Realistische kleurenfoto van Jupiter's maan Europa. NASA/JPL-Caltech/SETI Instituut
De NASA heeft onlangs een financiering van 600.000 dollar (495.000 pond) aangekondigd voor een onderzoek naar de haalbaarheid van het zenden van zwermen miniatuurzwemrobots (bekend als onafhankelijke microzwemmers) om oceanen te verkennen onder de ijzige schalen van de vele “oceaanwerelden” van ons zonnestelsel. Maar stel je geen metalen mensachtigen voor die als kikkers onder water zwemmen. Het zullen waarschijnlijk eenvoudige, driehoekige wiggen zijn.
Pluto is één voorbeeld van een waarschijnlijke oceaanwereld. Maar de werelden met oceanen het dichtst bij het oppervlak, waardoor ze het meest toegankelijk zijn, zijn Europa, een maan van Jupiter, en Enceladus, een maan van Saturnus.
Dwarsdoorsnede door de buitenste zone van Europa’s zuidpoolgebied met de pluimen, de gebroken ijsschelp, de oceaan van vloeibaar water (troebel aan de basis nabij hydrothermale pluimen) en het rotsachtige inwendige.
Nasa/JPL
Leven in oceaanwerelden
Deze oceanen zijn voor wetenschappers niet alleen interessant omdat zij zoveel vloeibaar water bevatten (Europa’s oceaan bevat waarschijnlijk tweemaal zoveel water als alle oceanen op aarde), maar ook omdat chemische interacties tussen gesteente en oceaanwater leven zouden kunnen voortbrengen. Het milieu in deze oceanen kan namelijk sterk lijken op dat op aarde toen het leven begon.
Dit zijn omgevingen waar water dat in het gesteente van de oceaanbodem is gesijpeld, heet en chemisch verrijkt wordt – water dat vervolgens weer in de oceaan wordt uitgestoten. Microben kunnen zich voeden met deze chemische energie, en kunnen op hun beurt worden opgegeten door grotere organismen. Er is eigenlijk geen zonlicht of atmosfeer nodig. Sinds hun ontdekking in 1977 zijn op de oceaanbodem van de aarde veel van dit soort warme rotsachtige structuren gedocumenteerd, die bekend staan als “hydrothermale bronnen”. Op deze plaatsen wordt het lokale voedselweb inderdaad ondersteund door chemosynthese (energie uit chemische reacties) in plaats van fotosynthese (energie uit zonlicht).
Een boorgat op de bodem van de noordoostelijke Stille Oceaan. Een bed van kokerwormen die zich voeden met chemosynthetische microben bedekt de bodem.
NOAA/PMEL
In de meeste oceaanwerelden van ons zonnestelsel is de energie die hun rotsachtige binnenste verwarmt en voorkomt dat de oceanen helemaal tot aan de basis bevriezen, voornamelijk afkomstig van getijden. Dit in tegenstelling tot de grotendeels radioactieve verhitting van het binnenste van de aarde. Maar de chemie van de water-rots interacties is vergelijkbaar.
De oceaan van Enceladus is reeds bemonsterd door met het Cassini ruimtevaartuig door pluimen van ijskristallen te vliegen die door barsten in het ijs naar buiten komen. En er is hoop dat de Europa Clipper missie van NASA soortgelijke pluimen zal vinden om te bemonsteren wanneer het in 2030 aan een serie Europa flybys begint. In de oceaan op verkenning gaan zou echter veel meer informatie kunnen opleveren dan alleen maar snuffelen aan een gevriesdroogd monster.
Een lander van Europa gebruikt een sonde om een gat door het ijs te smelten, waardoor vervolgens een zwerm zwemmende robots vrijkomt. Conceptuele impressie, niet op schaal.
