Is er seismische activiteit op de rode planeet?

Het pulsmeetinstrument SEIS is op weg naar Mars: FAULHABER stappenmotoren zorgen voor nauwkeurige meetresultaten

Wanneer SEIS eind november zijn bestemming bereikt, zal de gevoeligste seismometer ooit zijn werk op Mars beginnen. Zes FAULHABER stappenmotoren met planetaire tandwielkasten zijn op dit moment op weg door de ruimte en zullen, zodra het instrument is geland, twee taken hebben: ten eerste moeten ze zeer precies de meetmechanica balanceren en ten tweede compenseren voor de spanningen die zich voordoen als gevolg van ernstige seizoensgebonden temperatuurschommelingen.

Bevingen zijn een duidelijk teken van bewegende massa's onder het planetaire oppervlak. Dit is feitelijk een recent inzicht in de wereld van de natuurwetenschappen. Ongeveer 100 jaar geleden stelde de Duitse aardwetenschapper Alfred Wegener de theorie van de platentektoniek voor - een theorie die aanvankelijk door collega's belachelijk werd gemaakt. Vandaag de dag wordt ons begrip van continentale platen, die drijven en verschuiven op de gesmolten mantel van de aarde, standaard onderwezen op scholen. Diepe valleien en hoge bergen: de beweging van continentale platen verandert geologische formaties. Dit is bekend voor de aarde. Maar hoe zit het met onze planetaire buurman Mars?

Gevoeliger dan elk ander apparaat
De Duits-Franse Bovenrijnvlakte strekt zich uit over een lengte van ongeveer 400 kilometer. De Valles Marineris op Mars is tien keer zo lang en op sommige punten zeven kilometer diep. Werd de kloof op onze naburige planeet ook gevormd als gevolg van het verschuiven van platen op de korst? En: is dit proces al lang geleden afgelopen, of gaat het nog steeds door? Deze vragen kunnen worden beantwoord door het meten van seismische golven. Is er seismische activiteit op Mars? De NASA-missie "InSight", die op 5 mei 2018 van start ging, zou een antwoord moeten geven op deze en andere vragen. De lander zal eind november op Mars aankomen en met zijn robotarm een seismometer op het planeetoppervlak plaatsen. Het meetinstrument SEIS is zo gevoelig dat het ondergrondse verplaatsingen kan detecteren die overeenkomen met de diameter van een enkel waterstofatoom. De NASA noemt dit instrument "de gevoeligste seismometer die ooit is gebouwd."


Uitzetting compenseren
De gevoeligheid en meetnauwkeurigheid zijn onder andere het resultaat van het thermisch balanceren van een veermechanisme. Dit balanceren is nodig omdat de verschillende seizoenen op de rode planeet grote temperatuurschommelingen veroorzaken. En wat op Aarde geldt, geldt evenzeer op Mars: verschillende temperaturen doen materialen krimpen en uitzetten en hebben ook een effect op hun sterkte - een aspect dat vooral merkbaar is in veermechanismen. Drie type AM 0820 stappenmotoren van FAULHABER zijn in de vacuümkamer van SEIS geïnstalleerd om deze temperatuurschommelingen op te vangen. De motoren met een diameter van slechts acht millimeter worden gecombineerd met de 08/1 serie planetaire tandwielkasten van FAULHABER. De tandwielkasten zijn met hun roestvrijstalen behuizing uitgerust met een speciale as en een speciaal gecoat kogellager voor gebruik op Mars.


De seismometer is voornamelijk gebouwd door Sodern - een dochteronderneming van de Franse Ariane-groep. Bij de evaluatie van de aandrijftechniek zocht Sodern naar de beste technische apparatuur. "Hiervoor was nauwgezet onderzoek nodig", herinnert perswoordvoerder Rémy Lambertin zich. Zijn bedrijf stond immers op het punt om "een van de kleinste instrumenten te bouwen die we ooit naar Mars hebben gestuurd." En hoe kleiner een instrument is, hoe kwetsbaarder het zal zijn. De lat werd daardoor extreem hoog gelegd op aspecten als robuustheid, duurzaamheid en bedrijfszekerheid.

De stappenmotoraandrijving die samen met de Franse FAULHABER dochteronderneming is ontworpen, zal naar verwachting ten minste 160 correctiecycli uitvoeren over een periode van twee jaar. De duurtesten die op aarde werden uitgevoerd, waren echter ontworpen om zes jaar te simuleren - en dit in een thermisch werkingsbereik van -120 tot +70 graden Celsius. FAULHABER stappenmotoren zijn al met succes onder zulke veeleisende omgevingsomstandigheden gebruikt op Mars-missies door NASA en ESA.

Goed gesmeerd - een echte uitdaging
Volgens Rémy Lambertin was een van de grootste uitdagingen bij het gebruik van de seismometer ervoor te zorgen dat de aandrijf componenten effectief gesmeerd werden. Een speciaal smeermiddel is nodig omdat de gemiddelde druk op het oppervlak van Mars slechts 6,36 hPa is. Op aarde komt dit ruwweg overeen met de luchtdruk op een hoogte van 35 kilometer. Dicronite zorgt voor een betrouwbare smering van de kogellagers van de motoren en van de schuifelementen van de tandwielkasten. Dit is een van de cruciale factoren die SEIS in staat stellen om spelingsvrij en met een uitzonderlijke duurzaamheid op het Martiaanse oppervlak te worden afgesteld.

SEIS - Seismisch Experiment voor Interieurstructuur - bestaat in wezen uit twee drie-assige seismologische sensoren die bodembewegingen van verschillende intensiteit en frequentie detecteren. De ene sensor meet frequenties van 0,01 tot 10 hertz en de andere frequenties van 0,1 tot 50 hertz. SEIS wordt ondersteund door instrumenten die windsterkte, luchtdruk, temperatuur en magnetisch veld meten. Het doel van deze metingen is na te gaan of trillingen werkelijk van seismische oorsprong zijn of gewoon het gevolg van verstorende factoren op het oppervlak van Mars. Al met al is het instrument in staat om trillingen te detecteren die de grond van de Rode Planeet verschuiven van minder dan de dikte van een waterstofatoom. Deze nauwkeurigheid is alleen mogelijk omdat het positioneringssysteem, dat elektrisch is aangedreven door FAULHABER stappenmotoren, een uitvoerig nivelleringsproces uitvoert. Overigens is het systeem in Duitsland ontwikkeld in het Max Planck Instituut voor Zonnestelselonderzoek in Göttingen.



Microdrives zonder backlash
Na de landing in november werken de aandrijfassen met een positioneernauwkeurigheid die een tolerantie heeft van minder dan 0,1 graden. De zero backlash van de zes FAULHABER-aandrijfassen zorgt voor een constant hoge herhaalbaarheid van bewegingen - en dit met een nettomassa van minder dan 20 gram. Deze enorme technologische inspanning is nodig omdat SEIS in zijn eentje op Mars is. Daarentegen maken seismometers op aarde meestal deel uit van een netwerk - wat uiteindelijk de meetprecisie verbetert. De zeer gevoelige seismometer op de Rode Planeet is daarom ondergebracht in een thermisch geïsoleerde vacuümkast die bedoeld is om bescherming te bieden tegen storende omgevingsfactoren.

Auteur: Thorsten Sienk, econoom, freelance tekstschrijver, Bodenwerder, www.sienk.de

  Meer weten…