Bij toekomstige bemande missies naar de maan en ook Mars zullen mensen er langer moeten verblijven dan een paar dagen. Door de afwezigheid van een atmosfeer staan astronauten in buitenaardse omgevingen langdurig bloot aan sterke straling, grote temperatuurverschillen van meer dan 280 graden Celsius en (micro)meteorieten, weet Heemskerk.

„Daar is een lichtgewicht verblijf van dun aluminium niet tegen bestand. Dan heb je dus betere bescherming nodig. Maar de kosten voor een steviger verblijfplaats zijn te hoog”, betoogt de student. „Wij zijn daarom nieuwe technologieën aan het voorbereiden.” Een internationale groep studenten oefende afgelopen zomer alvast in een lavatunnel op IJsland.

Met het oog op langdurig verblijf op andere hemellichamen verkenden de NASA en andere ruimtevaartorganisaties al in de jaren zeventig de mogelijkheden om gebruik te maken van lokale materialen. Dit heet In-Situ Resource Utilization, ofwel ISRU. Heemskerk: „De interessantste vorm van ISRU is niet alleen om kleine materialen zoals zand en stenen van een maan of planeet te gebruiken, maar hele structuren zoals lavatunnels.”

De student kwam op dit idee toen hij in 2018 door een gasthoogleraar van de Vrije Universiteit werd betrokken bij het studentenproject EuroMoonMars voor het coördineren van een astronautenonderzoek op IJsland. Dit project is opgezet door een internationale werkgroep.

Testbasis

Heemskerk kreeg de opdracht te bepalen waar op het vulkanische eiland het beste een testbasis kan worden opgezet. Er waren verschillende opties: op een gletsjer, boven op een vulkaan, onder water, of in een van de lavatunnels in een lavaveld. „De laatste optie vond ik het coolst.” Het is bekend dat er lavatunnels op de maan zijn. Een recente studie toont bovendien aan dat dit ook het geval is op Mars.

Na bijna drie jaar van voorbereiding zag oefenmissie Chill-Ice het licht. In het Surtshellir-Stefánshellirgrottensysteem in een van IJslands grootste lavavelden ging het team aan de slag.

Het team simuleerde een maanlanding, om vervolgens binnen acht uur het verblijf in de lavatunnel op te zetten, samen met de bijkomende systemen zoals zonnepanelen en communicatieapparatuur. „De Apollo-astronauten hadden namelijk voor acht uur zuurstof in hun pak. Dit gegeven hebben wij als uitgangspunt voor onze missie genomen.”

De missie maakte gebruik van een opblaasbaar verblijf. „Een van de eisen is dat deze habitat door mensen in de lavatunnel gedragen kan worden”, vertelt de aardwetenschapper. „Het voordeel is dat je weinig materiaal nodig hebt. De stevigheid komt van de stikstof waarmee het verblijf wordt opgeblazen.” Het opblaasbare huis weegt nog geen 16 kilogram en kan zodoende gemakkelijk worden meegenomen.

Bij de oefenmissie van afgelopen zomer is nog niet met pure zuurstof of een beschermende atmosfeer gewerkt. „We maakten gebruik van luchtfilters en hielden de CO2-waarden goed in de gaten. Maar bij volgende missies willen we ook het verblijf onder lichte overdruk zetten met een echte luchtsluis erin. Zo kunnen we de omstandigheden op de maan zo goed mogelijk simuleren.”

Voor het Chill-Iceproject werden 27 mensen van 11 nationaliteiten ingevlogen en werkten partners uit 16 verschillende landen samen. Heemskerk: „De ruimtepakken kwamen uit Spanje. Het opblaasbare verblijf is een studentenproject uit Canada. Het ruimtevoedsel kwam van een extreem-outdoorbedrijf uit Polen en het communicatiesysteem uit Reykjavík. We hebben samengewerkt met wetenschappers uit België en Duitsland, die de psychologische en sociologische aspecten en de welgesteldheid van de astronauten bestudeerden. Want het is ook belangrijk om in een grot te wíllen overleven zonder dat je elkaar de hersens inslaat.”

Omdat Heemskerk als bedenker over te veel insiderinformatie beschikte, nam hij niet als testastronaut deel aan de missie, maar gaf er als ”flight director” leiding aan. Zes studenten en aankomende wetenschappers in ruimtepakken kregen als opdracht alle systemen binnen de gestelde tijd op te zetten. „Dat lukte binnen zeven uur en zeven minuten.”

