnestelsel te verkennen?" zei Schaler. "Met een zwerm kleine zwemmende robots kunnen we een veel groter volume oceaanwater verkennen en onze metingen verbeteren door meerdere robots gegevens te laten verzamelen in hetzelfde gebied."

De groep onafhankelijke SWIM-bots zou een ander probleem oplossen dat verband houdt met het verkennen van met ijs bedekte oceaanwerelden. De enige haalbare manier om door Europa's 15 tot 25 km lange ijsschelp te komen is met warmte. De cryobot zou zich een weg banen door al dat ijs met een hete kernenergiebron. Vanwege ontwerp- en missiebeperkingen zou de cryobot waarschijnlijk niet verder reizen dan het punt waar hij de bodem van het ijs doorbrak en de oceaan bereikte. De nucleaire warmtebron van de cryobot zou het water in de buurt van de cryobot opwarmen, en chemische reacties zouden de aard van het water veranderen, de gegevens vervuilen en de waarde ervan verminderen. De onafhankelijke SWIM-bots zouden aan deze warmtebel kunnen ontsnappen en een nauwkeuriger beeld kunnen krijgen van Europa's oceaan.

Samuel Howell is een NASA/JPL-wetenschapper die betrokken is bij de Europa Clipper-missie. Hij maakt ook deel uit van het team dat het SWIM-concept ontwikkelt. "Wat als je, na al die jaren die het heeft gekost om in een oceaan te komen, op de verkeerde plaats door de ijsschelp komt? Wat als er daar tekenen van leven zijn, maar niet waar je de oceaan bent binnengegaan?" zei Howell. "Door deze zwermen robots met ons mee te nemen, zouden we 'daar' kunnen kijken om veel meer van onze omgeving te verkennen dan een enkele cryobot zou toestaan."

Howell wees op de overeenkomsten tussen SWIM en Ingenuity, de kleine helikopter die met de Perseverance Rover naar Mars reisde.

"De helikopter vergroot het bereik van de rover en de beelden die hij terugstuurt, zijn context om de rover te helpen begrijpen hoe hij zijn omgeving moet verkennen", zei hij. "Als je in plaats van één helikopter een heleboel had, zou je veel meer weten over je omgeving. Dat is het idee achter SWIM."

Schaler zegt dat de individuele bots desgewenst ook samen in een zwerm kunnen werken, net zoals zwermen vissen dat doen. Deze manoeuvre zou een cruciale rol kunnen spelen bij het zoeken naar leven door gradiënten in energie of zoutgehalte te identificeren. Energiegradiënten worden als cruciaal beschouwd voor de ontwikkeling van het leven, omdat het leven er in wezen van afhangt. Het leven maakt gebruik van energiegradiënten om steeds betere kopieën van zichzelf te maken die zich door de omgeving verspreiden, op zoek naar andere energiegradiënten om te exploiteren. (In feite, om het te bekijken, bestaat leven om energiegradiënten af ​​te vlakken en entropie te verspreiden totdat er geen orde meer bestaat in het universum, maar dat is een beetje off-topic. Lees dit als je nieuwsgierig bent:"Natuurkunde, Leven, en alles leuk.")

"Als er energiegradiënten of chemische gradiënten zijn, kan zo leven ontstaan. We zouden stroomopwaarts van de cryobot moeten komen om die te voelen," zei Schaler.

De SWIM-bots zouden elk instrumenten hebben om temperatuur en zoutgehalte te meten. Ze zullen ook de zuurgraad en druk meten, en elk zal zijn eigen voortstuwings- en communicatiesystemen hebben.

Het SWIM-concept is een fascinerende stap in de poging Europa te verkennen. Het behandelt enkele van de problemen die inherent zijn aan het verkennen van een oceaan begraven onder ijs, of het nu op Europa is of op een van de andere met ijs bedekte oceaanmanen van het zonnestelsel. Maar er zijn nog andere obstakels bij het verkennen van deze manen, en sommige ervan kunnen buitengewoon moeilijk te overwinnen zijn.

Europa heeft alleen een oceaan vanwege de nabijheid van Jupiter. Terwijl de maan om de gasplaneet draait, verwarmt de getijbuiging Europa voldoende om water in vloeibare toestand te houden. Maar die nabijheid en getijflexie brengen een prijs met zich mee:Jupiter zendt krachtige straling uit. Zo krachtig zelfs dat NASA's Juno-missie naar Jupiter zijn gevoelige instrumenten ter bescherming in een titanium kluis bewaart. Het volgt ook een polaire baan waardoor het de ergste straling kan vermijden. Maar bij elke baan wordt het titanium gewelf door straling aangetast totdat de instrumenten zo beschadigd zijn dat de missie effectief zal eindigen.

Elke missie naar Europa zal op de een of andere manier met die straling te maken krijgen, hoewel de ijsbarrière enige bescherming zou bieden voor de cryobot en de SWIM-bots.

Een ander probleem is om een ​​ruimtevaartuig veilig op het oppervlak van Europa te krijgen. Afbeeldingen tonen een gebroken oppervlak dat op sommige locaties bedekt is met blokvormige brokken ijs. Andere gebieden zijn verscheurd met spleten. Het equatoriale gebied van Europa kan worden gedomineerd door penitentes, ijzige pieken tot 15 meter (49 voet) hoog. Manoeuvreren naar een landingsplaats kan erg moeilijk zijn. In tegenstelling tot Mars, waar rovers het oppervlak in detail bestuderen en missieplanners kunnen helpen veilige en wetenschappelijk waardevolle landingsplaatsen te vinden, is het oppervlak van Europa niet goed in kaart gebracht. Het is ook niet zo goed begrepen. Het oppervlak kan zo hard of zo zacht zijn dat het moeilijk is om een ​​ruimtevaartuig te ontwerpen dat met succes het ijzige oppervlak kan raken.

Maar terwijl het SWIM-concept op dit moment slechts een concept is, is de Europa Clipper dat niet. Wetenschappers hopen dat de Clipper in staat zal zijn om het oppervlak van Europa in kaart te brengen, net zoals de Mars Reconnaissance Orbiter voor Mars heeft gedaan. Gegevens van de Clipper zouden een lander moeten helpen het oppervlak van Europa te bestrijden.

Hopelijk zal al het intellectuele kapitaal dat wordt besteed aan het verkennen van Europa zijn vruchten afwerpen. De Europa Clipper zelf zal pas in 2030 een baan rond Jupiter bereiken. We zullen dus lang moeten wachten voordat een missie ooit het oppervlak van Europa bereikt. En de eerste oppervlaktemissie heeft misschien niet eens een cryobot om het ijs te doorboren en de oceaan te bestuderen.

Maar op een dag, behoudens maatschappelijke ineenstorting of iets anders apocalyptisch, zullen we daar een ruimtevaartuig krijgen en zullen we verkennen. Als je jong genoeg bent als je dit leest, ben je misschien nog in leven om de kreten van "Eureka!" te horen. terwijl opgewonden wetenschappers de ontdekking van microben in de uitgestrekte oceaan van Europa aankondigen. + Verder verkennen

Zwerm kleine zwemmende robots zou op verre werelden naar leven kunnen zoeken