Nasa/JPL-Caltech
In het Zwemmen
Hier komt het concept van de sensoren met onafhankelijke microzwemmers (Swim). Het idee is om op Europa of Enceladus te landen (wat noch goedkoop noch gemakkelijk zou zijn) op een plaats waar het ijs relatief dun is (nog niet gelokaliseerd) en een radioactief verwarmde sonde te gebruiken om een 25 cm breed gat door te smelten tot in de oceaan – die zich honderden of duizenden meters lager bevindt.
Eenmaal daar, zou het tot ongeveer vier dozijn 12 cm lange, wigvormige microzwemmers vrijlaten om op verkenning te gaan. Hun uithoudingsvermogen zou veel kleiner zijn dan dat van het 3,6 m lange autonome onderwatervoertuig met de beroemde naam Boaty McBoatface, dat een bereik van 2000 km heeft en al een tocht van meer dan 100 km onder het ijs van Antarctica heeft afgelegd.
Onafhankelijke microzwemmers, uitgezet vanaf een sonde die de ijskorst van een maan is binnengedrongen. Niet op schaal.
Nasa/JPL
In dit stadium is Swim slechts een van de vijf “fase 2-studies” naar een reeks “geavanceerde concepten” die in de 2022-ronde van het NIAC-programma (Innovative Advanced Concepts) van de Nasa worden gefinancierd. Het ziet er dus nog steeds naar uit dat Swim geen werkelijkheid zal worden, en er is nog geen volledige missie gepland of gefinancierd.
De microzwemmers zouden akoestisch (via geluidsgolven) met de sonde communiceren, en de sonde zou zijn gegevens via een kabel naar de lander op het oppervlak sturen. In de studie zullen prototypes worden uitgeprobeerd in een testtank waarin alle subsystemen zijn geïntegreerd.
Elke microzwemmer zou misschien slechts tientallen meters van de sonde kunnen verkennen, beperkt door hun batterijvermogen en het bereik van hun akoestische dataverbinding, maar door als een zwerm op te treden zouden zij veranderingen (in tijd of plaats) in temperatuur en zoutgehalte in kaart kunnen brengen. Misschien kunnen zij zelfs veranderingen in de troebelheid van het water meten, die de richting naar de dichtstbijzijnde hydrothermale opening kunnen aangeven.
Beperkingen in het vermogen van de microzwemmers kunnen betekenen dat geen van hen camera’s kan dragen (deze zouden hun eigen lichtbron nodig hebben) of sensoren die specifiek organische moleculen kunnen opsnuiven. Maar in dit stadium is niets uitgesloten.
Ik denk echter dat het vinden van tekenen van hydrothermale ventilatieopeningen een gok is. De oceaanbodem zou immers vele kilometers onder het loslaatpunt van de microzwemmer liggen. Maar, om eerlijk te zijn, wordt het lokaliseren van bronnen niet expliciet voorgesteld in het Swim-voorstel. Om de openingen zelf te lokaliseren en te onderzoeken, hebben we waarschijnlijk wel Boaty McBoatface in de ruimte nodig. Dat gezegd hebbende, Swim zou een goed begin zijn.
David Rothery is hoogleraar planetaire geowetenschappen aan de Open Universiteit. Hij is mede-leider van de Mercury Surface and Composition Working Group van de European Space Agency's, en mede-onderzoeker aan MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer) die nu op weg is naar Mercurius aan boord van de Mercury orbiter BepiColombo van de European Space Agency's. Hij heeft financiering ontvangen van de UK Space Agency en de Science & Technology Facilities Council voor werkzaamheden in verband met Mercurius en BepiColombo, en van de Europese Commissie in het kader van haar Horizon 2020-programma voor werkzaamheden op het gebied van planetaire geologische kartering (776276 Planmap). Hij is auteur van Planet Mercury – from Pale Pink Dot to Dynamic World (Springer, 2015), Moons: A Very Short Introduction (Oxford University Press, 2015) en Planets: A Very Short Introduction (Oxford University Press, 2010). Hij is Educator op de Open University's free learning Badged Open Course (BOC) on Moons en de equivalente FutureLearn Moons MOOC, en voorzitter van de Open University's level 2 course on Planetary Science and the Search for Life.