Daarna verbleven de astronauten nog twee dagen en twee nachten in de habitat om de systemen te testen. Er vonden twee oefeningen van elk 5,5 uur plaats. „Beide missies zijn geslaagd, waarmee we hebben aangetoond dat dit scenario in de praktijk daadwerkelijk mogelijk is.”

Nieuws in beeld

Teamleden hadden tijdens de oefenmissie Chill-Ice op IJsland astronautenpakken aan. beeld Marc Heemskerk

Marc Heemskerk (met laptop) in gesprek met teamleden. beeld Marc Heemskerk

Lavagrotten op IJsland zijn ontstaan door ondergronds stromende magma. beeld The Cave

Robothond

Toekomstige analoge missies richten zich tevens op het gebruik van robotica. Het Chill-Iceproject wil gaan testen hoe robots kunnen worden ingezet bij het verkennen van lavatunnels. „Hierbij werken we samen met het robotteam van de TU Delft. Dat heeft het schattige, maar briljante robothondje Lunar Zebro met zes pootjes. Hierop zitten camerasystemen die een tunnel in 3D in kaart kunnen brengen. Met een beetje geluk mogen we Zebro op onze volgende oefenmissie in 2022 weer mee naar IJsland nemen en in een lavatunnel loslaten.”

Een prototype van Zebro zal in 2023 naar de maan worden gelanceerd. Als het robotje de test doorstaat, wordt er een zwerm van honderd stuks naar de maan gestuurd. „Bij het betreden van de lavatunnels zal er een aantal kapotgaan. Maar er zullen er vast en zeker een aantal overblijven om de tunnels te verkennen. Dit vermindert het risico op verlies van mensenlevens en het kan de efficiëntie van de verkenning enorm verhogen.”

Afhankelijk van de investeringen en hoe de politiek hiermee omgaat, verwacht Heemskerk dat het binnen tien jaar mogelijk moet zijn om in een lavatunnel op de maan te wonen.

Holte

Lavatunnels ontstaan als de lavastroom bij een uitbarsting aan de buitenkant stolt, terwijl de lava daarbinnen blijft vloeien en wegstroomt.

Aardse lavatunnels zijn eigenlijk te klein om grote habitats in op te zetten. Maar die op de maan zijn een stuk breder en langer. Zo is er een lavatunnel in het inslagbekken Mare Imbrium met een lengte van 84 kilometer. En de tunnels kunnen ook een stuk dieper zijn dan de aardse. In Mare Ingenii bevinden zich meerdere openingen met dieptes tot wel meer dan 300 meter, ontstaan toen hier het dak van de lavatunnel instortte. Heemskerk: „Als je bedenkt dat het gat deels is opgevuld met puin, dan moet de tunnel eigenlijk nog dieper zijn.”

Dat er lavatunnels op Mars zijn, is al bekend sinds de Viking Orbiters in 1976 bij de rode planeet aankwamen. Sindsdien zijn er meerdere ontdekkingen gedaan van lavabuizen op Mars. „Sommige tunnelsystemen hebben een lengte van meer dan 120 kilometer”, weet Heemskerk.

„Door de combinatie van een gravimeter, die minieme verschillen in het zwaartekrachtveld waarneemt, en een magnetometer kunnen we zien hoe groot een potentiële lavatunnel werkelijk is. Dat voorkomt teleurstellingen van te grote habitats in te kleine tunnels.”

Juichen

Niet iedereen staat te juichen bij het plan om habitats op te zetten in lavatunnels. Het zou veel te ingewikkeld zijn en de tunnels zouden veel te diep zijn. Vooral sommige mensen van de Mars Society zouden volgens Heemskerk sceptisch zijn. „Zij hebben eerder plannen bedacht over hoe een habitat of zelfs hele steden op Mars het beste eruit zouden kunnen zien. Ze proberen koste wat het kost het gesprek over lavatunnels te vermijden.” Toekomstige Marsbewoners moeten misschien eerst wel 300 meter naar beneden, maar hebben nauwelijks bouwmaterialen nodig en zijn veel beter beschermd tegen straling, grote temperatuurwisselingen, meteorieten en giftig zand en stof van de oppervlakte. Heemskerk: „Daarbij zit je meteen op de plek die je zou willen onderzoeken. Want als er ooit leven op Mars is geweest, is zijn sporen ervan waarschijnlijk in deze beschutte lavatunnels te vinden.”